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含泡沫鋁吸波層陶瓷復合裝甲設計及其抗侵徹特性

發布日期:2018/10/10

15选5一般多少钱 www.tnrni.icu 含泡沫鋁吸波層陶瓷復合裝甲設計及其抗侵徹特性
       現代戰爭條件下反裝甲武器攻擊性能日益高效及立體化,為滿足戰場上防護系統的“機動性”與“防護性”要求,當今世界各軍事強國均致力于發展抗彈能力更強、質量更輕的復合裝甲。
陶瓷復合裝甲因性能優越而備受關注,針對陶瓷復合裝甲添加具有吸波作用的多孔材料夾層進而開展抗彈性能研究已成為國內外研究熱點之一。泡沫鋁受碰撞時通過網狀孔隙變形吸能可衰減沖擊波強度、延遲沖擊波到達時刻,是一種在裝甲防護領域具有潛在應用前景的多孔吸波材料。
       已有研究成果表明含泡沫鋁吸波層陶瓷復合裝甲具有優良的抗侵徹性能,但有關各分層組裝工藝及結構參數對其抗侵徹特性影響的研究成果鮮見報道。另外,客觀反映各組分力學性能的本構模型及相應參數是采用數值仿真手段對裝甲結構抗侵徹性能進行評估的重要輸入數據。迄今,泡沫鋁材料動態本構模型中一般視泡沫鋁為完全可壓縮材料,未考慮塑性泊松比,存在較大局限性。
鑒于以上工程應用背景,以含泡沫鋁吸波層陶瓷復合裝甲為研究對象,采用高速侵徹實驗、數值仿真、理論解析相結合的技術手段,在分析裝甲結構中各單體組分材料尤其是泡沫鋁的本構模型及參數基礎上,針對裝甲結構抗侵徹性能受層間界面粘結、周向約束、分層結構參數的影響等問題開展研究,并建立抗侵徹評估模型。
本文主要研究內容如下:
       第一,提出多孔材料塑性泊松比的獲取方法,建立計及塑性泊松比的泡沫鋁率相關本構模型。借鑒Hawkyard提出的Taylor桿能量法公式,采用非線性函數表征Taylor沖擊下多孔材料彈體塑性區相對密度與軸向應變之間的關系,結合Taylor實驗確定多孔材料的塑性泊松比,并以典型泡沫鋁材料為例進行了分析;利用準靜態壓縮、動態壓縮實驗獲取單向壓縮下泡沫鋁的應力應變關系;在此基礎上結合Deshpande-Fleck屈服準則,建立計及塑性泊松比的泡沫鋁率相關本構模型,并通過Taylor實驗驗證了模型有效性。
       第二,獲得層間界面粘結及周向約束對陶瓷/泡沫鋁/金屬裝甲結構抗侵徹性能的影響規律,并揭示其影響機制。采用高速侵徹實驗及數值仿真手段分析裝甲結構各分層的損傷破壞特性并對數值仿真方法的有效性進行驗證,進而利用數值仿真手段獲取典型層間界面粘結、周向約束下陶瓷/泡沫鋁/金屬裝甲結構的彈道極限速度,獲取彈體侵徹過程及彈體速度、加速度、動能的衰減特性,為分析層間界面粘結、周向約束對裝甲結構抗侵徹性能的影響機制奠定基礎。
研究結果表明,當陶瓷/泡沫鋁/金屬裝甲結構中各分層參數保持不變時,將陶瓷板與泡沫板迎彈面進行粘結或對陶瓷板、泡沫板施加周向約束均能限制陶瓷板、泡沫板的裂紋擴展,增強裝甲結構耗能,有利于提高抗侵徹性能;而將泡沫板背彈側面與金屬背板進行粘結易引發泡沫板與陶瓷板提前彎曲斷裂,削弱裝甲結構耗能,降低抗侵徹性能。
       第三,獲得金屬板及泡沫板結構參數對陶瓷/金屬/泡沫鋁/金屬裝甲結構抗侵徹性能的影響規律,并揭示彈體侵徹效應。在通過典型高速侵徹實驗對數值仿真方法進行有效性驗證基礎上,利用數值仿真手段分析金屬板及泡沫板結構參數對陶瓷/金屬/泡沫鋁/金屬裝甲結構彈道極限速度及侵徹過程中彈體速度、加速度、動能、位移等特性參數的影響規律。
研究結果表明,當陶瓷/金屬/泡沫鋁/金屬裝甲結構面密度、陶瓷板厚度不變時,金屬板、泡沫板厚度對抗侵徹性能具有重要影響,并獲得厚度配置的最佳區間,而泡沫板孔隙率屬于次要影響因素。
       第四,基于各分層結構耗能量與“彈靶”基本參數之間的關系,建立陶瓷/金屬/泡沫鋁/金屬裝甲結構抗侵徹評估模型。依據裝甲結構中因單體組分材料特性所形成各分層結構的不同損傷模式,對抗侵徹物理過程“化整為零”,在通過實驗確定陶瓷錐特性參數的基礎上分別獲得了陶瓷板、金屬過渡板及泡沫板、背板等分層結構耗能與“彈靶”基本參數之間的關系,進而利用能量守恒原理“集零為整”,建立陶瓷/金屬/泡沫鋁/金屬裝甲結構抗侵徹評估模型,并通過典型實驗及數值仿真工況驗證了模型的有效性。
典型案例分析表明,抗侵徹評估模型可用于分析分層結構參數對該類裝甲結構抗侵徹性能的影響,為裝甲結構優化設計奠定基礎。