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冲击波和破片群联合作用下高强聚乙烯/泡沫铝/碳化硅陶瓷夹芯复合结构防护机理研究

李哲  
【摘要】:随着武器科技的快速进步,鱼雷、反舰导弹以及精确制导炸弹等各种反舰武器对舰船的生命力构成了严重威胁。各国海军都在积极开展对于新型防护结构的研究,其中采用新型复合材料和新型结构形式是两个主要的思路。金属铝泡沫是一种高孔隙率、高比强度的泡沫材料,其在爆炸及冲击载荷下可以表现出优异的吸能和缓冲性能,但抗破片侵彻能力相对较弱。相比之下,作为抗弹材料的高强聚乙烯层合板和碳化硅陶瓷,则具有优异的抗破片侵彻能力。将这3种具有不同功能的材料按照一定方式复合在一起,可以得到综合性能更优的复合装甲防护结构。研究这种新型夹芯复合结构在冲击波和破片群联合作用下的毁伤响应具有重要意义,相关研究成果可以为该结构在舰船防护系统上的应用提供技术支撑。本文的主要工作如下:(1)以均质钢板和高强聚乙烯/泡沫铝/碳化硅陶瓷夹芯复合结构为主要研究对象,对其在冲击波和破片群联合作用下的毁伤响应进行了实验研究,共计9个实验工况。随后,分析了典型工况中夹芯复合结构各部件的失效模式,并且研究了炸药当量、面板厚度配比、芯层材料和多层芯层布置顺序等因素对结构抗联合作用毁伤性能的影响。结果表明,对于高强聚乙烯和泡沫铝夹芯复合结构,面板质量均匀加在上下面板能使得夹芯复合结构整体的抗联合作用毁伤性能更优。对于芯层材料组合,芯层为泡沫铝和高强聚乙烯的夹芯复合结构的抗联合作用毁伤性能最优。对于多层芯层布置顺序,当与强度、韧性较大的材料复合时,强度较弱的芯层置于上芯层会使得夹芯复合结构抗联合作用毁伤性能更优。(2)采用有限元软件LS-DYNA对冲击波和破片群联合作用下均质钢板和夹芯复合结构的毁伤响应开展了数值模拟。选取夹芯复合结构典型工况,从毁伤响应过程、特征点速度、加速度响应和能量吸收特性等角度,对冲击波和破片群联合作用下夹芯复合结构毁伤响应过程进行了分析和讨论。结果表明,数值模型能较好地预测实验中面板的冲塞破口、泡沫铝芯层中心区域的压溃失效、高强聚乙烯芯层的纤维断裂和层间脱层现象,并且对夹芯复合结构下面板塑性变形的预报也具有较高的精度。(3)基于仿真结果,对比了均质钢板和夹芯复合结构防护性能的差异,分析了炸药当量、面板厚度配比、芯层材料、芯层布置顺序等因素对于结构毁伤响应的影响。结果表明,夹芯复合结构抗联合作用的毁伤能力一般比等质量均质钢板要强。炸药当量的增加在一定范围内会导致有效装药量的增加以及有效装药部分形状的变化,并由此导致结构的破坏范围和破坏程度都变大。面板厚度配比通过改变上面板对破片速度的衰减能力和下面板对冲击载荷的抵抗能力的平衡来实现对夹芯复合结构抗联合作用毁伤性能的影响。不同芯层材料组合和多层芯层的布置顺序对结构抗联合作用毁伤性能影响都较大,这两个因素主要导致高速破片群到达不同芯层时的剩余速度产生差异,并由此影响结构吸能特性。从本质上讲,面板厚度配比、芯层材料以及多层芯层布置顺序等因素都是通过改变结构速度、加速度响应以及各部件吸能以达到影响结构抗联合作用毁伤性能的目的。本文研究工作对高强聚乙烯/泡沫铝/碳化硅陶瓷夹芯复合结构抗冲击波和破片群联合作用性能的评估和设计提供了有益的参考。


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