【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(hù)系統(tǒng)的“機(jī)動性”與“防護(hù)性”要求,當(dāng)今世界各軍事強(qiáng)國均致力于發(fā)展抗彈能力更強(qiáng)、質(zhì)量更輕的復(fù)合裝甲。陶瓷復(fù)合裝甲因性能優(yōu)越而備受關(guān)注,針對陶瓷復(fù)合裝甲添加具有吸波作用的多孔材料夾層進(jìn)而開展抗彈性能研究已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一。泡沫鋁受碰撞時(shí)通過網(wǎng)狀孔隙變形吸能可衰減沖擊波強(qiáng)度、延遲沖擊波到達(dá)時(shí)刻,是一種在裝甲防護(hù)領(lǐng)域具有潛在應(yīng)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(fù)合裝甲具有優(yōu)良的抗侵徹性能,但有關(guān)各分層組裝工藝及結(jié)構(gòu)參數(shù)對其抗侵徹特性影響的研究成果鮮見報(bào)道。另外,客觀反映各組分力學(xué)性能的本構(gòu)模型及相應(yīng)參數(shù)是采用數(shù)值仿真手段對裝甲結(jié)構(gòu)抗侵徹性能進(jìn)行評估的重要輸入數(shù)據(jù)。迄今,泡沫鋁材料動態(tài)本構(gòu)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(yīng)用背景,本文以含泡沫鋁吸波層陶瓷復(fù)合裝甲為研究對象,采用高速侵徹實(shí)驗(yàn)、數(shù)值仿真、理論解析相結(jié)合的技術(shù)手段,在分析裝甲結(jié)構(gòu)中各單體組分材料尤其是泡沫鋁的本構(gòu)模型及參數(shù)基礎(chǔ)上,針對裝甲結(jié)構(gòu)抗侵徹性能受層間界面粘結(jié)、周向約束、分層結(jié)構(gòu)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(nèi)容如下:第一,提出多孔材料塑性泊松比的獲取方法,建立計(jì)及塑性泊松比的泡沫鋁率相關(guān)本構(gòu)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(yīng)變之間的關(guān)系,結(jié)合Taylor實(shí)驗(yàn)確定多孔材料的塑性泊松比,并以典型泡沫鋁材料為例進(jìn)行了分析;利用準(zhǔn)靜態(tài)壓縮、動態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)獲取單向壓縮下泡沫鋁的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系;在此基礎(chǔ)上結(jié)合Deshpande-Fleck屈服準(zhǔn)則,建立計(jì)及塑性泊松比的泡沫鋁率相關(guān)本構(gòu)模型,并通過Taylor實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型有效性。第二,獲得層間界面粘結(jié)及周向約束對陶瓷/泡沫鋁/金屬裝甲結(jié)構(gòu)抗侵徹性能的影響規(guī)律,并揭示其影響機(jī)制。采用高速侵徹實(shí)驗(yàn)及數(shù)值仿真手段分析裝甲結(jié)構(gòu)各分層的損傷破壞特性并對數(shù)值仿真方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證,進(jìn)而利用數(shù)值仿真手段獲取典型層間界面粘結(jié)、周向約束下陶瓷/泡沫鋁/金屬裝甲結(jié)構(gòu)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(jié)、周向約束對裝甲結(jié)構(gòu)抗侵徹性能的影響機(jī)制奠定基礎(chǔ)。研究結(jié)果表明,當(dāng)陶瓷/泡沫鋁/金屬裝甲結(jié)構(gòu)中各分層參數(shù)保持不變時(shí),將陶瓷板與泡沫板迎彈面進(jìn)行粘結(jié)或?qū)μ沾砂�、泡沫板施加周向約束均能限制陶瓷板、泡沫板的裂紋擴(kuò)展,增強(qiáng)裝甲結(jié)構(gòu)耗能,有利于提高抗侵徹性能;而將泡沫板背彈側(cè)面與金屬背板進(jìn)行粘結(jié)易引發(fā)泡沫板與陶瓷板提前彎曲斷裂,削弱裝甲結(jié)構(gòu)耗能,降低抗侵徹性能。第三,獲得金屬板及泡沫板結(jié)構(gòu)參數(shù)對陶瓷/金屬/泡沫鋁/金屬裝甲結(jié)構(gòu)抗侵徹性能的影響規(guī)律,并揭示彈體侵徹效應(yīng)。在通過典型高速侵徹實(shí)驗(yàn)對數(shù)值仿真方法進(jìn)行有效性驗(yàn)證基礎(chǔ)上,利用數(shù)值仿真手段分析金屬板及泡沫板結(jié)構(gòu)參數(shù)對陶瓷/金屬/泡沫鋁/金屬裝甲結(jié)構(gòu)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(jié)果表明,當(dāng)陶瓷/金屬/泡沫鋁/金屬裝甲結(jié)構(gòu)面密度、陶瓷板厚度不變時(shí),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(jié)構(gòu)耗能量與“彈靶”基本參數(shù)之間的關(guān)系,建立陶瓷/金屬/泡沫鋁/金屬裝甲結(jié)構(gòu)抗侵徹評估模型。依據(jù)裝甲結(jié)構(gòu)中因單體組分材料特性所形成各分層結(jié)構(gòu)的不同損傷模式,對抗侵徹物理過程“化整為零”,在通過實(shí)驗(yàn)確定陶瓷錐特性參數(shù)的基礎(chǔ)上分別獲得了陶瓷板、金屬過渡板及泡沫板、背板等分層結(jié)構(gòu)耗能與“彈靶”基本參數(shù)之間的關(guān)系,進(jìn)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(jié)構(gòu)抗侵徹評估模型,并通過典型實(shí)驗(yàn)及數(shù)值仿真工況驗(yàn)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(jié)構(gòu)參數(shù)對該類裝甲結(jié)構(gòu)抗侵徹性能的影響,為裝甲結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。綜上所述,本文在建立泡沫鋁率相關(guān)本構(gòu)模型及獲得相應(yīng)參數(shù)基礎(chǔ)上,利用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真相結(jié)合的技術(shù)手段系統(tǒng)地分析了層間界面粘結(jié)、周向約束、金屬板及泡沫板結(jié)構(gòu)參數(shù)對含泡沫鋁吸波層陶瓷復(fù)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。研究成果可為先進(jìn)陶瓷復(fù)合裝甲設(shè)計(jì)及其應(yīng)用提供參考。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TJ04;TJ810.38

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2607658