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不同材料靶板的抗弹性能研究

吴乔国  
【摘要】:本文对靶体在刚性动能弹撞击下的侵彻和贯穿行为进行了较全面的理论和数值模拟研究,靶体材料包括树脂基纤维增强复合材料、金属和混凝土。根据靶板在动能弹撞击下的响应和破坏模式建立了相应的侵彻和贯穿模型,成功地预测了弹体的侵彻深度、残余速度和靶板的弹道极限等物理量,并研究了靶板不同响应和破坏模式之间的转换关系。利用ABAQUS/VUMAT嵌入了修正的Johnson-Cook本构,对金属靶板在弹丸垂直撞击下的贯穿行为进行了数值模拟研究。本文得到的结论可以为弹头形状优化设计,靶板的抗冲击防护和安全评估提供指导。本文主要包括以下几个方面的内容: 对树脂基纤维增强材料层合板(FRP层合板)在平头弹低速撞击下贯穿的响应模式和能量耗散模型进行了理论研究。FRP层合板在平头弹撞击下的响应可以分为总体响应(global deformation with local rupture)和局部化破坏响应(wave-dominated local failure)两种情况,其中总体响应同时存在着整体变形和局部化破坏。对薄FRP层合板的贯穿,本文认为响应模式为总体响应,能量耗散模型采用近似准静态的方法,先分析准静态穿透耗能,再利用动态增强因子考虑动态贯穿耗能。平头弹贯穿层合板时的能量耗散形式主要有整体变形耗能、拉剪局部破坏耗能和分层耗能等,层合板的整体变形采用剪切失效准则进行预测。对厚FRP层合板的贯穿,本文认为响应模式为局部化破坏,利用Wen的半经验公式分别求解了层合板在平头弹贯穿下的弹道极限。结合Wen半经验公式得到的靶板弹道极限和Von Karman临界撞击速度,近似给出了薄FRP层合板总体响应模式和厚FRP层合板局部化破坏模式的转换临界条件。模型预测得到的弹道极限和模式转换临界条件与实验数据吻合得较好。 对金属和混凝土厚靶在刚性卵形弹正撞击下的侵彻与贯穿性能进行了理论研究。金属和混凝土厚靶在卵形弹侵彻和贯穿下的破坏模式假设为局部化扩孔破坏。基于该假设,本文改进了Wen半经验公式,引入弹体瞬时侵彻速度和靶体自由表面效应的影响。根据弹头长度和靶厚的相对大小,建立了二阶段的靶体侵彻模型和三阶段的靶体贯穿模型。并对固支金属厚靶的贯穿,根据金属靶板在卵形弹贯穿过程中是否需要考虑整体变形,给出了厚靶贯穿模型的适用范围。金属和混凝土厚靶在卵形弹正撞击下的模型预测侵彻深度和残余速度与实验数据吻合得很好。 利用ABAQUS/VUMAT嵌入了修正的Johnson-Cook本构。利用嵌入的本构模型对锥头弹和平头弹贯穿Weldox460E钢板进行了数值模拟,数值模拟结果与实验进行了比较,验证了VUMAT开发和有限元建模的可靠性。基于现有的有限元模型,对不同厚度Weldox460E冈板在锥头弹撞击下的穿透形貌和弹道极限进行了数值模拟,计算结果表明:靶板越薄越容易发生花瓣型破坏,越厚越容易发生扩孔型破坏。对6mm厚Weldox460E钢板在不同锥角锥头弹撞击下的穿透形貌和弹体残余速度进行了数值模拟,计算结果表明:当弹头锥角较小时,靶板发生扩孔型破坏,随着弹头锥角的增大,靶板逐渐向花瓣型破坏、盘状破坏(discing)和冲塞型破坏过渡;并且靶板发生盘状破坏时的穿透耗能最大,而发生剪切冲塞破坏时的穿透耗能最小。并对不同厚度Weldox460E冈板在锥头弹撞击下发生冲塞破坏的弹头临界锥角进行了数值模拟研究。 对金属靶板在锥头弹低速撞击下的破坏模式转换条件和金属薄靶最小穿透耗能进行了理论研究。建立了金属薄靶花瓣型破坏的最小穿透能量耗散分析模型。采用近似准静态的分析方法,分别得到了弹体贯穿靶板过程中的准静态局部变形耗能和整体变形耗能,再引入Cowper-Symonds公式对结构的动态效应进行修正,得到了靶板最小穿透耗能和弹道极限的计算公式。研究了薄靶有整体变形情况下扩孔破坏与花瓣破坏模式的转换临界条件,给出了花瓣型破坏穿透耗能模型的适用范围。给出了金属薄靶有整体变形扩孔破坏的最小穿透耗能分析模型和弹道极限,结合薄靶有整体变形扩孔破坏和厚靶无整体变形扩孔破坏的模式转换临界条件,以及花瓣破坏和扩孔破坏的模式转换临界条件确定了金属薄靶有整体变形扩孔破坏穿透耗能分析模型的适用范围。给出了金属靶板在锥头弹撞击下发生冲塞破坏的临界弹头锥角计算公式和Weldox460E钢板在锥头弹撞击下关于花瓣破坏、扩孔破坏和冲塞破坏的破坏模式相图。理论模型的预测结果与数值模拟和相关实验吻合得很好。


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