泡沫铝复合装甲抗射流侵彻性能研究

摘要

随着装甲防护新材料与结构的不断发展，新型夹层复合装甲结构受到了国内外防护领域研究者的关注，多孔泡沫铝材料因其轻质、高强度、高韧性，以及很好的能量吸收性能，常常运用于夹芯结构中，因此对含泡沫铝新型复合装甲结构的研究也具有重要的实际意义。为探讨新型复合装甲抗侵彻性能，本文首先从理论层面研究了泡沫铝复合装甲的抗射流侵彻性能，然后运用ANSYS/LS-DYNA软件对该复合装甲进行了仿真模拟，主要研究内容有以下几个方面:
　　(1)运用应力波传播特性及开尔文-亥姆霍兹流体不稳定性理论对泡沫铝复合装甲的抗射流侵彻性能进行理论研究。结果表明:泡沫铝作为夹芯层可充分降低复合装甲背板质点速度，有效衰减应力波峰值，具有较强的抗侵彻性能。通过理论分析可预测复合装甲在不同面、背板材料，不同厚度、不同倾角情况下对射流的干扰趋势，为泡沫铝复合装甲结构优化提供理论依据。
　　(2)运用ANSYS/LS-DYNA软件，通过选取不同的面板及背板材料对泡沫铝复合装甲抗射流侵彻性能进行仿真研究。结果表明:泡沫铝复合装甲结构的抗射流侵彻性能和整体能量吸收特性不仅与盖板材料强度有关，同时与不同强度材料的前后顺序有关。从结构轻量化、抗射流侵彻性能以及泡沫铝复合装甲能量吸收量等方面综合考虑，前面板为陶瓷材料、背板为铝合金材料，即陶瓷/泡沫铝/铝合金组成的复合装甲结构是首选。
　　(3)对陶瓷/泡沫铝/铝合金复合结构进行了仿真研究，从不同泡沫铝夹芯厚度、相同厚度复合装甲下不同前后板厚度及布置方式和复合装甲倾角三方面研究了该复合装甲能量吸收规律、射流头部剩余速度以及不同倾角下装甲的防护性能。结果表明:同一倾角θ下，随着泡沫铝厚度的增大，复合装甲背板质点速度呈负指数规律减小;同一泡沫铝厚度下，倾角θ增大时，复合装甲的防护性能先增大后降低;即泡沫铝厚度为2.4 mm、复合装甲倾角为20°时，复合装甲结构抗射流侵彻性能最好。同时合理配置复合装甲面、背板厚度对提高其抗侵彻性能有重要意义，当仅布置方式不同时，间隔式与接触式复合装甲的抗射流侵彻性能的差别较小。
　　(4)为优化陶瓷/泡沫铝/铝合金复合结构，在面密度相同的情况下，从不同组合的面、背板厚度比K和泡沫铝夹芯厚度两方面研究了该复合装甲抗射流头部剩余速度、能量吸收规律、应力波衰减及射流的不稳定性。结果表明:同一厚度比K下，随着泡沫铝厚度的增大，复合装甲背板质点速度与应力波峰值都呈负指数规律减小;同一泡沫铝厚度下，厚度比K增大时，泡沫铝及装甲结构吸收的能量先增加后减小;即泡沫铝厚度为2.4 mm、厚度比K为1.25时，复合装甲结构抗射流侵彻性能最优。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 陶瓷复合装甲的研究现状

1．2．2 泡沫铝复合装甲的研究现状

1．3 本文主要研究内容

2 泡沫铝复合装甲结构抗射流侵彻理论研究

2．1 基本现象简介

2．2 应力波传播过程中对靶板质点速度的影响

2．3 侵彻过程中射流不稳定性分析

2．4 应力波在复合装甲结构中的衰减

2．5 本章小结

3 盖板材料对泡沫铝复合装甲抗射流侵彻的影响研究

3．1 有限元仿真方法简介

3．2 材料模型及有限元模型的建立

3．2．1 材料模型及状态方程参数选取

3．2．2 有限元模型的建立

3．3 不同面板、背板材料时泡沫铝复合装甲抗射流侵彻仿真研究

3．3．1 不同面板组合的射流头部剩余速度

3．3．2 不同面板组合复合装甲整体的能量吸收

3．3．3 侵彻过程分析

3．4 本章小结

4 陶瓷／泡沫铝／铝合金复合装甲结构抗射流侵彻仿真研究

4．1 不同泡沫铝夹层厚度复合装甲抗侵彻性能仿真研究

4．1．1 有限元模型的建立

4．1．2 侵彻过程分析

4．1．3 理论计算与仿真结果对比分析

4．2 不同盖板厚度及布置方式下复合装甲抗侵彻性能仿真研究

4．2．1 有限元模型的建立

4．2．2 侵彻过程分析

4．2．3 仿真结果分析

4．3 不同倾角下复合装甲抗侵彻性能分析

4．3．1 有限元模型的建立

4．3．2 复合装甲防护性能分析

4．4 本章小结

5 陶瓷／泡沫铝／铝合金复合装甲的结构优化

5．1 优化复合装甲结构抗侵彻性能的方式

5．2 组合方式

5．3 聚能射流头部剩余速度

5．4 面密度相同时泡沫铝厚度对装甲抗侵彻性能的影响与分析

5．4．1 侵彻过程

5．4．2 复合装甲能量吸收规律

5．4．3 理论计算与仿真结果对比分析

5．5 陶瓷与铝合金厚度比k对装甲抗侵彻性能的影响与分析

5．5．1 复合装甲能量吸收规律

5．6 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