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ActaArmamentarii
ISSN1000-1093,CN11-2176/TJ
《兵工学报》网络首发论文
题目:封装陶瓷形状对复合结构抗侵彻性能的影响
作者:孙启添,田超,孙昕,叶坪,董永香
收稿日期:2020-03-10
网络首发日期:2020-08-18
引用格式:孙启添,田超,孙昕,叶坪,
的影响[J/OL].兵工学报.
.
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发论文视为正式出版。
网络首发时间:2020-08-1815:21:22
网络首发地址:第卷增刊.
年月
封装陶瓷形状对复合结构抗侵彻性能的影响
孙启添,田超,孙昕,叶坪,董永香
北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京
(,100081)
摘要:陶瓷金属复合结构抗侵彻性能优异,在轻质装甲领域有广泛的应用前景。结合实验数
摇摇/
据和数值模拟开展封装陶瓷柱形状对复合结构抗侵彻性能的影响规律研究。结果表明:陶瓷形状
影响了结构的吸能方式和破坏模式,进而影响了结构整体的抗侵彻性能。梯形截面陶瓷能增大结
构受载荷的面积,增加背板的塑性变形,以吸收更多的弹丸能量,结构最终呈现出的破坏模式为韧
性破坏;倒梯形截面陶瓷则在受到弹丸侵彻时,对相邻的陶瓷柱体产生挤压作用,使得载荷发生横
向传播,结构内部的陶瓷发生大范围损伤,背板隆起高度较小,结构总体呈现冲塞破坏。陶瓷柱形
状通过影响载荷分布与能量传输方式,进而影响复合结构抗弹丸侵彻的能力。
关键词:金属封装陶瓷;复合结构;抗侵彻性能;动态响应
摇摇
中图分类号:文献标志码:文章编号:
摇摇TG156A1000鄄1093(2020)S2鄄0084鄄06
DOI
摇摇:.
EffectoftheShapeofCeramicsontheAnti鄄penetrationPerformanceof
CompoundStructure
SUNQitian,TIANChao,SUNXin,YEPing,DONGYongxiang
(StateKeyLaboratoryofExplosionScienceandTechnology,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)
Abstract
:Ceramic/metalcorrugatedcompoundstructureshaveexcellentanti鄄penetrationperformance
ceramiccolumnontheanti鄄penetrationperformanceofcompoundstructureisstudiedthroughexperiments
failuremodeofstructure,
trapezoidalceramiccanincreasetheloadedareaofstructure,thusmakingthebackplateofstructure
ceramicpillars,
projectilepenetrationbychangingthedynamicresponsemodeofcompoundstructure.
Keywords
:metalencapsulatingceramic;compoundstructure;anti鄄penetrationperformance;dynamic
response
收稿日期:
摇摇2020鄄03鄄10
基金项目:爆炸科学与技术国家重点实验室基金项目
(YBKT20鄄20)
作者简介:孙启添男博士研究生
(1995—),,。E鄄mail:******@
通信作者:董永香女教授博士生导师
(1973—),,,。E鄄mail:******@
增刊封装陶瓷形状对复合结构抗侵彻性能的影响
摇285
准质量为材料为钢弹
0摇引言10郾8mm伊52mm,30g,T12A,
丸速度为靶板采用由钛合金金属框架和碳
820m/s;
随着反装甲武器技术的高速发展针对不同战化硅陶瓷组成的陶瓷波纹复合结构其尺寸
,,
略战术和战场环境的需要出现了功能各不相同为其中面板厚度
、,、120mm伊100mm伊19mm,3mm,
种类繁多的反装甲武器如何提高轻型装甲的抗侵背板厚度陶瓷柱体尺寸为
。6mm,16mm伊100mm伊
彻性能赋予装甲目标更顽强的战场生命力是现代
、,19mm.
