【摘要】：現(xiàn)代戰(zhàn)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(zhàn)場上防護系統(tǒng)的“機動性”與“防護性”要求,當今世界各軍事強國均致力于發(fā)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(yōu)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(yōu)良的抗侵徹性能,但有關各分層組裝工藝及結構參數(shù)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(shù)是采用數(shù)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(shù)據。迄今,泡沫鋁材料動態(tài)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,本文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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)表征Taylor沖擊下多孔材料彈體塑性區(qū)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(tài)壓縮、動態(tài)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(guī)律,并揭示其影響機制。采用高速侵徹實驗及數(shù)值仿真手段分析裝甲結構各分層的損傷破壞特性并對數(shù)值仿真方法的有效性進行驗證,進而利用數(shù)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(shù)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(fā)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(shù)對陶瓷/金屬/泡沫鋁/金屬裝甲結構抗侵徹性能的影響規(guī)律,并揭示彈體侵徹效應。在通過典型高速侵徹實驗對數(shù)值仿真方法進行有效性驗證基礎上,利用數(shù)值仿真手段分析金屬板及泡沫板結構參數(shù)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(shù)的影響規(guī)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(qū)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)對該類裝甲結構抗侵徹性能的影響,為裝甲結構優(yōu)化設計奠定基礎。綜上所述,本文在建立泡沫鋁率相關本構模型及獲得相應參數(shù)基礎上,利用實驗與數(shù)值仿真相結合的技術手段系統(tǒng)地分析了層間界面粘結、周向約束、金屬板及泡沫板結構參數(shù)對含泡沫鋁吸波層陶瓷復合裝甲抗侵徹性能的影響特性,并通過理論解析手段建立了抗侵徹評估模型,探討了裝甲結構優(yōu)化設計問題。研究成果可為先進陶瓷復合裝甲設計及其應用提供參考。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TJ04;TJ810.38

【參考文獻】

相關期刊論文 前8條

1 李永東,張男,唐立強,林宏,崔洪偉;Al_2O_3陶瓷—石墨/超高分子量聚乙烯雜交纖維復合材料裝甲抗彈性能研究[J];兵器材料科學與工程;2003年02期

2 蔣志剛,曾首義,周建平;剛性尖頭彈侵徹貫穿金屬薄靶板耗能分析[J];兵工學報;2004年06期

3 胡欣;王揚衛(wèi);高舉斌;于曉東;王富恥;;約束應力對AD95陶瓷彈擊損傷特征的影響[J];北京理工大學學報;2010年05期

4 杜忠華,王戈冰,沈培輝,趙國志;陶瓷/Kevlar復合材料靶板抗彈性能分析模型[J];彈道學報;2003年02期

5 王曙光;朱建生;;金屬封裝陶瓷復合裝甲抗彈性能研究[J];彈道學報;2009年04期

6 申志強;蔣志剛;曾首義;;陶瓷金屬復合靶板工程模型及耗能分析[J];工程力學;2008年09期

7 李歡秋;歐陽科峰;張仕;;復合材料多功能防彈板防彈性能研究[J];玻璃鋼/復合材料;2013年01期

8 孔祥韶;吳衛(wèi)國;李曉彬;徐雙喜;黃燕玲;;破片侵徹鋼/陶瓷/鋼復合板的特性分析[J];解放軍理工大學學報(自然科學版);2012年02期

，

本文編號：2607658