陶瓷轻型装甲抗弹能力的数值模拟和理论分析

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轻型陶瓷复合装甲以其优越的抗弹能力,在车辆工程、人体装甲以及航空领域得到越来越广泛的应用,研究轻型陶瓷复合装甲在弹丸撞击下的响应和破坏对武器装备和防护结构的设计和评估具有重要意义。本文的首要工作是建立陶瓷材料动态计算本构模型,并将其应用于模拟陶瓷复合装甲在弹体高速撞击下的侵彻和贯穿;其次是建立轻型陶瓷复合装甲的分析模型,预测弹体的残余速度、弹道极限。本文主要的研究内容及创新性结果如下:  在现有的混凝土材料本构模型和已有实验数据的基础上,发展了陶瓷材料动态计算本构模型。该模型能够描述陶瓷材料的基本特性如压力相关性、应变率效应、应变硬化和软化(剪切损伤和拉伸软化),加载路径相关性等。在分析了现有陶瓷材料静态三轴压缩和拉伸动态材料实验数据的基础上,得到了新的陶瓷材料强度面方程和动态增强因子(DIF)的经验公式。采用单单元模型,通过对单轴拉伸,双轴拉伸,三轴压缩等状态下的数值计算验证了陶瓷材料本构模型的正确性。  对不同约束条件下的陶瓷/钢靶板在弹丸撞击下的侵彻深度进行数值模拟。在数值模拟中,应用本文建立的动态计算本构模型来描述陶瓷材料的力学行为,应用JC本构关系描述钨合金弹体和钢背板的力学行为。结果表明,数值模拟得到的侵彻深度和实验数据吻合得较好。通过对平头弹撞击AD-99.7/RHA靶板的数值模拟证实了陶瓷/金属复合装甲符合几何相似尺度率。通过对球头弹撞击AD-99.5/4340靶板的数值模拟,发现增加盖板能够提高陶瓷材料的抗弹性能。另外,通过对AD-85/4340钢靶板和AlN/RHA靶板的数值模拟还可以看出陶瓷板的抗侵彻能力随陶瓷厚度的增大而提高。  对不同厚度的轻型陶瓷复合装甲在弹丸撞击下的穿透进行了数值模拟。在数值模拟中,应用本文建立的动态计算本构模型描述不同陶瓷材料的力学行为,应用JC本构模型描述弹体和铝背板的力学行为。结果表明,数值模拟得到的残余速度和实验数据吻合得较好;数值模拟还可以看出在厚度一定的条件下,陶瓷与金属板厚度比存在最优值,使陶瓷/金属复合装甲的抗弹性能达到最高。  利用能量法建立了平头弹贯穿陶瓷/金属或陶瓷/FRP复合装甲的分析模型。基于实验观察结果和相关理论分析,该模型将弹体贯穿陶瓷/金属或陶瓷/FRP复合装甲过程中的耗能机制分为三部分:弹体耗能、陶瓷板耗能以及金属或FRP复合材料背板耗能。模型考虑了弹体的销蚀与墩粗变形,陶瓷板的压碎与剪切破坏以及金属或FRP层合板的不同破坏模式,分别建立了弹体销蚀耗能、陶瓷板压碎耗能和剪切耗能,以及不同厚度下的金属板或FRP层合板耗能的表达式。在给定的弹靶条件下,可以预测靶板的弹道极限及弹体的残余速度。将模型计算结果与实验数据进行了比较,发现两者吻合得较好。同时,将本文所建模型用于非平头弹撞击陶瓷复合装甲,计算结果与实验数据也吻合较好。
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