武器防护研究工作者迫切需要解决的难题[1-2]本文基于软件建立相应的仿真
。Ansys/ls鄄dyna
陶瓷自问世以来就因其极高的抗压强度和硬度模型为保证仿真的准确性采用与实验尺寸的
,,1颐1
受到了学者的广泛关注早在年就有人发现等比例全模型建模具体模型如图所示
。1918,1。
在装甲表面涂覆一层较厚的瓷釉能够大大提升装
,
甲的防护性能[3]但陶瓷的抗拉强度很低使得陶
。,
瓷在受到冲击时会表现出脆性易碎的特点为了克
。
服这一材料缺陷国内外学者将陶瓷与金属材料在
,
空间上进行耦合形成了陶瓷复合结构[4-5]这种复
、,
合结构可以有效地改善陶瓷易碎的缺点将陶瓷的
,
抗压性能与金属的吸能性能发挥到极致
。
传统的陶瓷层状复合结构是将陶瓷与其他材料图仿真模型
1摇
以平面方式进行叠加[5-7]这种结构的抗侵彻性能
,
在很大程度上取决于材料的性能材料之间的耦合摇
,采用高应变率下适用的材
方式单一可设计性差抗侵彻性能难以得到进一步Johnson鄄Cook(J鄄C)
、,料模型和状态方程定义弹丸与金属框架
提升且该结构抗多发打击的能力较弱[8]通过将Gruneisen,
,。的材料特性使用模型
特定尺寸的陶瓷柱体嵌入到有对应波纹孔的金属框;Johnson鄄Holmquist鄄Ceramics
来表征陶瓷的材料性能材料参数如表表所
架中形成的纹孔三明治复合结构具有较强的抗侵,1~3
,示弹丸金属框架及陶瓷之间采用
彻性能[9-10]在这种结构下金属框架对陶瓷提供。、*CONTARCT_
。,的接触方式
了更强的支撑作用和约束作用改善了陶瓷受到冲ERODING_SURFACE_TO_SURFACE。
,
击时出现的大规模碎裂失效现象[10-12]使得结构的摇摇摇表弹丸模型主要材料参数
,1摇J鄄C
抗侵彻性能进一步提高
。
本文选用比强度较高的钛合金和抗弹性能优异J鄄Cmodel
籽-3GABn
的碳化硅陶瓷设计了相应的波纹孔三明治复合结/(g·cm)/GPa/GPa/GPa
构该复合结构在面密度为2的条件下可
,7郾34g/cm,7郾85771郾540郾4770郾26
有效抵抗弹丸速度下的垂直冲击具CMttD
30g820m/s,0/Km/K1
有优异的抗侵彻性能[13]为进一步研究该结构的
。01郾029817632郾0
抗侵彻机理结合实验数据和数值模拟进一步开展DDDD
,2345
陶瓷形状对复合结构抗侵彻性能研究分析不同内
,0000
部封装陶瓷块对陶瓷复合靶载荷分布能量吸收等
、表框架材料模型主要参数
方面的影响规律发现陶瓷柱形状决定了复合靶板
,2摇J鄄C
,
应与吸能方式本文成果可为后续陶瓷复合结构抗frameinJ鄄Cmodel
。籽-3GABn
弹丸分析与设计提供参考依据/(g·cm)/GPa/GPa/GPa
。
4郾4541郾91郾011郾090郾84
1摇数值仿真校验CMttD
0/Km/K1
1郾1摇仿真模型的建立0郾0160郾75329819510郾05
DDDD
为校验数值模拟的可行性等开展了相关实2345
,Tian
验对仿真模型进行校验[14]实验采用的弹丸尺寸为0郾27-0郾480郾0143郾8
。
兵工学报第卷
86摇摇摇41
考虑到侵彻过程中结构会发生较大的变形设置了
,
材料的自身接触使用关键字
。*CONTARCT_TIED_
模拟框架与陶瓷
SURFACE_TO_SURFACE_FAILURE
之间的粘结作用根据实验的固定方案在仿真模
。,
型中施加了相应的固定约束
。图仿真中弹丸发生明显弹道偏转
表表中籽为材料密度G为剪切模量A3摇
1、2:;;
;;摇
硬化指数C为应变率相关系数M为浊度相关系该结构的弹道极限另外在背板两侧还出现了两条
;;;,
数t为室温t为材料熔化温度DD为累计失较长的裂纹表明背板除了有局部隆起变形外还有
;0;m;1~5,,
