【摘 要】
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导弹或火箭发射以及飞机起降时,面临气流吹起岩石颗粒撞击的威胁。由于航空、航天器对重量要求严格,轻量化材料是提高其防护能力的首选途径。聚脲作为一种力学性能优良的新型防护材料,具有广阔的应用前景。当前聚脲涂层复合板抗岩石颗粒冲击尚未有系统研究,本文以K9玻璃作为射弹代替玄武岩颗粒,通过试验研究与数值仿真相结合的方法,开展了聚脲涂层复合板抗岩石颗粒侵彻特性研究,揭示了聚脲涂层复合板变形破坏规律和抗侵彻机
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导弹或火箭发射以及飞机起降时,面临气流吹起岩石颗粒撞击的威胁。由于航空、航天器对重量要求严格,轻量化材料是提高其防护能力的首选途径。聚脲作为一种力学性能优良的新型防护材料,具有广阔的应用前景。当前聚脲涂层复合板抗岩石颗粒冲击尚未有系统研究,本文以K9玻璃作为射弹代替玄武岩颗粒,通过试验研究与数值仿真相结合的方法,开展了聚脲涂层复合板抗岩石颗粒侵彻特性研究,揭示了聚脲涂层复合板变形破坏规律和抗侵彻机理,为航空、航天器的设计提供参考,具有重要的理论意义和实用价值。具体研究内容及结论如下:其一,开展了聚脲涂层复合板抗侵彻试验研究。以轻气炮为发射平台,采用K9玻璃射弹,对不同厚度聚脲涂层和铝合金板制成的复合板,在两个速度段进行侵彻试验。试验发现射弹的破坏形式包括头部的压缩破碎和尾部的拉伸层裂破碎。试验还表明了聚脲涂层具有良好的吸能作用,通过增加铝合金板的塑性变形,吸收射弹动能,减缓铝合金板的剪切破坏。其二,开展了聚脲涂层复合板抗侵彻仿真研究。建立了物理模型并选取合适的材料本构模型,通过对比试验结果,验证了仿真模型的合理性、有效性。结合试验与仿真结果,进一步分析K9玻璃射弹的碎裂形式和力学行为以及聚脲涂层的抗侵彻机理及性能。发现:射弹的破碎程度与应力峰值大小相关;1mm厚的聚脲涂层使铝合金板的单位面密度速度降增加约5%,2mm厚的聚脲涂层则增加约40%,聚脲涂层可以显著提高铝合金板的抗侵彻性能。其三,开展了聚脲涂层复合板抗侵彻特性研究。在上述研究基础上,对比等面密度铝合金板,分析了射弹速度和等面密度下聚脲涂层厚度对复合板抗侵彻性能的影响。在400m/s～600m/s速度下,聚脲涂层厚度为1mm和2mm的复合板,后部的铝合金板发生剪切破坏。在300m/s速度下,聚脲涂层与铝合金板的厚度比值约小于1/2时,铝合金板发生剪切破坏;厚度比值约大于2时,铝合金板发生花瓣开裂破坏;厚度比值约为1时,铝合金板发生拉伸颈缩断裂破坏。铝合金板发生剪切破坏和花瓣开裂破坏时,复合板的抗侵彻能力与等面密度铝合金板相比没有优势。当铝合金板发生拉伸颈缩断裂破坏时,对射弹动能消耗较大,复合板的抗侵彻能力显著高于等面密度铝合金板。
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