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sic陶瓷/uhmwpe纤维复合材料复合装甲抗侵彻性能的数值模拟研究

SiC陶瓷/UHMWPE纤维复合材料复合装甲抗侵彻性能的数值模拟研究

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作者：汪勇峰浙江理工大学

学位级别：硕士

随着现代军事科技的不断进步和杀伤性武器装备的不断更新,新的防护技术与材料也应运而生,陶瓷/纤维复合材料复合装甲已成为当前装甲防护领域的重要研究方向。碳化硅(sic)陶瓷、超高分子量聚乙烯(uhmwpe)纤维增强复合材料由于低密度、高... 详细信息

随着现代军事科技的不断进步和杀伤性武器装备的不断更新,新的防护技术与材料也应运而生,陶瓷/纤维复合材料复合装甲已成为当前装甲防护领域的重要研究方向。碳化硅(sic)陶瓷、超高分子量聚乙烯(uhmwpe)纤维增强复合材料由于低密度、高强度及优异抗冲击性能等特性,在装甲防护领域得到广泛研究与应用,常作为复合装甲的面板与背板使用。然而,关于sic/uhmwpe复合装甲中纤维复合材料背板层间粘结作用对复合装甲抗侵彻性能的影响鲜有系统的研究报道。此外,复合装甲的性能不仅取决于材料属性,同时也与结构相关。因此在一定条件下,研究复合装甲中纤维复合材料背板层间粘结作用及不同材料的厚度配置分别对复合装甲抗侵彻性能的影响,对优化sic/uhmwpe复合装甲的设计、开发出更高性能的复合装甲具有一定的实际意义。本文首先进行sic/uhmwpe复合装甲抗7.62 mm穿甲燃烧弹弹道侵彻试验,得到一系列有关装甲穿透情况和背板鼓包高度的试验结果。然后根据试验实际情况,采用数值模拟分析方法建立sic/uhmwpe复合装甲抗7.62 mm穿甲燃烧弹的弹道侵彻模型(有限元验证模型),利用显示动力学有限元分析程序MPP LS-DYNA对上述模型进行求解,并采用后处理软件LS-PREPOST提取数值模拟结果。将大量复合装甲的抗侵彻弹道试验结果数据与数值模拟结果数据进行对比,其中背板鼓包高度误差在5～6%之间,在可接受范围内,结果证明了数值模拟分析方法的可行性与有限元模型的可靠性,为后续的数值模拟研究提供了支持。其次,在以上有限元验证模型的基础上,采用考虑法向(MODE I)、切向(MODE II)及混合模态分层破坏与演化的固连失效接触(TIEBREAK)模拟材料间的粘结作用,通过修改法向破坏应力、切向破坏应力、法向断裂韧性、切向断裂韧性等粘结性能参数,建立一系列具有不同uhmwpe复合材料背板层间粘结性能的sic/uhmwpe复合装甲有限元模型。根据模拟结果分析探讨了sic/uhmwpe复合装甲中复合材料背板层间粘结性能对复合装甲弹道极限速度、能量吸收和损伤模式等的影响。研究结果表明,随着复合材料背板层间粘结性能的提高,sic/uhmwpe复合装甲的弹道极限速度从955 m/s降低到821 m/s;在复合装甲未被穿透的情况下,复合材料背板鼓包高度从23.9 mm降低到20.5 mm,对应弹丸速度降至零所需时间从0.1586 ms缩短到0.1389 ms;随着粘结性能减弱,复合材料背板分层更加明显,更多复合材料以拉伸形式变形破坏,吸收更多的弹体动能。最后,同样以建立的有限元验证模型为基础,在面密度不变(41.85 kg/m)和总厚度不变(20 mm)两种情况下,通过修改几何模型尺寸大小建立一系列新的具有不同陶瓷面板与复合材料背板厚度配置的复合装甲有限元模型。根据模拟结果分析探讨了陶瓷面板与复合材料背板厚度配置对sic/uhmwpe复合装甲抗侵彻性能的影响。结果表明,在sic/uhmwpe复合装甲面密度不变和总厚度不变两种情况下,sic陶瓷面板与uhmwpe复合材料背板厚度配比为1:1时,复合装甲模型的弹道极限速度达到955 m/s,sic/uhmwpe复合装甲抗侵彻性能均达到最佳。

关键词： sic/uhmwpe复合装甲层间粘结抗侵彻厚度配置数值模拟

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