不同胞元形状对复合装甲抗冲击侵彻影响
摘 要摘 要本论文主要以Ansys软件为平台，采用建立模型的方法,分析研究了研究长杆弹侵彻有无约束陶瓷靶板以及不同形状约束带来的不同效果,比较出相对较好的约束形状,文章重点研究了不同形状的约束情况下，陶瓷靶的抗弹性能及侵彻机理。首先，本文作者搜集了长杆弹，陶瓷特性,不加约束以及加约束陶瓷靶的抗侵彻能力研究的相关资料,了解国内外目前在此相关领域的现状,然后确定自己的大致研究方向及目标。本文主要工作如下：（1）对长杆弹侵彻陶瓷靶进行仿真研究，研究了无约束陶瓷靶抗长杆弹的侵彻机理。（2）研究径向约束陶瓷靶板抗侵彻性能，以及其有无径向约束的陶瓷靶板抗侵彻性能的区别。径向约束陶瓷靶抗长杆弹的侵彻性能为：陶瓷靶板施加径向约束限制了陶瓷材料的径向运动，打靶过程中陶瓷靶内产生了很大的径向应力，提高了靶板作用，从而提高了靶板的抗侵彻能力。（3）研究不同形状的约束对靶板抗长杆弹侵彻能力的影响，经研究发现，不同形状的约束，造成的弹坑直径不同，最后弹体的剩余速度不同，最终弹体的剩余质量显著不同。关键词：陶瓷靶；径向约束；侵彻机理；有限元分析；不同形状目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外发展趋势及研究现状 2
1.2.1 概述 2
1.2.2 无径向约束陶瓷靶板的研究现状 2
1.2.3 加不同形状约束陶瓷靶板国内研究现状 4
1.2.4 加不同形状约束陶瓷靶板国外研究现状 5
1.2.5 发展趋势 6
1.3 本文研究内容 7
第二章 径向约束陶瓷靶抗长杆弹侵彻的仿真研究 8
2.1 概述 8
2.1.1 研究内容 8
2.1.2 材料模型 8
2.2 建立有限元模型 10
2.2.1 弹靶参数及有限元模型 10
2.2.2 无约束陶瓷靶板抗弹机理 13
2.3 径向约束陶瓷靶板抗弹机理 13
2.3.1 侵彻过程 14
2.3.2 结果比较分析 15
2.4 本章小结 17
第三章不同形状约束条件下对陶瓷靶板约束效应 18
3.1 不同约束形状条件下
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
10
2.2.1 弹靶参数及有限元模型 10
2.2.2 无约束陶瓷靶板抗弹机理 13
2.3 径向约束陶瓷靶板抗弹机理 13
2.3.1 侵彻过程 14
2.3.2 结果比较分析 15
2.4 本章小结 17
第三章不同形状约束条件下对陶瓷靶板约束效应 18
3.1 不同约束形状条件下的侵彻过程 18
3.2 不同约束形状条件下的弹剩余速度的比较 20
3.3 不同约束形状条件下的弹剩余质量的比较 22
3.4 不同约束形状条件下的弹剩余质量的比较 22
3.5 本章小结 24
第四章不同速度下相同约束形状条件下陶瓷靶抗侵彻能力分析 24
4.1 不同速度条件下圆形约束抗侵彻能力分析 24
4.1.1 不同速度圆形约束侵彻过程比较 24
4.1.2 不同速度圆形约束剩余速度比较 26
4.1.3 不同速度条件下圆形约束弹体剩余质量比较 26
4.1.4 不同速度圆形约束最大弹坑直径比较 28
4.2 其余三种情况下的抗侵彻效果比较 28
4.3 本章小结 30
结论 31
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1 研究背景
