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ActaArmamentarii
ISSN1000-1093,CN11-2176/TJ
《兵工学报》网络首发论文
题目:金属封装多层陶瓷复合结构抗侵彻性能研究
作者:孙昕,田超,孙启添,汪凯阳,董永香
收稿日期:2020-04-10
网络首发日期:2020-08-18
引用格式:孙昕,田超,孙启添,汪凯阳,
性能研究[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:2020-08-1811:31:03
网络首发地址:第卷增刊.
年月
金属封装多层陶瓷复合结构抗侵彻性能研究
孙昕,田超,孙启添,汪凯阳,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:针对传统层状陶瓷复合结构难以抵抗多次打击的问题,通过弹道枪实验和数值仿真开
摇摇
展轻质金属封装陶瓷复合结构的抗侵彻性能研究,获得金属封装多层陶瓷复合结构和单层陶瓷复
合结构的抗侵彻性能。结果表明:多层复合结构抗侵彻性能比单层陶瓷复合结构提高了;两
15%
层陶瓷块的错位排布,基本消除了其不同位置处抗侵彻性能的差异;金属框架限制了陶瓷碎片的飞
散,增加了陶瓷材料对弹丸的侵彻阻力,使金属封装夹层耗散了弹丸约的动能;陶瓷层数量的
55%
增加使冲击波在不同材料的衰减幅度以及界面间反射次数增加,改变了载荷在陶瓷层间的分布特
性,减小了陶瓷破坏范围,有效提高了复合结构抗多次打击的能力。
关键词:多层陶瓷;金属封装;复合结构;抗侵彻性能
摇摇
中图分类号:文献标志码:文章编号:
摇摇TJ410郾3A1000鄄1093(2020)S2鄄0070鄄07
DOI
摇摇:.
ResearchonAnti鄄PenetrationPerformanceofMetal鄄packaged
MultilayerCeramicCompositeStructure
SUNXin,TIANChao,SUNQitian,WANGKaiyang,DONGYongxiang
(StateKeyLaboratoryofExplosionScienceandTechnology,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)
Abstract
:
ballisticguntestandnumericalsimulationwereconductedtostudytheanti鄄penetrationperformanceof
packagedmultilayerceramiccompositestructureandsingle鄄layerceramiccompositestructurewere
%higherthanthesingle鄄layer
ceramiccompositestructureintheanti鄄penetrationperformance,andthedifferenceinanti鄄penetration
performanceatdifferentlocationscanbeeliminatedbasicallyduetothemisalignmentofthetwo鄄layer
,themetal
packagingrestrictestheflyingoutofbrokenceramicfragments,therebyincreasingtheerosionofthe
projectile,dissipatingabout55%ofkineticenergyofprojectile,andimprovingtheanti鄄penetration
changedbyincreasingthenumberofceramicinterlayersduetothepropagationandattenuationofshock
damagedrangemakestheoverallstructuremorecompleteafterpenetration,andimprovestheabilityof
收稿日期:
摇摇2020鄄04鄄10
基金项目:爆炸科学与技术国家重点实验室项目
(YBKT20鄄02)
作者简介:孙昕男硕士研究生
(1997—),,。E鄄mail:******@
通讯作者:董永香女教授博士生导师
(1973—),,,。E鄄mail:******@
增刊金属封装多层陶瓷复合结构抗侵彻性能研究
摇271
thecompositestructuretoresistmulti鄄hitting.
