弹体高速侵彻缓冲材料性能测试及其动力学行为研究

摘要

弹体引信在高速侵彻过程中会承受较大的过载，经历严苛的工作环境。因此，需要缓冲材料对引信进行保护，降低其在侵彻过程中所承受的载荷。本文采用实验和仿真相结合的方法，研究聚四氟乙烯和泡沫铝两种材料静动态条件下的力学性能和缓冲性能。建立一定密度范围内的泡沫铝本构方程。并开展了有无缓冲材料的弹体高速侵彻行为的数值仿真研究。
　　本文首先研究聚四氟乙烯和不同孔隙率的闭孔泡沫铝在准静态和动态压缩条件下的力学性能和吸能性能，分析孔隙率对泡沫铝材料性能的影响，比较聚四氟乙烯和泡沫铝缓冲吸能性能的优劣，发现泡沫铝材料吸能性能优于聚四氟乙烯。考虑温度对泡沫铝力学性能的影响，发现随着温度的升高，泡沫铝材料的抗压缩能力明显下降，温度升高与降低孔隙率具有相同效果。通过观察压缩过程中胞孔结构的变化，探讨泡沫铝材料的压缩变形机理，发现其变形是逐层坍塌。在实验的基础上，参考已有对泡沫铝本构关系的研究，考虑应变、应变率、相对密度和温度等主要影响因素，拟合出一定密度范围的泡沫铝材料本构方程，结合已有实验结果，验证本构方程的可靠性。建立了闭孔泡沫铝的简单立方，面心立方和体心立方三种单胞模型。用DEFORM-3D软件模拟压缩过程，结果表明:面心立方模型优于简单立方和体心立方模型。随后，模拟不同孔隙率和孔径的闭孔泡沫铝压缩行为，发现孔隙率和孔径对泡沫铝材料的压缩力学性能影响显著，随着孔隙率的增大，泡沫铝的弹性模量和屈服强度降低。随着孔径的减小，塑性平台阶段升高，泡沫铝的弹性模量和屈服强度均有明显的提高。由于面心立方模型的模拟结果与实验结果仍存在较大误差，用C语言程序，结合相关建模软件，建立更接近真实孔结构，孔隙率、孔径和孔壁均可调节的闭孔泡沫铝三维随机球模型。最后，对弹体高速侵彻多层混凝土靶板的行为进行数值仿真，弹体在不添加泡沫铝缓冲材料的情况下，引信承受较大过载加速度，可能会对引信产生破坏，导致引信失效，需要加泡沫铝缓冲材料保护引信。开展带缓冲材料弹体侵彻多层混凝土靶板的数值仿真，发现在添加泡沫铝缓冲材料的情况下，可以大幅度降低了引信的加速度峰值，对引信起到了很好的保护作用。

目录

第1章 绪论

1.1引言

1.2泡沫铝的结构特点

1.3泡沫铝性能及应用

1.4国内外研究现状

1.5研究意义及内容

第2章 缓冲材料静动态压缩试验

2.1试样制备

2.2静态压缩实验研究

2.3动态压缩实验研究

2.4温度对泡沫铝力学性能的影响

2.5泡沫铝压缩变形机制

2.6本章小结

第3章 泡沫铝本构关系

3.1引言

3.2本构拟合

3.3本构方程的验证

3.4本章小结

第4章 泡沫铝力学性能数值仿真技术

4.1泡沫铝单胞结构的压缩模拟

4.2泡沫铝三维随机球模型的构建

4.3本章小结

第5章 泡沫铝缓冲吸能性能应用研究

5.1弹体侵彻多层混凝土靶板数值仿真

5.2带缓冲材料弹体侵彻多层混凝土靶板数值仿真

5.3本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果