现代化的新式战争对武器装备的机动性的请求愈来愈高，这加速了新一代轻质复合装甲的进一步成长,金属陶瓷复合装甲具有质地相对于其他材料较轻,抗弹性能良好而被广泛应用于新一代装甲车上,一直以来都受到全球各个国家的高度重视。十九世纪的工业革命中，钢制舰船有史以来第一次出现，也因此催生出了破甲弹。具有很高的硬度和腐蚀的陶瓷材料，弹丸的钝化和破碎，降低了导弹的突防能力。然而，由于陶瓷材料是非常脆，非常低的强度使它不在碰撞能量吸收的过程因此在日常生活中通常都是用陶瓷和其它材料一起结合使用,那样能充分发挥陶瓷的部分优点。咱们都知道，抗弹陶瓷拥有高强度、高硬度、高耐磨性和重量轻等诸多特质,具有非常关键的远景。相信再过十几二十年，陶瓷装甲的抗弹性能和机理的研究都将一直是装甲防护方面的重点讨论话题。
从上世纪六，七十年代开始，已经具备条件进行试验研究，进行系统的研究陶瓷复合的装甲,所以陶瓷装甲抗弹性能的弹道试验和数值模拟的研究越来越频繁。陶瓷复合装甲主要可以分为两种:轻装甲以及重装甲。轻型装甲通常由盖板，陶瓷板和背板三块组成，陶瓷和背板薄，主门小口径子弹和弹片和其他低速度，动能小：重型装甲结构较为复杂,一般是由一块或几块陶瓷夹在面板和背板之间,陶瓷之间可能还有隔板,主要防护杆式动能弹,射流弹等速度快,动能巨大的目标。我们都知道，陶瓷是一种非常脆的材料,受到较高速度的不断冲击后，很容易发生破碎弹射的现象发生,导致材料的抗弹侵彻的性能随之下降。但是，在现代实际战争中,武器一次打击造成的破坏区域会极其庞大，因此为了防止上述情况的发生,一般会采用面积非常小的陶瓷板与其它不同材料构成复合装甲的样子。综合现有的试验和理论研究我们发现,对陶瓷面板施加约束可以提高陶瓷靶板的抗弹侵彻能力。但是,当约束的参数数值发生变化时,陶瓷靶板的抗弹性能又会怎么样呢?当约束形状发生变化时,径向约束的作用又会怎样改变呢?需要从哪几个方面来评估加约束条件下陶瓷靶板的综合抗侵彻性能呢?这些问题都非常有必要进行系统深入的探索。
因此，本文立足于陶瓷装甲的使用意义,针对现有研究的不足之处,采用仿真分析的方法,研究加约束陶瓷靶板的抗侵彻能力,重点研究加约束陶瓷靶板抗长杆弹侵彻的过程和作用机理,分析约束对靶板抗侵彻能力的影响,以及不同约束形状的约束效果的差异，通过不断地改变约束形状(约束面积基本不变)，得出最佳的径向约束形状,作者希望可以为陶瓷装甲防护和新的防护结构单元的设计和更新提供应有的帮助。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 概述
目前国内外学者对陶瓷复合装甲抗侵彻能力的研究主要通过不断实验法，应用解析法和变换数值分析等三种不同方法通过对一下几个方面的研究：
在试验钻研方面，通过观察和剖析实验过程,研究陶瓷复合装甲的抗侵彻原理，有关研究主要适用于复合靶板垂直抗弹的情况,陶瓷面板和金属背板的作用机理，分析不同约束形状对陶瓷靶板抗侵彻能力的影响程度。
在理论分析方面，建立了陶瓷复合靶弹垂直侵彻模型，对复合靶的弹道极限的重要因素，破裂面积陶瓷靶板的形状。
在数值分析方面，Ansys软件是可以用来对陶瓷复合装甲受弹丸垂直侵彻的进行计算仿真分析的，研究侵彻深度与弹丸速度及靶板厚度之间究竟有什么相互关系，现有的研究成果主要针对无限厚度或半无限厚度的靶板，不太考虑陶瓷粘结层对分析的影响作用。
1.2.2 无径向约束陶瓷靶板的研究现状
（1）试验
抗冲击侵彻问题的主要研究方法向来都是试验研究。上世纪六七十年代,威尔金斯等人第一次利用了7.62mm穿甲弹进行试验，研究了陶瓷/铝合金复合靶板的抗弹性能,研究结果显示，背板能显著的提高陶瓷的抗弹性能,并且还发现当弹体以较低速度入射时,弹头在陶瓷靶板表面被破坏,也就是在侵彻开始时,弹头还没有接触到陶瓷靶板,就被磨损或者产生了裂纹[1]。
