陶瓷/金属复合靶板受变形弹体撞击问题的研究

【摘要】：复合装甲板是将各种特性的材料进行优化配置，通过粘接或压力加工的方式结合而成。陶瓷和铝合金(或钢板)构成的陶瓷／金属复合装甲，是将韧性材料和高硬度的脆性材料结合到一起，具有良好的抗弹效果。在轻型装甲车辆、舰船、坦克和直升飞机中有很好的应用。因此研究弹体对陶瓷／金属复合靶板的撞击具有重要意义。 本文主要研究弹体撞击陶瓷／金属复合靶板中有关现象和规律，具体内容包括：陶瓷材料动态力学性能的实验研究，弹体撞击靶板时的变形分析，弹体撞击陶瓷／金属复合靶板的理论分析模型和数值模拟，得到了一些有意义的结果。 1．SHPB实验方法的改进和Al_2O_3陶瓷动态力学性能的实验研究 为了了解材料特性，首先对陶瓷材料的动态力学特性进行了实验研究。所选材料为四川宜宾金洋电子陶瓷厂制备的95％Al_2O_3陶瓷。由于陶瓷为脆性材料，而且抗压强度非常高，其破坏应变极其微小，在SHPB装置上对其进行冲击压缩实验难度较大，且有很多不足之处。本文首先采用常规SHPB实验方法进行了实验，得到了陶瓷材料在低应变率范围的动态应力应变关系；然后对常规SHPB实验方法作了改进，并应用一维应力波理论对数据处理方法进行了修正，有效地改善了采用SHPB装置研究脆性高抗压强度材料力学性能的方法；采用新的改进的实验方法对Al_2O_3陶瓷的动态力学性能进行研究，得到了陶瓷材料较高应变率范围的应力应变曲线；结果表明，Al_2O_3陶瓷材料具有以下特性：①Al_2O_3陶瓷的变形主要为弹性变形，在弹性范围就会发生脆性断裂破坏，我们认为Al_2O_3陶瓷为弹脆性材料；②Al_2O_3陶瓷动态应力应变呈非线性关系；③在低应变率范围陶瓷材料的动态应力应变关系是应变率无关的；④在较高的应变率范围内，陶瓷材料的动态应力应变关系是应变率相关的；⑤材料的初始弹性模量、破坏应力、破坏应变值随应变率的增大而增大。最后，应用损伤力学基本理论，对95％Al_2O_3陶瓷建立了新的实用的损伤型动态本构模型。 2．弹体墩粗变形的分析 对于弹靶撞击过程中弹体的变形，多数的分析理论均不考虑靶板的变形，本文在Taylor模型和Hawkyard模型的基础上，考虑了刚塑性弹体对变形靶板的侵入，构造了新的弹体墩粗变形的分析模型。模型考虑了弹体刚性区长度和运动速度的变化，塑性变形区长度、横截面积以及其运动速度的变化以及弹体对靶板的侵入速度和深度。 最后给出了其分析解，得到了各个变量随时间的变化，给出了不同撞击速度下弹体撞 击结束后的整体形状尺寸，得到了各形状参数和变形延续时间与撞击速度的关系曲 线，并与实验结果进行对比，吻合较好。 3.变形弹体对陶瓷/金属复合靶板撞击问题的理论分析 针对弹体撞击陶瓷/金属复合靶板的实验现象，将弹体的变形、陶瓷面板的碎裂 和金属背板的变形结合起来，建立了新的变形弹体垂直撞击陶瓷/金属靶板的理论分 析模型。模型中计入了弹体刚性区长度和运动速度、塑性变形区长度、横截面积和运 动速度的变化以及弹体对靶板的侵入速度和深度，对陶瓷面板考虑了陶瓷锥体积和抗 压强度的变化;对金属背板的变形，根据其塑性变形功、外力功及其动能守恒原理， 得到金属背板的运动方程。最后对具体算例进行了分析，得到了弹体刚性区长度和运 动速度的变化，弹体塑性变形区长度、横截面积以及其运动速度的变化;弹体侵入靶 板深度和侵入速度的变化;背板中心位置的位移及运动速度的变化;陶瓷锥体积和抗 压强度的变化，给出了一些有价值的规律，计算结果表明，模型能较好的描述撞击过 程中的有关规律，而且与实验结果吻合较好，说明了模型的有效性。 4.变形弹体对陶瓷/金属复合靶板撞击问题的数值模拟 利用大型非线性有限元程序LS一DYNA3D，对平头弹侵彻金属、陶瓷、陶瓷/金属 复合靶板的问题分别进行数值模拟。结果发现，金属冲塞现象和陶瓷锥现象均是靶板 受冲击时的特殊破坏形式，通常出现在较薄的靶板中，并且子弹的速度、长度、形状 均有直接的影响。在对陶瓷/金属复合靶板的数值模拟中，给出了弹体墩粗变形的过 程，陶瓷面板的碎裂和陶瓷锥的形成过程，以及金属背板的弯曲变形。而且分别给出 了背板中心位置、弹靶接触面和弹体尾部三个位置的坐标随时间的变化曲线，与本文 的理论分析结果和前人的实验结果进行了比较。结果发现，数值模拟结果和理论分析 结果与实验结果基本吻合，表明本文进行的数值模拟和建立的理论分析模型能较准确 地反映弹体对陶瓷/金属复合靶板的撞击过程，对陶瓷/金属复合靶板抗侵彻能力的研 究具有一定的指导意义。