三明治结构背板对陶瓷复合装甲的抗弹影响与仿真研究

发布时间：2017-10-28 13:23

  本文关键词：三明治结构背板对陶瓷复合装甲的抗弹影响与仿真研究

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【摘要】：抗子弹高速侵彻的防护装甲研究成为近年来现代军事、国防领域中的热点课题,然而如何在提高装甲防护能力的同时,减轻装备重量提高其机动性能,则成为装甲防护研究中的一个重要研究的目标。本论文通过12.7 mm穿甲燃烧弹垂直撞击陶瓷复合装甲结构的实验,研究穿燃弹的侵彻过程和装甲结构的抗弹损伤机理,旨在提高装甲的防护系数,实现装甲的轻量化设计。本文创新性的采用硅橡胶固化密排排列的陶瓷柱颗粒方式制备陶瓷柱板,结合三明治复合结构背板制备成新型装甲材料,通过12.7 mm穿燃弹垂直撞击实验揭示了陶瓷柱的抗弹机理和应力波的传播耗能机制,与陶瓷整板相比,不仅减小了抗弹单元面积,而且可以通过在局部损伤区域填充新的陶瓷柱实现快速现场修复的效果。依据GJB/59.18-1988的测试标准,对五组陶瓷复合装甲结构进行12.7 mm穿燃弹在818 m/s速度下的垂直撞击实验,通过对比分析各结构下的装甲材料破坏结果,Al2O3陶瓷柱层/TC4/UHMWPE/TC4的损伤情况最低,面密度仅为83.0kg/m2,防护系数高达2.98,实现了有效抵抗弹丸冲击下的轻质高强效果。另外,本文采用有限元软件ABAQUS/Explicit构建了装甲结构的仿真模型,通过对后处理结果的应力云图、子弹速度变化、各层吸能情况的分析,对比研究了在相同材料和厚度情况下,不同三明治结构背板对装甲抗弹性能的影响机理;同时对比研究了在相同面密度情况下,防护层(背板第三层)材料对侵彻结果的影响机制。结果表明,TC4/UHMWPE/TC4的三明治结构背板对抗弹性能起到了很好的抵抗作用,中间层UHMWPE对其上下两层TC4起到了能量平衡及缓冲的作用,并进一步阐述了背板材料中第三层TC4材料对第一层的支撑作用。陶瓷柱颗粒的排列方式决定了弹丸对陶瓷柱冲击的位置可以分为三种工况,实验过程中无法准确确定弹丸撞击的具体位置,仍需借助模拟手段分析。模拟结果表明,在冲击陶瓷柱阶段会发生整体破碎(工况1)或部分破碎(工况2和3)的情况,然而陶瓷柱部分破碎情况下,接触了较多数量的陶瓷柱,仍然可以阻挡818 m/s弹丸的侵彻穿深。换言之,无论弹丸冲击陶瓷柱板任何位置,装甲结构均可抵抗818 m/s弹丸的垂直冲击。
【关键词】：陶瓷复合装甲 背板三明治结构 抗弹机理 模拟仿真 ABAQUS/Explicit
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V214;V271.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 研究背景13-14
• 1.2 防护装甲的研究现状14-23
• 1.2.1 金属/非金属复合装甲14-15
• 1.2.2 陶瓷/复合材料装甲15-19
• 1.2.3 抗弹性能评定方法19-20
• 1.2.4 抗弹机理及数值模型20-23
• 1.3 存在的问题23
• 1.4 本课题的研究目的和意义23-24
• 1.5 本课题研究的主要内容24-25
• 第二章 陶瓷复合装甲的制备与测试25-35
• 2.1 实验材料25-29
• 2.1.1 陶瓷材料的选择25-26
• 2.1.2 背板材料的选择26-27
• 2.1.3 粘结剂材料的选择27-29
• 2.2 实验制备29-31
• 2.3 实验方案31-32
• 2.4 实验装置32-35
• 第三章 陶瓷复合装甲的抗弹结果与讨论35-49
• 3.1 陶瓷柱层的破坏机理研究37-39
• 3.2 几种结构下的破坏分析39-45
• 3.2.1 TC4/UHMWPE三明治背板对陶瓷复合装甲的破坏分析40-41
• 3.2.2 TC4/TC4/UHMWPE三明治背板对陶瓷复合装甲的破坏分析41-42
• 3.2.3 TC4/UHMWPE/TC4三明治背板对陶瓷复合装甲的破坏分析42-43
• 3.2.4 TC4/UHMWPE/铝合金三明治背板对陶瓷复合装甲的破坏分析43-45
• 3.2.5 TC4/UHMWPE/碳纤维三明治背板对陶瓷复合装甲的破坏分析45
• 3.3 三明治结构的选择与优化45-48
• 3.3.1 背板结构配置对侵彻结果的影响45-47
• 3.3.2 防护层（背板第三层）材料对侵彻结果的影响47-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第四章 陶瓷复合装甲的数值模拟49-77
• 4.1 有限元计算基本理论49-50
• 4.1.1 有限元算法简介49
• 4.1.2 ABAQUS/Explicit程序介绍49-50
• 4.2 材料模型的选取50-56
• 4.2.1 金属材料模型及参数50-52
• 4.2.2 陶瓷材料模型及参数52-55
• 4.2.3 纤维材料模型及参数55-56
• 4.3 几何模型及前处理56-60
• 4.3.1 几何模型56-58
• 4.3.2 前处理58-60
• 4.4 仿真结果及分析60-75
• 4.4.1 背板结构配置对侵彻结果的影响61-69
• 4.4.2 防护层（背板第三层）材料对侵彻结果的影响69-71
• 4.4.3 冲击位置对侵彻结果的影响71-75
• 4.5 本章小结75-77
• 第五章 结论与展望77-79
• 5.1 结论77
• 5.2 展望77-79
• 参考文献79-84
• 致谢84-85
• 在学期间发表的学术论文85

【参考文献】

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本文编号：1108430