泡沫铝夹芯板细观结构及抗侵彻能力研究

发布时间：2020-09-02 10:08

　　舰船、装甲车辆等作战目标的防御能力可以分为主动式防御能力和被动式防御能力,其中被动式防御系统是作战目标的最后生命线。随着科技的进步和现代战场的需求,各国都在积极发展具有较高命中精度和较强反侦察能力的新型制导武器。提高作战目标的被动式防御性能,可使目标遭受打击后产生的损伤后果缩小,是提高作战目标生命力的重要手段之一,所以在发展主动式防御能力的同时,大力发展被动式防御能力具有较强的现实意义。泡沫铝是一种结构和功能一体化的新型材料,其金属基体内含有大量规则或不规则的胞孔,相对于连续介质材料,其具有轻质、高能量吸收等优异的力学性能。但是由于单纯的泡沫铝强度不高,往往需要复合其它材料以增强其力学性能。泡沫铝夹芯结构是由两层强度较高且厚度较薄的面板与泡沫铝夹芯层通过一定的粘合技术复合而成,这种类似于三明治结构既具有夹芯层泡沫铝轻质、高能量吸收的优点,又具有面板材料强度高的优点,在车辆、船舶、航空和航天等领域具有广泛的应用前景。泡沫铝夹芯板作为防护材料使用时,常常会受到不同形状破片或弹丸的撞击作用,故研究其抗侵彻能力具有重要意义。本文构建了泡沫铝夹芯板的细观结构几何模型,利用LS-DYNA对其抗侵彻能力进行研究,主要研究内容和成果为以下四点:(1)首先分析了锥形弹丸和钝头弹丸分别侵彻薄铝靶和泡沫铝夹芯板的过程。利用能量守恒定律和动量守恒定律,推导得出锥形子弹和钝头子弹侵彻金属薄靶的弹道极限速度和剩余速度。利用空穴膨胀理论和牛顿运动定律,建立了一种弹丸侵彻泡沫铝夹芯板的多阶段动力学理论模型。(2)基于渗流法构建了一种开孔泡沫铝的细观结构几何模型,并在动态条件下研究其压缩力学性能。本文提出了一种基于渗流法的开孔泡沫铝几何模型构建方法,采用SPH算法,通过离散元软件PFC3D和自编的前处理程序生成几何模型,分别在准静态条件和动态条件下,利用LS-DYNA对其单轴压缩力学响应进行研究。结果表明:基于渗流法的开孔泡沫铝细观结构数值模拟方法较真实的体现出泡沫铝胞孔空间排列的随机性,计算得到的平台区应力与理论计算相符,利用SPH算法能够再现泡沫铝的动态压缩过程以及观察到内部胞孔的变形过程。(3)采用两种不同形状的子弹分别侵彻金属薄靶和泡沫铝夹芯板,计算得到弹道极限速度、剩余速度和靶板的损伤情况。利用基于渗流法的开孔泡沫铝几何模型构建方法,建立了泡沫铝夹芯板的细观结构几何模型,利用前处理软件TrueGrid构建了两种不同形状的弹丸几何模型。利用有限元软件LS-DYNA,模拟得到了弹丸分别侵彻薄铝靶和泡沫铝夹芯板的剩余速度和弹道极限速度。结果表明:使用泡沫铝材料作为夹芯层能显著提高靶板的抗侵彻效能,与锥头弹丸相比,泡沫铝抗钝头弹丸侵彻的能力更为显著。(4)从泡沫铝夹芯板与仅有面板材料、锥形子弹与钝头子弹和泡沫铝夹芯板各组成部分等三个维度对泡沫铝夹芯板抗弹能力进行研究。结果表明:泡沫铝夹芯板的能量吸收大小大于单纯的面板材料;随着弹丸初始速度的增加,靶板的吸能能力也随之增加;锥形子弹与钝头子弹对靶板的损伤情况不同,导致靶板各组成部分吸能大小产生差异。
【学位单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TJ410;TJ04

【参考文献】