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含泡沫铝吸波层陶瓷复合装甲设计及其抗侵彻特性

发布日期:2018/10/10

含泡沫铝吸波层陶瓷复合装甲设计及其抗侵彻特性
       现代战争条件下反装甲武器攻击性能日益高效及立体化,为满足战场上防护系统的“机动性”与“防护性”要求,当今世界各军事强国均致力于发展抗弹能力更强、质量更轻的复合装甲。
陶瓷复合装甲因性能优越而备受关注,针对陶瓷复合装甲添加具有吸波作用的多孔材料夹层进而开展抗弹性能研究已成为国内外研究热点之一。泡沫铝受碰撞时通过网状孔隙变形吸能可衰减冲击波强度、延迟冲击波到达时刻,是一种在装甲防护领域具有潜在应用前景的多孔吸波材料。
       已有研究成果表明含泡沫铝吸波层陶瓷复合装甲具有优良的抗侵彻性能,但有关各分层组装工艺及结构参数对其抗侵彻特性影响的研究成果鲜见报道。另外,客观反映各组分力学性能的本构模型及相应参数是采用数值仿真手段对装甲结构抗侵彻性能进行评估的重要输入数据。迄今,泡沫铝材料动态本构模型中一般视泡沫铝为完全可压缩材料,未考虑塑性泊松比,存在较大局限性。
鉴于以上工程应用背景,以含泡沫铝吸波层陶瓷复合装甲为研究对象,采用高速侵彻实验、数值仿真、理论解析相结合的技术手段,在分析装甲结构中各单体组分材料尤其是泡沫铝的本构模型及参数基础上,针对装甲结构抗侵彻性能受层间界面粘结、周向约束、分层结构参数的影响等问题开展研究,并建立抗侵彻评估模型。
本文主要研究内容如下:
       第一,提出多孔材料塑性泊松比的获取方法,建立计及塑性泊松比的泡沫铝率相关本构模型。借鉴Hawkyard提出的Taylor杆能量法公式,采用非线性函数表征Taylor冲击下多孔材料弹体塑性区相对密度与轴向应变之间的关系,结合Taylor实验确定多孔材料的塑性泊松比,并以典型泡沫铝材料为例进行了分析;利用准静态压缩、动态压缩实验获取单向压缩下泡沫铝的应力应变关系;在此基础上结合Deshpande-Fleck屈服准则,建立计及塑性泊松比的泡沫铝率相关本构模型,并通过Taylor实验验证了模型有效性。
       第二,获得层间界面粘结及周向约束对陶瓷/泡沫铝/金属装甲结构抗侵彻性能的影响规律,并揭示其影响机制。采用高速侵彻实验及数值仿真手段分析装甲结构各分层的损伤破坏特性并对数值仿真方法的有效性进行验证,进而利用数值仿真手段获取典型层间界面粘结、周向约束下陶瓷/泡沫铝/金属装甲结构的弹道极限速度,获取弹体侵彻过程及弹体速度、加速度、动能的衰减特性,为分析层间界面粘结、周向约束对装甲结构抗侵彻性能的影响机制奠定基础。
研究结果表明,当陶瓷/泡沫铝/金属装甲结构中各分层参数保持不变时,将陶瓷板与泡沫板迎弹面进行粘结或对陶瓷板、泡沫板施加周向约束均能限制陶瓷板、泡沫板的裂纹扩展,增强装甲结构耗能,有利于提高抗侵彻性能;而将泡沫板背弹侧面与金属背板进行粘结易引发泡沫板与陶瓷板提前弯曲断裂,削弱装甲结构耗能,降低抗侵彻性能。
       第三,获得金属板及泡沫板结构参数对陶瓷/金属/泡沫铝/金属装甲结构抗侵彻性能的影响规律,并揭示弹体侵彻效应。在通过典型高速侵彻实验对数值仿真方法进行有效性验证基础上,利用数值仿真手段分析金属板及泡沫板结构参数对陶瓷/金属/泡沫铝/金属装甲结构弹道极限速度及侵彻过程中弹体速度、加速度、动能、位移等特性参数的影响规律。
研究结果表明,当陶瓷/金属/泡沫铝/金属装甲结构面密度、陶瓷板厚度不变时,金属板、泡沫板厚度对抗侵彻性能具有重要影响,并获得厚度配置的最佳区间,而泡沫板孔隙率属于次要影响因素。
       第四,基于各分层结构耗能量与“弹靶”基本参数之间的关系,建立陶瓷/金属/泡沫铝/金属装甲结构抗侵彻评估模型。依据装甲结构中因单体组分材料特性所形成各分层结构的不同损伤模式,对抗侵彻物理过程“化整为零”,在通过实验确定陶瓷锥特性参数的基础上分别获得了陶瓷板、金属过渡板及泡沫板、背板等分层结构耗能与“弹靶”基本参数之间的关系,进而利用能量守恒原理“集零为整”,建立陶瓷/金属/泡沫铝/金属装甲结构抗侵彻评估模型,并通过典型实验及数值仿真工况验证了模型的有效性。
典型案例分析表明,抗侵彻评估模型可用于分析分层结构参数对该类装甲结构抗侵彻性能的影响,为装甲结构优化设计奠定基础。

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