效参数整体撕裂变形从仿真结果的应力云图可观察到在
。。
表陶瓷材料主要参数背板的中心处出现破裂和高应力区并在背板两侧
3摇SiC,
与实验靶相应位置处出现应力较为集中区表明存
,
在整体撕裂变形的趋势
inJH鄄2model。
籽-3GABn
/(g·cm)/GPa/GPa/GPa
3郾21830郾960郾350郾65
CMTPD
/GPaHEL1
0郾00451郾00郾7514郾570郾48
DKKK
21/GPa2/GPa3/GPa
0郾48217郾200
表中T为材料最大拉伸强度P为材料
摇摇3;HEL
弹性极限压力DD为损伤系数KK
Hugoniot;1、2;1~3
为压力系数其余参数同表
,1。
1郾2摇仿真结果与实验数据的对比
图为弹丸侵彻靶板的仿真结果与实验数据的
2
对比实验时弹丸以的速度垂直侵彻复合
。820m/s
结构弹丸未能穿透靶板通过靶板正面的扩孔可发
,,
现弹丸发生了明显偏转仿真结果结构面板呈现的
,
破坏形态以及弹丸的弹道偏转均与实验结果相符
。
图仿真与实验结果对比
4摇
摇
上述面板背板的变形与破坏特征对比表明数
、
值模拟结果与实验数据基本吻合本文仿真模型能
,
够较好地模拟复合结构在弹丸垂直侵彻下的结构响
图仿真结果与实验面板穿孔结果对比应和破坏模式后续可依此模型开展进一步的仿真
2摇,
研究
。
摇2摇封装陶瓷形状对抗侵彻性的影响
图为背板变形仿真结果与实验数据对比通
4。
过对比图中金属框架的响应情况可知实验中金陶瓷是轻型陶瓷复合结构的主要组成部分掌
4,,
属框架背板发生了较大的隆起变形在框架背面中握陶瓷形状特征影响复合靶板的载荷传输方式进
,,
心处出现了裂纹表明的侵彻速度已接近而探究陶瓷对陶瓷复合靶抗侵彻性能的影响具有
,820m/s,
增刊封装陶瓷形状对复合结构抗侵彻性能的影响
摇287
重要的意义下面拟通过数值模拟对比不同形状的除了直接接触弹丸的陶瓷受损伤外作用区较大范
。,
陶瓷对复合结构破坏模式吸能机制以及抗侵彻性围的陶瓷柱也产生了损伤由此表明靶的陶瓷
、,B2
能的影响规律形状对弹丸载荷具有较强的横向传递能力
。。
2郾1摇不同陶瓷形状工况的仿真模型建立
为探究陶瓷形状对复合结构抗侵彻性能的影
响设计如图所示种陶瓷柱形状复合靶其中
,53,
分别为柱形梯形与侧梯形截面形状的封
A、B1、B2、
装陶瓷复合靶在种方案中主要对比弹丸作用
。3,
在截面为柱形梯形与侧梯形的封装陶瓷复合靶抗
、
侵彻行为除了陶瓷形状不同复合结构的其他参数
,,
面密度陶瓷单元间距面板厚度背板厚度均保
(、、、)
持一致为保证弹丸能够穿透靶板将弹丸的速度
。,
设定为
950m/s.
图不同陶瓷柱形状下复合结构的破坏情况
6摇
shapesofceramiccolumns
图不同陶瓷柱形状的仿真模型摇
5摇
摇
2郾2摇仿真结果对比与分析
图为种设计方案复合靶抗弹丸侵彻的破坏
63
模式由图可见种复合靶的面板均形成穿孔
。6,3
并在孔周边存在一定范围的凸起种靶板的差异
,3
主要体现在背板的形变失效破坏种复合靶的隆
,3图不同复合靶中陶瓷的损伤情况
起高度由高到低依次为复合靶复合靶复7摇
A、B1、B2
。B2摇
个靶板且背板穿孔处出现了大量冲塞块靶板破坏图为弹丸侵彻陶瓷复合靶板时速度随时间的
,,8
模式为冲塞破坏靶板与靶板在弹丸作用下变化曲线种方案弹丸的速度变化结果汇总见
;AB1,。3
背板有较高的隆起随后出现裂纹裂纹逐渐扩展成表从弹丸的速度低程度分析可知复合靶抗
,,4.,B2
穿孔最终靶板的破坏模式为韧性破坏种复合弹丸侵彻的性能最为优异其次为靶板靶板
,。3,A,B1
靶背板的承载变形范围与背板隆起高度呈现出相反抗侵彻性能再次之靶板较靶板从弹丸的速
。B2B1
的规律即靶板承载面积最大靶板次之度降低程度来看抗侵彻性能提高了
,B2,B1,A,21%.
