陶瓷/金属复合材料的陶瓷损伤特性研究

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现代军事中,车辆和人员的防护是提高部队作战能力的一个极为重要的环节。从一次大战坦克出现后,金属材料成为了制备装甲材料的核心材料。然而,金属的比重过大带来了在提高防护能力的同时,车辆的重量往往会大幅增加,导致车辆的机动性能大幅降低,其中二战中的虎式坦克就是一个很典型的例子,在失去了机动性后,虎式坦克几乎没有什么用武之地。因此,如何在提高防护能力的同时,确保部队的机动性,是装甲防护研究中的一个重要研究目标。自二战以后,越来越多的研究工作开始将目标设定在不影响装甲抗弹性能的前提下,如何提高其机动性。美国未来战斗系统更是将装甲的轻型化作为重点研究课题之一陶瓷/金属复合靶板,不但具有较金属更为出色的抗弹性能,而且具有密度低、硬度高、强度高等特点,因此更加符合现代战斗部轻型化的需求,目前已经成为装甲材料研究的核心。然而尽管有几十年的研究历史,陶瓷/复合装甲的损伤破坏机理的研究仍然不尽如人意。目前,在复合装甲中对于金属材料的破坏机理已经研究的比较透彻,而陶瓷材料,由于其种类繁多,其破坏机理的研究还有待深入。本文从陶瓷/金属复合装甲的结构上出发进行分析,主要关注不同结构陶瓷/金属复合靶板在侵彻过程中陶瓷材料的损伤破坏特性,采用数值模拟方法对复合装甲的侵彻过程进行模拟,进而得到其对于整体抗弹性能的影响。本文采用LS-DYNA软件模拟了不同结构陶瓷/金属复合靶板的侵彻过程,且采用子弹的动能衰减情况和剩余速度作为评定复合靶板抗弹性能的指标。主要结论如下:1、通过调研及结合部分实验结果,得到计算所需的一系列参数值,包括各材料的本构模型参数,接触及侵蚀算法各参数等,构建出一套计算模型体系。2、考虑不同陶瓷材料,包括同等厚度和同等面密度情况,分析其损伤破坏情况,得到面板背板厚度变化对整个复合靶板抗弹性能的影响。3、针对A1203陶瓷/金属复合靶板,分别研究其在面密度一定、总厚度一定的情况下,面板和背板厚度比变化时,陶瓷板中应力波的传播情况、陶瓷材料损伤情况以及复合靶板抗弹性能的变化趋势。4、最后对陶瓷孔隙率对复合靶板抗弹性能的影响进行了探索性的研究。本文通过建立侵彻模型,选取适当的本构模型、边界条件和计算方法,对陶瓷/金属复合靶板的设计和优化提供一些理论依据。
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