有了威尔金斯等人的研究基础,梅瑟勒斯等人采用了更大直径的（12.7mm）的穿甲子弹做了进一步的试验，研究了陶瓷复合靶板的抗弹性能[2]。研究初步表明,弹体剩余长度和剩余质量受到初始冲击速度、背板的刚度和靶板的厚度影响。其中，冲击速度明显影响弹体的剩余属性。经梅瑟勒斯等人的计算发现，损耗在破碎陶瓷上的能量远比比损耗在磨损弹体上的能量要小
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外发展趋势及研究现状 2
1.2.1 概述 2
1.2.2 无径向约束陶瓷靶板的研究现状 2
1.2.3 加不同形状约束陶瓷靶板国内研究现状 4
1.2.4 加不同形状约束陶瓷靶板国外研究现状 5
1.2.5 发展趋势 6
1.3 本文研究内容 7
第二章 径向约束陶瓷靶抗长杆弹侵彻的仿真研究 8
2.1 概述 8
2.1.1 研究内容 8
2.1.2 材料模型 8
2.2 建立有限元模型 10
2.2.1 弹靶参数及有限元模型 10
2.2.2 无约束陶瓷靶板抗弹机理 13
2.3 径向约束陶瓷靶板抗弹机理 13
2.3.1 侵彻过程 14
2.3.2 结果比较分析 15
2.4 本章小结 17
第三章不同形状约束条件下对陶瓷靶板约束效应 18
3.1 不同约束形状条件下
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
10
2.2.1 弹靶参数及有限元模型 10
2.2.2 无约束陶瓷靶板抗弹机理 13
2.3 径向约束陶瓷靶板抗弹机理 13
2.3.1 侵彻过程 14
2.3.2 结果比较分析 15
2.4 本章小结 17
第三章不同形状约束条件下对陶瓷靶板约束效应 18
3.1 不同约束形状条件下的侵彻过程 18
3.2 不同约束形状条件下的弹剩余速度的比较 20
3.3 不同约束形状条件下的弹剩余质量的比较 22
3.4 不同约束形状条件下的弹剩余质量的比较 22
3.5 本章小结 24
第四章不同速度下相同约束形状条件下陶瓷靶抗侵彻能力分析 24
4.1 不同速度条件下圆形约束抗侵彻能力分析 24
4.1.1 不同速度圆形约束侵彻过程比较 24
4.1.2 不同速度圆形约束剩余速度比较 26
4.1.3 不同速度条件下圆形约束弹体剩余质量比较 26
4.1.4 不同速度圆形约束最大弹坑直径比较 28
4.2 其余三种情况下的抗侵彻效果比较 28
4.3 本章小结 30
结论 31
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1 研究背景
现代化的新式战争对武器装备的机动性的请求愈来愈高，这加速了新一代轻质复合装甲的进一步成长,金属陶瓷复合装甲具有质地相对于其他材料较轻,抗弹性能良好而被广泛应用于新一代装甲车上,一直以来都受到全球各个国家的高度重视。十九世纪的工业革命中，钢制舰船有史以来第一次出现，也因此催生出了破甲弹。具有很高的硬度和腐蚀的陶瓷材料，弹丸的钝化和破碎，降低了导弹的突防能力。然而，由于陶瓷材料是非常脆，非常低的强度使它不在碰撞能量吸收的过程因此在日常生活中通常都是用陶瓷和其它材料一起结合使用,那样能充分发挥陶瓷的部分优点。咱们都知道，抗弹陶瓷拥有高强度、高硬度、高耐磨性和重量轻等诸多特质,具有非常关键的远景。相信再过十几二十年，陶瓷装甲的抗弹性能和机理的研究都将一直是装甲防护方面的重点讨论话题。
