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陶瓷复合装甲抗侵彻能力数值模拟

作　者: 孙娟
导　师: 黄小忠；杜作娟
学　校: 中南大学
专　业: 物理学
关键词: 侵彻靶板结构设计弹头形状数值分析约束
分类号: O385
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

子弹侵彻陶瓷复合装甲的研究具有重要的军事应用背景和民用价值,一直受到众多学者广泛的关注,对防护工程结构设计有重要意义。本文主要以直径为12.7mm,平动速度为500m/s的平头弹和圆头弹为例,利用LS-DYNA有限元程序对子弹侵彻靶板过程中的弹靶的损伤破坏机理及物理过程进行了研究。主要研究内容和成果如下：以3-20mm厚的钢板为基材,子弹选用Rigid、Plastic-kinematic和Johnson-cook三种本构模型对钢板抗侵彻能力模拟分析,得到钢板的极限穿透厚度分别为16mm、6.3mm、6.8mm,选Johnson-cook本构模型作为子弹后续试验模型；选用平头弹和圆头弹侵彻不同厚度钢板进行模拟分析,得到平头弹侵彻钢板的极限穿透厚度为6.8mm,圆头弹侵彻钢板的极限穿透厚度为7.5mm,平头弹的破坏区域较大,圆头弹有较强的侵彻能力。分析探讨B4C陶瓷／钢板复合靶板的防护能力与靶板结构设计之间的关系,得知B4C陶瓷做面板复合靶有较优的抗弹性能。B4C陶瓷/钢板复合靶层间界面的法向失效应力为43MPa,剪切失效应力25MPa时,子弹的剩余速度为22m/s；层问界面的法向失效应力为86MPa,剪切失效应力30MPa时,子弹的剩余速度为0m/s,得知提高靶板间界面强度可提高陶瓷复合靶抗弹性能。对约束状态下的B4C陶瓷复合靶板结构进行模拟研究。5mm厚B4C陶瓷做面板,背板分别取1-9mm厚的钢板、铝板和纤维板进行约束,得到钢板、铝板、纤维板的最优厚度比分别是6mm,6mm,4mm；纤维板做背板能够发挥较好的支撑作用。B4C(5mm)/钢板(3mm)复合靶中陶瓷面板侧向约束时,陶瓷锥的基本形成时间是6.4μs；陶瓷非侧向约束时,陶瓷锥的基本形成时间是6.6μs,得知陶瓷侧向约束提高复合靶抗弹性能；纤维板做盖板B4C陶瓷复合靶板有较优的抗弹性能。本文的研究结果为陶瓷复合靶结构设计提供了一定的参考价值。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
第一章绪论  8-14
  1.1 研究意义及背景  8
  1.2 弹丸侵彻靶板的研究概况  8-12
    1.2.1 实验研究  9-10
    1.2.2 理论分析  10
    1.2.3 数值模拟研究  10-12
  1.3 本文主要工作  12-14
第二章弹丸侵彻靶板数值模拟  14-25
  2.1 LS-DYNA有限元仿真实验原理  14-20
    2.1.1 LS-DYNA分析的一般流程  14-15
    2.1.2 LS-DYNA有限元程序算法  15-17
    2.1.3 接触碰撞的数值计算方法  17-18
    2.1.4 接触-碰撞算法的有限元实现  18-20
  2.2 本构模型的选择  20-23
    2.2.1 Johnson-Cook模型  20-21
    2.2.2 JH-2模型  21-22
    2.2.3 纤维模型  22
    2.2.4 参数的确定  22-23
  2.3 有关参数设定  23-25
    2.3.1 弹、靶几何模型  23-24
    2.3.2 有限元计算模型  24-25
第三章不同模型弹丸侵彻钢板能力  25-41
  3.1 物理基本方程  25-29
    3.1.1 物理变形基本理论  25-26
    3.1.2 弹丸侵彻靶板问题数值计算方法  26-29
  3.2 三种本构模型的弹丸对钢板侵彻能力的对比分析  29-35
    3.2.1 弹丸选用Rigid模型  30-33
    3.2.2 弹丸选用Plastic-kinematic模型  33-34
    3.2.3 弹丸选用Johnson-Cook模型  34-35
  3.3 不同弹头形状对钢板侵彻能力的对比分析  35-40
    3.3.1 对比平头弹和圆头弹侵彻靶板性能  35-37
    3.3.2 平头弹和圆头弹侵彻靶板的过程分析  37-40
  3.4 本章小结  40-41
第四章碳化硼/钢板结构设计  41-51
  4.1 陶瓷/钢板复合靶板层叠设计  41-45
    4.1.1 对弹丸侵彻陶瓷/钢板复合靶板进行分析  41-43
    4.1.2 陶瓷锥形成过程的数值模拟  43-44
    4.1.3 分析相同面密度不同结构设计对抗弹性能的影响  44-45
  4.2 碳化硼/钢板层间接触方式对比分析  45-46
  4.3 不同弹型对陶瓷复合靶的侵彻性能分析  46-49
  4.4 本章小结  49-51
第五章约束机制  51-67
  5.1 弹丸侵彻陶瓷复合靶能量模型  51-52
    5.1.1 弹丸侵彻陶瓷/金属复合靶的质量和速度损失  51
    5.1.2 弹丸侵彻陶瓷/纤维复合靶分析模型  51-52
  5.2 陶瓷背面约束机制  52-58
    5.2.1 B4C(5mm)/钢板(1-7mm)陶瓷面板背面约束机制  53-54
    5.2.2 不同材质背板的约束机制  54-55
    5.2.3 陶瓷复合靶抗弹性能最优厚度比  55-58
  5.3 碳化硼5mm/钢板(1-7mm)碳化硼面板侧向约束机制  58-63
  5.4 碳化硼/钢板侧向及盖板约束机制  63-65
  5.5 本章小结  65-67
第六章总结与展望  67-69
  6.1 全文工作总结  67-68
  6.2 今后工作展望  68-69
参考文献  69-74
致谢  74-75
攻读硕士学位期间的研究成果  75

陶瓷复合装甲抗侵彻能力数值模拟

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