含泡沫鋁吸波層陶瓷復(fù)合裝甲設(shè)計(jì)及其抗侵徹特性研究.pdf

1、現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)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(chǎng)上防護(hù)系統(tǒng)的“機(jī)動(dòng)性”與“防護(hù)性”要求，當(dāng)今世界各軍事強(qiáng)國(guó)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(duì)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(guó)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

2、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(duì)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(duì)裝甲結(jié)構(gòu)抗侵徹性能進(jìn)行評(píng)估的重要輸入數(shù)據(jù)。迄今，泡沫鋁材料動(dòng)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(duì)象，采用高速侵徹實(shí)驗(yàn)、數(shù)值仿真、理論解析相結(jié)

3、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(duì)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(píng)估模型。本文主要研究?jī)?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(duì)密度與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系，

4、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(dòng)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(duì)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

5、層的損傷破壞特性并對(duì)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(dòng)能的衰減特性，為分析層間界面粘結(jié)、周向約束對(duì)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沾砂濉⑴菽迨┘又芟蚣s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

6、，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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)能、位移等特性

7、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(duì)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(píng)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(duì)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)

8、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(píng)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(píng)估模型可用于分析分層結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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)