靶板最小由图所示陶瓷的损伤云图也可发现为分析产生以上结果的原因对比种方案中
。7,摇摇,3
复合靶中陶瓷的损伤范围更大且靶中靶板的吸能情况见图图发现复合靶板
B1、B2,B2(9、10),B2
兵工学报第卷
88摇摇摇41
表种方案弹丸的速度变化结果
摇摇4摇3
弹丸剩余速度弹丸速度降
复合靶方案
v-1v-1
r/(m·s)驻/(m·s)
A355595
B1390560
B2273677
图种靶板中金属框架的吸能比较
9摇3
摇threetargetplates
图弹丸速度变化曲线
8摇
摇10摇3
板这是因为复合靶中陶瓷的截面形状为倒梯threekindsoftargetplates
。B2摇
形陶瓷在受到弹丸侵彻时会对周围其他陶瓷产生荷面积在复合靶板中倒梯形的陶瓷通过挤压
,;B2,
挤压作用从而将弹丸的载荷进行横向传递增大了临近陶瓷的方式将载荷横向传递进一步扩大了金
,,,
整个靶板受载面积陶瓷大范围地碎裂背板发生属背板的受载面积减小了复合结构受到的载荷密
。,,
更大面积的塑性形变吸收了更多弹丸的动能而在度使得结构整体的抗侵彻性能得以提升
,;,。
和复合靶中由于周围其他陶瓷和金属框的约
AB1,结果与讨论
束作用陶瓷受到弹丸侵彻时无法将载荷进行横向3摇
,
传递且由于陶瓷的强度和硬度远高于弹丸弹丸无本文通过对弹丸侵彻金属封装陶瓷复合结构的
,,
法立即穿透陶瓷在这个过程中弹丸受到陶瓷磨实验与仿真分析研究了陶瓷形状对复合结构抗侵
。,
蚀质量发生削减弹道发生偏转但同时弹丸也推彻性能的影响得到主要结论如下
,,;。:
动表陶瓷挤压复合靶的金属背板中陶瓷的界复合靶中的梯形陶瓷可增大金属背板的变
。B11)
面形状为梯形相当于增加了弹丸对金属背板的接形区域提升框架的吸能特性倒梯形的封装陶瓷在
,、;
触面积导致靶的背板相对于靶板产生了更抗弹丸侵彻时可通过挤压临近陶瓷进一步扩大结
,B1A,
大范围的塑性变形因此靶板框架的吸能略高构中的载荷分布形成较大范围的陶瓷损伤破坏区
,B1,,
于靶从而提升复合结构的抗侵彻性能
A。。
分析认为种方案中复合靶板在破坏模式表通过对比不同封装陶瓷形状复合结构对弹
,32)
现出的差异与弹丸的载荷施加方式有关复合靶板速下降的影响可知倒梯形的陶瓷复合结构抗侵彻
。,
中内部封装陶瓷的形状影响了弹丸对复合靶板的载性能相对于梯形陶瓷复合结构提升可达
21%.
荷作用方式进而影响了结构的受力方式传统的金属封装的陶瓷形状通过影响载荷分布与
,。3)
复合靶板由于受载荷范围有限背板隆起高度较能量传输方式使复合结构表现出不同的破坏模式
A,,
高最终表现出的破坏模式为韧性破坏复合靶和吸能方式从而影响了结构整体的抗侵彻性能
,;B1,。
板中截面为梯形的陶瓷在弹丸推动下一起对金属本文研究结果可为陶瓷复合结构抗侵彻设
,,4)
背板进行侵彻作用梯形的形状增大了背板的受载计与分析提供参考
,。
增刊封装陶瓷形状对复合结构抗侵彻性能的影响
摇289
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