多孔金属夹芯结构的抗高速侵彻数值模拟分析

摘要

多孔金属夹芯结构是由多孔金属芯层与金属蒙皮组成的“三明治”结构,该结构不仅能够充分发挥结构中各组成部分材料的优点,同时还解决了芯层材料的强度低、抗剪切能力差等问题。由于多孔金属夹芯结构材料具有良好的吸能效率,抗震、抗冲击性能,因此在防爆、防弹衣和轻质装甲防护方面拥有广阔的前景。
　　本文采用数值模拟方法,对高温镍基合金蜂窝夹芯板进行了抗泡沫铝子弹冲击性能的研究,并对模拟结果进行了实验验证,证明了模拟计算的准确性与可信性。在此模型基础上,用正交实验的方法对蜂窝夹芯结构进行了优化,并对优化结构进行了抗钢质子弹侵彻的性能分析。本文的主要工作和结果如下:
　　1、通过改变泡沫铝子弹的密度和速度来获得蜂窝夹芯板的冲击载荷。通过模拟发现,蜂窝夹芯板的变形随着冲量的增大而增大的。在靶板发生穿透性破坏前后,靶板各组成部分能量吸收发生了重新分配。
　　2、采用二次轻气炮对蜂窝夹芯板进行侵彻实验,对模拟结果进行了验证。对实验结果和模拟结果,从子弹的速度与侵彻深度、及蜂窝板的破损情况等方面进行了比较分析。从结果对比可以看出,实验结果与数值模拟结果基本一致。当泡沫铝密度为1325kg/m3,冲击速度为250m/s的情况下,蜂窝夹芯板发生了穿透性破坏。
　　3、用正交实验法对蜂窝夹芯结构的上、下蒙皮厚度、蜂窝壁厚度及蜂窝芯层厚度等结构参数进行了正交优化设计。通过分析发现,不同目标函数其最优结构参数组合不同。通过构造评价函数的方法,得到了蜂窝夹芯结构的最优结构参数组合为:上下蒙皮厚度分别为0.4mm、蜂窝胞壁的厚度为0.6mm,蜂窝芯层的厚度为8mm。
　　4、利用数值模拟方法对最优结构进行抗弹性能的分析。从子弹初始速度和剩余速度的关系图来看,在极限速度附近,随着初始速度的增加,剩余速度呈上升趋势,当子弹的速度超过140m/s时,剩余速度呈直线上升。通过改变子弹形状,发现平头弹的剩余速度最低,蜂窝夹芯结构抗平头弹冲击的能力最强。通过改变冲击角度,考察了冲击角度对蜂窝夹芯板的抗弹能力影响,在子弹垂直入射时,靶板的抗冲击能力最弱。改变子弹的着弹点发现在中心点处,结构更容易破坏。

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第1章 绪论

1.1研究目的及意义

1.2多孔金属夹芯结构

1.3多孔金属夹芯结构的抗冲击性能研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 LS-DYNA 基本理论

2.1 引言

2.2弹性动力学基本方程与数值计算方法

2.3大变形基本理论与数值实现

2.4接触-碰撞数值算法

第3章 蜂窝夹芯结构抗高速侵彻数值模拟及实验验证

3.1 引言

3.2 ANSYS/LS-DYNA简介

3.3泡沫铝子弹冲击蜂窝夹芯板的数值分析

3.4泡沫铝子弹冲击镍基合金蜂窝夹芯结构的验证实验

3.5本章小结

第4章 镍基合金蜂窝夹芯结构的正交优化

4.1引言

4.2正交实验设计及分析

4.3 优化结果验证

4.4 极限速度

4.5 本章小结

第5章 镍基合金蜂窝夹芯结构抗弹性能分析

5.1引言

5.2 蜂窝夹芯板抗钢质子弹冲击性能分析

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