从上世纪六，七十年代开始，已经具备条件进行试验研究，进行系统的研究陶瓷复合的装甲,所以陶瓷装甲抗弹性能的弹道试验和数值模拟的研究越来越频繁。陶瓷复合装甲主要可以分为两种:轻装甲以及重装甲。轻型装甲通常由盖板，陶瓷板和背板三块组成，陶瓷和背板薄，主门小口径子弹和弹片和其他低速度，动能小：重型装甲结构较为复杂,一般是由一块或几块陶瓷夹在面板和背板之间,陶瓷之间可能还有隔板,主要防护杆式动能弹,射流弹等速度快,动能巨大的目标。我们都知道，陶瓷是一种非常脆的材料,受到较高速度的不断冲击后，很容易发生破碎弹射的现象发生,导致材料的抗弹侵彻的性能随之下降。但是，在现代实际战争中,武器一次打击造成的破坏区域会极其庞大，因此为了防止上述情况的发生,一般会采用面积非常小的陶瓷板与其它不同材料构成复合装甲的样子。综合现有的试验和理论研究我们发现,对陶瓷面板施加约束可以提高陶瓷靶板的抗弹侵彻能力。但是,当约束的参数数值发生变化时,陶瓷靶板的抗弹性能又会怎么样呢?当约束形状发生变化时,径向约束的作用又会怎样改变呢?需要从哪几个方面来评估加约束条件下陶瓷靶板的综合抗侵彻性能呢?这些问题都非常有必要进行系统深入的探索。
因此，本文立足于陶瓷装甲的使用意义,针对现有研究的不足之处,采用仿真分析的方法,研究加约束陶瓷靶板的抗侵彻能力,重点研究加约束陶瓷靶板抗长杆弹侵彻的过程和作用机理,分析约束对靶板抗侵彻能力的影响,以及不同约束形状的约束效果的差异，通过不断地改变约束形状(约束面积基本不变)，得出最佳的径向约束形状,作者希望可以为陶瓷装甲防护和新的防护结构单元的设计和更新提供应有的帮助。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 概述
目前国内外学者对陶瓷复合装甲抗侵彻能力的研究主要通过不断实验法，应用解析法和变换数值分析等三种不同方法通过对一下几个方面的研究：
在试验钻研方面，通过观察和剖析实验过程,研究陶瓷复合装甲的抗侵彻原理，有关研究主要适用于复合靶板垂直抗弹的情况,陶瓷面板和金属背板的作用机理，分析不同约束形状对陶瓷靶板抗侵彻能力的影响程度。
在理论分析方面，建立了陶瓷复合靶弹垂直侵彻模型，对复合靶的弹道极限的重要因素，破裂面积陶瓷靶板的形状。
在数值分析方面，Ansys软件是可以用来对陶瓷复合装甲受弹丸垂直侵彻的进行计算仿真分析的，研究侵彻深度与弹丸速度及靶板厚度之间究竟有什么相互关系，现有的研究成果主要针对无限厚度或半无限厚度的靶板，不太考虑陶瓷粘结层对分析的影响作用。
1.2.2 无径向约束陶瓷靶板的研究现状
（1）试验
抗冲击侵彻问题的主要研究方法向来都是试验研究。上世纪六七十年代,威尔金斯等人第一次利用了7.62mm穿甲弹进行试验，研究了陶瓷/铝合金复合靶板的抗弹性能,研究结果显示，背板能显著的提高陶瓷的抗弹性能,并且还发现当弹体以较低速度入射时,弹头在陶瓷靶板表面被破坏,也就是在侵彻开始时,弹头还没有接触到陶瓷靶板,就被磨损或者产生了裂纹[1]。
有了威尔金斯等人的研究基础,梅瑟勒斯等人采用了更大直径的（12.7mm）的穿甲子弹做了进一步的试验，研究了陶瓷复合靶板的抗弹性能[2]。研究初步表明,弹体剩余长度和剩余质量受到初始冲击速度、背板的刚度和靶板的厚度影响。其中，冲击速度明显影响弹体的剩余属性。经梅瑟勒斯等人的计算发现，损耗在破碎陶瓷上的能量远比比损耗在磨损弹体上的能量要小
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