聚合物—铝合金复合板在高速撞击下的抗弹特性研究

发布时间：2020-09-07 16:04

　　近年来轻质装甲的研究成为了热门,而铝合金又是在其中研究的较为广泛的一种。针对单一铝合金材质的结构的防护性能的研究已经有很多,但是对于其与其他材料组成的复合装甲则研究的较少。复合装甲通常选用具有不同力学特性的材料进行组合,以期达到最优抗弹性能。很多相关的研究都表明,复合装甲比单一材质的装甲具有更高的抗弹性能。本文研究聚合物与铝合金组成的复合板的抗弹性能,并分析其失效机理。所选用的聚合物有两种:PC和PMMA。PC为高延性聚合物,而PMMA为脆性的,它们的密度和强度比较接近,但是失效应变相差很大。这两种力学性能差异较大的聚合物分别与铝合金组成的复合板,研究聚合物力学性能差异对复合板抗弹性能的影响。选用平头和卵形弹分别进行撞击实验,研究弹体头部形状的影响。此外,分别将复合板中的聚合物置于撞击面和背面,进行相应的撞击实验,研究叠层顺序的影响。实验结果表明,对于平头弹,PC置于撞击面的复合板弹道极限要大于置于撞击背面组成的复合板,这主要是因为PC在撞击面改变了平头弹弹体的头部形状,转变了铝合金的失效形式。对于卵形弹,PC置于背面效果要好,因为此时PC在前不能改变弹体头部形状,而置于后面,却可以发挥PC的大变形吸能优势。对于脆性的PMMA,其表现较差,置于背面的时候,由于增加了整体刚度,影响了铝合金的塑性变形,导致复合板的抗弹性能略低于没有聚合物的单层铝合金的抗弹性能。研究还发现,不同靶板的抗弹性能受弹体头部形状影响较大,复合板抗平头弹的效果要好于卵形头弹。研究的后期,采用Abaqus商用有限元软件,对一部分的实验工况进行了相应的数值仿真。仿真的步骤和材料模型及参数都有了比较详细的说明。仿真的结果与实验的吻合比较好,验证了模型的有效性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TJ04
【部分图文】：

聚合物,舰船,陶瓷装甲

御水下爆炸的能力[4]，如图1-1所示。聚脲喷涂在头盔上，可以有效的降低爆炸冲击波对大脑的损伤[5]，如图1-2所示。聚合物在陶瓷装甲上也有应用，组成聚合物-陶瓷复合装甲[6-9]。此外，聚合物是碳纤维等复合材料层与层直接的粘结剂，作为基体相，是复合材料的重要组成部分。

聚合物,铝合金,陶瓷装甲,复合装甲

击波对大脑的损伤[5]，如图1-2所示。聚合物在陶瓷装甲上也有应用，组成聚合物-陶瓷复合装甲[6-9]。此外，聚合物是碳纤维等复合材料层与层直接的粘结剂，作为基体相，是复合材料的重要组成部分。

失效形式,靶板

图 1-3 不同布局的靶板的失效形式[1]2017年Mousa等人[12]将聚脲用做芯层材料，和前后两块铝合金板组成三明治板，做了冲压实验，实验表明聚脲做为芯层可以增强结构的抗冲压能力。数值模拟：2006 年 Amirkhizi[13]基于经典的 WLF（Williams-Landel-Ferry）模型,并结合热声速耗散机理，提出了一个聚合物本构模型，该模型同时考虑了温度、压力变率效应，并且模型在高应变率下的 SHPB 实验和压剪实验吻合的很好。jicic[5]根据Amirkhizi提出的模型，用ABAQUS/Explicit模拟了含聚脲涂层的战盔遭受爆炸冲击波载荷的实验。随后 Grujicic[14]又根据 Amirkhizi[13]，用AQUS/Explicit 做了 FSP（破片仿真弹）侵彻聚脲/AISI 4340 钢复合板的仿真，结果和 Roland[15]的实验数据进行对比，两者具有一致性。2009 年 A. Tasdemirci[16]使用聚四氟乙烯或者橡胶做芯层，与陶瓷和其他复合组成复合板，用 LS-DYNA 做了该复合板的 SHPB 仿真，研究多层板内应力传播特性。橡胶使用不考虑压缩性质的 Ogden 材料模型，聚四氟乙烯采用一沫模型，仿真结果和 SHPB 实验进行对比，实验和仿真都表明，聚四氟乙烯橡胶的存在都可以有效阻碍陶瓷面板上强烈的冲击波往后板的传播，有助于

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