Keywords
:multilayerceramic;metalpackaging;compositestructure;anti鄄penetrationperformance
属框架间使用环氧树脂粘结剂连接
0摇引言。
陶瓷材料因为具有高硬度高模量高抗压强度
、、
和低密度的特点而成为抗侵彻结构中的热点材
料[1]然而陶瓷作为一种脆性材料在弹丸侵彻
。,,
过程中由于较低的断裂韧性极易被拉伸波破
,
坏[2]因此在抗侵彻结构中通常不单独使用陶瓷
。图金属封装单层陶瓷复合结构
材料而与其他材料复合形成复合结构[3]1摇
,。
[4]和等[5-6]
HauverHauver
面对复合结构抗弹丸侵彻性能的影响发现利用陶compositestructure
,摇
瓷与金属材料的阻抗失配可提高复合靶对弹丸的侵实验采用靶架固定复合结构并在靶架前后放
,
蚀作用李裕春等[7]通过对长杆弹高速侵彻层状置两种断靶分别用来测量弹丸的着靶速度和剩余
。,
陶瓷复合结构的过程进行数值模拟发现适当增加速度采用两台高速摄影机记录弹丸的着靶姿态整
,,,
陶瓷板层数利用应力波在不同材料界面间的多次体实验布局如图所示
,2。
反射特性来影响应力波的传播过程可提高结构的
,
抗侵彻性能
。
传统的层状陶瓷复合结构对材料性能要求较高
并且其可设计性较差[8]等[9]研究了在二维
。Tian
约束下陶瓷材料的抗侵彻性能发现将陶瓷柱嵌入
,
到金属框架中可以有效地改善弹丸在陶瓷柱上的
,
停留时间从而显著增加弹丸的动能耗散
,。An
等[10-11]通过将陶瓷柱错位布置显著提高了陶瓷材
,
料对弹丸动能的吸收作用从而提高复合结构的抗
,
侵彻性能
。
目前已有研究主要集中于对陶瓷材料二维约束
或者三维约束下单层陶瓷材料的抗侵彻性能[12]
。
因此本文拟开展新型金属封装多层陶瓷复合结构研
究并将其与传统单层陶瓷复合结构的抗侵彻性能
,
进行对比获得新型复合结构对弹丸的抗侵彻性能
,,
及其抗侵彻性能与弹丸侵彻位置的关联性以期为
,
新型金属封装多层陶瓷复合结构的分析与设计提供
支撑
。
1摇金属封装单层陶瓷结构实验与数值仿真
图实验布置
1郾1摇弹道枪实验简介与结果分析2摇
为了研究金属封装单层陶瓷复合结构的抗侵彻摇
性能开展陶瓷复合结构见图的弹道枪实验实验所用钢弹尺寸为准实验时弹
,(1)。10郾8伊52mm,
陶瓷复合结构由金属框架和陶瓷柱组成整体尺寸丸分别以和的速度撞击靶板实验
,845m/s940m/s,
为其中金属框架由钛合结果如表所示
120mm伊110mm伊19mm,1。
金材料经线切割工艺加工而成碳化硅图为弹丸以的速度侵彻复合结构的
TC4,(SiC)摇摇3940m/s
陶瓷尺寸为陶瓷柱与金实验结果由图可知金属面板受弹丸侵彻的破
16mm伊10mm伊110mm。。3,
兵工学报第卷
72摇摇摇41
表实验工况数据表籽为材料密度G为剪切模量A为屈服应力常数B
1摇;;;
为应变硬化常数n为应变硬化指数C为应变率相
;;
实验弹丸着靶弹丸初弹丸剩余弹丸剩余关系数m为温度影响指数D为失效参数陶瓷材
;;。
序号速度-1始质量速度-1质量料选择材料模型以更
/(m·s)/g/(m·s)/gJohnson鄄Holmquist鄄Ceramics,
未穿透好地模拟出陶瓷在侵彻过程中的累积损伤与破碎情
184529郾87
况模型主要参数如表所示表中籽为材料
294029郾7339415郾59。3。3:
密度G为剪切模量A为未受损伤的归一化强度参
;;
数B为断裂的归一化强度参数C为强度参数M
;;;
为断裂的强度参数n为未受损伤的强度参数HEL
;;
为雨贡纽弹性极限p为在雨贡纽弹性极限处的
;HEL
压力分量T为抗拉强度D为塑性应变断裂参数K
;;;
为压力系数滓为最大归一化断裂强度F为失
;fmax;s
效准则
。
[]
表金属材料模型主要参数13
2摇J鄄C[]
13
参数钢参数钢
TC4TC4
籽-3n
/(g·cm)7郾854郾450郾260郾58
GC
/GPa7741郾900郾014
Am
/GPa1郾540郾91郾00郾753
BD
/GPa0郾4770郾8452郾00郾5
[]
图金属封装单层陶瓷弹靶实验后照片表陶瓷材料模型主要参数13
3摇3摇JH鄄2[]
13
摇参数参数
坏形式主要为延性扩孔陶瓷发生了严重破坏约束SiCSiC
,,籽HEL
陶瓷柱的金属框架在弹靶作用区产生了变形破坏/(g·cm-3)3郾215/GPa14郾567
,Gp
在金属背板处产生了花瓣形破坏/GPa183HEL/GPa5郾9
。AT
1郾2摇仿真模型建立与结果校验/GPa0郾96/GPa0郾75
BD
运用软件建立数值模型弹丸与陶瓷/GPa0郾350郾48
LS鄄DYNA,CK
复合结构采用算法从而在较好的控制计0郾0045/GPa217郾2
Lagrange,M滓
算时间情况下获得最接近实验结果的仿真数据1郾0fmax/GPa80
,。nF
采用0郾65s1郾3
CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_
接触关键字反映弹靶侵彻作用考虑到冲为了验证仿真模型的参数对金属封装单层陶
SERFACE;摇摇,
击大变形的特点采用瓷复合结构进行数值模拟建立的仿真校验结构模
,CONTACT_AUTOMATIC_,
关键字的自动接触为了型如图所示图为弹丸以的速度侵彻
SURFACE_TO_SERFACE;4。5940m/s
更好地模拟陶瓷与金属封装材料之间的粘合作用陶瓷复合结构的数值模拟典型时刻状态图
,。
在对应的部件间设定了图为金属面板与背板侵彻后的破坏变形状
CONTACT_TIED_SURFACE6
接触关键字以态在实验和仿真过程中金属面板和金属背板的破
_TO_SURFACE_FAILURE。0郾5mm,,
的正六面体网格对陶瓷复合结构进行划分弹丸使坏形式和变形程度基本相同通过仿真结果与实验
,。
用渐变式网格最内层网格划分仍然为尺结果对比可知本文建立的仿真模型可较好地模拟
,0郾5mm,
寸而后其他网格沿径向方向自动生成在弹靶陶瓷复合结构抗弹丸侵彻的过程二者在金属材料
,。-,
作用动态响应过程中为了更好地体现金属材料在的失效形式与变形程度方面具有较好的一致性因
,。
侵彻过程中的响应状态金属材料选择此通过仿真对弹丸侵彻陶瓷复合结构的过程进行研
,Johnson鄄
材料模型模型主要参数如表所示表中究具有可行性
Cook,2;2:。
增刊金属封装多层陶瓷复合结构抗侵彻性能研究
摇273
图金属封装单层陶瓷复合结构有限元模型
4摇
ceramiccompositestructure
摇
图金属面板与背板破坏变形
6摇
panelandbackplate
摇
表为仿真与实验得到的剩余速度金属面板
摇摇4、
扩孔直径与金属背板变形程度结果的比较由仿真
。
结果可知当弹丸以的速度侵彻靶板时弹
:940m/s,
丸的剩余速度与实验结果符合较好误差仅为
,1%;
当弹丸以的速度侵彻时仿真获得了侵彻
845m/s,
过程引起的面板扩孔直径和背板凸起高度与实验
,
图弹丸以的速度侵彻过程结果相比存在约的误差表明仿真结果与实验
5摇940m/s5%,
结果具有较好的一致性
。
摇
表仿真结果与实验结果对比
4摇
弹丸着靶速度-1弹丸剩余速度-1面板扩孔直径背板凸起高度
结果与误差/(m·s)/(m·s)/mm/mm
第发第发第发第发第发第发第发
12121212
实验结果
845940039419郾218郾910郾09郾8
仿真结果
845940039018郾318郾39郾59郾5
绝对误差
00040郾90郾60郾50郾3
相对误差
/%00014郾93郾25郾23郾1
行三维约束陶瓷块的尺寸为
2摇金属封装多层陶瓷复合结构抗侵彻模拟,SiC25mm伊25mm伊
陶瓷块与金属框架间以及金属框架与金属面
4mm.
2郾1摇金属封装多层陶瓷复合结构设计板背板之间使用环氧树脂粘结剂连接
、。
为了对金属封装单层陶瓷复合结构的抗侵彻性为研究该复合结构的抗侵彻性能建立了如
,
能进行优化考虑到现今串联陶瓷装甲[14]具备抗多图所示有限元模型采用与上述弹道实验相同的
,8,
次打击的设计潜力因此通过增加金属封装陶瓷复弹丸相关算法及材料模型参数与接触关键字选择
,,
合夹层的数量来提高复合结构的抗侵彻性能所设与第节相同
,1。
计的多层陶瓷其结构如图所示2郾2摇金属封装多层陶瓷复合结构抗侵彻性能仿真
7。
由图可知复合结构由一层金属面板两层金图为弹丸对金属封装多层陶瓷复合结构的侵
7,、9
属封装陶瓷复合结构和一层金属背板组成整体尺彻过程图由图可知弹丸在撞击金属封装陶瓷
,。9,
寸为其中金属面板和金复合夹层时其头部不断变形镦粗且产生侵蚀最终
120mm伊110mm伊19mm.,,
属背板由材料经线切割工艺加工而成金属未能穿透复合结构图为复合靶板不同部分对
TC4。。10
封装陶瓷复合夹层由金属框架对陶瓷块进弹丸动能的吸收比例由图可知两层金属封装
TC4SiC。10,
兵工学报第卷
74摇摇摇41
图复合靶不同部分吸收弹丸动能比例
10摇
7摇摇
彻性能模型如图所示
,11。
ceramiccompositestructure
摇
图弹丸侵彻金属封装多层陶瓷复合结构的
11摇
图金属封装多层陶瓷复合结构有限元模型个典型位置
8摇3
ceramiccompositestructureintometal鄄packagedmultilayerceramic
摇
陶瓷夹层对弹丸动能吸收占复合结构整体的比例最compositestructure
摇
高二者对弹丸动能的吸收比例相当两层之和达到图为弹丸以的速度侵彻复合结构
,,12940m/s
了由此可见通过金属框架对陶瓷材料进行PP和P位置的动能变化曲线从图中可以
63%.,1、23。2
三维约束可以将破碎后的陶瓷碎块限制在复合结看出弹丸侵彻不同位置处的动能变化差别小于
,,
构内继续对弹丸产生侵蚀作用从而有效提升复合由此可见金属封装多层陶瓷复合结构对弹着
,,1%.,
结构的抗侵彻性点不敏感通过两层陶瓷块的错位排布可有效降低
。,,
非均质封装夹层抗侵彻性能受弹着点的影响
。
图弹丸侵彻金属封装多层陶瓷复合结构过程图
9摇
图弹丸侵彻不同位置的动能变化曲线
multilayerceramiccompositestructure
为了获得金属封装多层陶瓷复合靶在不同侵彻penetratingdifferentpositions
摇
位置下该复合结构的抗侵彻性能选择了PP和2郾3摇金属封装陶瓷夹层数量对其抗侵彻性能影响
,1、2
P个弹丸撞击复合结构的典型位置来研究其抗侵为进一步获得金属封装陶瓷复合夹层数量对其
33
增刊金属封装多层陶瓷复合结构抗侵彻性能研究
摇275
抗侵彻性能的影响对相同弹丸以相同速度侵彻金
,
属封装单层陶瓷复合结构见图和金属封装多层
(4)
陶瓷复合结构见图的过程进行仿真为方便起
(7)。
见将金属封装多层陶瓷复合结构和金属封装单层
,
陶瓷复合结构分别简记为和
T鄄AT鄄B.
图与图分别为侵彻过程中弹丸速度与动
1314
能随时间变化曲线从图和图中可以看出
。1314,
金属封装多层陶瓷复合结构可以有效地抵抗
940
速度的准弹丸与金属封装单层陶瓷
m/s10郾8mm。
复合结构相比其抗侵彻性能提高
,15%.图侵彻过程弹丸过载时间曲线
15摇-
2郾4摇金属封装多层陶瓷复合结构陶瓷失效分析
下面对比金属封装多层陶瓷复合结构和单层陶
瓷复合结构抗弹丸侵彻作用下的破坏特点图
。16
为对应时刻不同复合靶陶瓷失效破坏区对比图
。
图侵彻过程弹丸速度时间曲线
13摇-
摇
图侵彻过程陶瓷材料破坏失效对比
16摇
摇anti鄄penetrationprocess
从图中可以看出金属封装陶瓷复合夹
16(a),
层中的陶瓷块受到金属框架的约束从而限制了陶
,
瓷破碎的扩展范围因此在侵彻过程中只有较小区
,
域陶瓷受到损伤破坏保持了结构整体完整性从而
,,
提高了抗侵彻性能而单层陶瓷非封装复合结构的
。
陶瓷夹层见图体现出整条陶瓷大范围的
图侵彻过程弹丸动能时间曲线(16(b))
14摇-损伤破坏因此金属封装陶瓷借助其抗弹丸作用受
,
摇影响范围小的特点在抗多发弹丸侵彻时在不同靶
,
图显示了金属封装多层陶瓷复合结构和金区仍可承受较大的冲击作用从而可提升金属封装
15,
属封装单层陶瓷复合结构抗弹丸侵彻的过载曲线多层陶瓷复合结构抗多次打击的能力
。。
从图中可以看出弹丸侵彻两种不同复合结构的为分析陶瓷夹层载荷分布特性在和
15,,T鄄AT鄄B
过载曲线变化趋势近似相同但二者的幅值及持续结构中金属背板的顶部分别选取个观测点其位
,4,
时间明显不同置如图所示图显示了观测点在侵彻过程中
。17。18
从图中还可以看出当侵彻结构时弹的压力变化由图可知金属封装多层陶瓷复合
15,T鄄A,。18,
丸在高加速度情况下的持续时间长于侵彻结构结构中的压力明显小于单层陶瓷复合结构的压力
T鄄B。
的过载作用时间这主要是因为金属封装围约束可以这主要是因为通过金属封装陶瓷层数的增加冲击
,,
更加有效地约束陶瓷材料加强了陶瓷的抗侵彻能波在不同材料界面间经过多次反射陶瓷与金属封
,,
力同时有效地限制了金属封装区破碎的陶瓷碎片向装结构使得冲击波在传播中大幅度衰减从而提高
,,
外飞散从而延长了陶瓷夹层抗弹丸穿透的时间了结构的抗侵彻性能
,。。
兵工学报第卷
76摇摇摇41
瓷材料范围保持了结构整体完整性提升了复合结
,,
构抗多次打击的能力
。
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:turesunderimpactloads[