分层对TC4钛合金板抗平头弹撞击失效特性的影响

使用Abaqus/Explicit有限元分析软件,开展平头弹撞击不同厚度双层TC4钛合金板数值模拟,研究双层TC4钛合金板撞击失效特性与失效模式随厚度变化规律及机理。通过对比撞击试验与仿真结果,验证数值模型和参数的有效性。在此基础上与等厚度单层TC4钛合金板的抗侵彻性能进行对比,结果表明,对于12.68 mm直径的平头弹,在靶板厚度2~16 mm内,双层结构的弹道极限与总厚度近似呈线性关系。由于单层靶板在4~10 mm内随着厚度增加,弹道极限无明显变化,所以等厚接触式双层结构在该厚度范围相比单层靶有明显的优势。在总厚度为8 mm时,双层靶优势最为明显,弹道极限相比单层靶提高了43%左右。     

刚性卵形头弹撞击角度对编织复合材料层合板侵彻特性的影响

利用一级气炮发射卵形头弹撞击2 mm厚度的编织复合材料层合板,撞击角度分别为0°、30°和45°,通过高速相机记录弹靶撞击过程,并获得弹体速度数据。基于拟合公式处理试验数据,计算获取弹道极限,分析撞击角度对弹道极限、靶板能量吸收率及其失效模式的影响规律及机制。结果表明：弹体撞击角度为45°时,靶板弹道极限最高,其次为0°,撞击角度为30°时最小。随着冲击角度增加,层合板损伤形状从菱形逐渐转变为椭球形,损伤面积随冲击速度增加而增大,且45°冲击时层合板损伤面积最大,0°和30°冲击时损伤面积近似相等。弹体初始撞击角度对靶体失效模式存在影响,弹体撞击角度为0°时,纤维断口主要是剪切应力导致的横截面。撞击角度为30°时,纤维断口主要是剪切应力和拉伸应力导致的斜截面。45°斜撞击时,纤维断口主要是拉伸应力导致的横截面。     

GCr15弹丸冲击不同厚度GH4169板的变形与破坏模式试验研究EI北大核心CSCD

为理解航空发动机包容机匣用镍基高温合金GH4169遭受高速冲击载荷时的动态力学特性,采用GCr15硬质合金弹丸,利用一级空气炮试验装置对不同厚度(2 mm、3 mm、5 mm、6 mm)的GH4169靶板进行了弹丸速度从96.7~314.2 m/s的弹道冲击试验,对冲击载荷作用下靶板的变形、破坏模式和失效机理进行了系统的试验研究。结果表明:在试验冲击速度范围之内,随着靶板厚度的增加,靶板的变形模式逐渐由拉伸与弯曲主导的蝶形变形转变为局部的剪切变形;同时靶板的破坏模式由花瓣形损伤与冲塞共存模式向单一剪切冲塞模式转变;随着冲击速度的增加,靶板对弹丸动能的吸收能量是逐渐增加的,但在临界穿透速度时出现一个拐点,使得靶板被击穿后吸收能能量的增速变缓,表明靶板被穿透破坏后降低其的吸能能力;当冲击速度为临界穿透速度时靶板变形挠度达到最大值;冲击后靶板的花瓣裂纹数量与弹体速度呈线性关系。当入射速度为284 m/s时,与试验结果比较,修正后R-I公式预测弹丸剩余速度比未修正的结果精度提高7.01%。     

薄靶板受叶片形弹体撞击的数值仿真研究

为研究航空发动机薄壁机匣包容高速飞断平板条叶片的能力,数值模拟了平板条叶片以不同偏航角和初始速度垂直撞击矩形靶板的过程。数值仿真采用Johnson-Cook本构模型和失效准则以考虑应变率、应力三轴度和温度对材料性能的影响,分析了叶片形弹体的偏航角和初始速度对弹体和靶板变形、失效模式及能量损耗过程的影响。结果表明:随着偏航角的增大,靶板的主要失效模式从绝热剪切带破坏过渡到撕裂破坏,破坏及变形区域增大,弹道极限速度提高;平板条的主要变形则为撞击头部的镦粗过渡到整体的弯曲。研究结果对于揭示机匣受断叶冲击破坏机理和改善叶片包容能力设计方法具有指导意义。     

间隙对A3钢薄板抗卵形头弹侵彻性能影响的实验研究

为了分析板间间隙大小对双层板失效模式以及抗侵彻性能的影响,本文利用轻气炮进行了卵形杆弹正撞击单层板和等厚双层板的实验研究,得到了各种结构靶体的初始-剩余速度曲线和弹道极限速度。实验表明,对于卵形弹,单层板的弹道极限高于双层板的弹道极限,包括接触式和间隙式。当总厚度一定时,多层板的弹道极限随分层数目的增加而减小。此外,间隙大小对间隙式双层板的抗侵彻性能影响小,并且随着弹体初始速度的增加而减小。     

单层A3钢薄靶在不同头型弹体斜撞击下的失效模式和防护性能研究

利用轻气炮设备对平头、卵形弹进行了以5种角度撞击2 mm单层A3钢薄靶的斜穿甲试验,得到了不同头型弹体在各个角度撞击单层靶的初始-剩余速度曲线及靶板的弹道极限,获得并对比分析了弹体头部形状、撞击角度对靶板的防护性能及失效模式的影响。结果发现,平头弹在各个撞击角度下较卵形弹更容易击穿靶板,撞击角度较大时卵形弹较平头弹更容易发生跳飞现象;靶板的防护性能与弹体造成的靶板损伤和失效模式紧密相关,随着斜撞击角度变大,平头弹造成的靶板局部穿孔毁伤模式逐步由剪切冲塞失效转向以拉伸撕裂失效为主,同时整体结构弯曲和膜变形减小,而薄板在卵形弹斜撞击下的失效模式则以局部斜形非对称花瓣开裂为主。     

TC4钛合金力学性能测试及其本构关系研究

为合理描述TC4钛合金材料的应力流动行为,分别利用万能材料试验机、霍普金森压杆设备,进行常温和高温准静态拉伸试验、动态压缩试验。通过试验得到了材料在不同应变率、温度下的工程应力-应变曲线,发现TC4钛合金材料应变硬化效应较弱,但应变率敏感性和温度软化效应较强。其次,基于试验结果,修正Johnson-Cook (J-C)本构模型和断裂准则获得MJC模型,并结合数值模拟标定J-C与MJC模型参数。最后,为校验模型和参数的有效性,采用ABAQUS/Explicit有限元软件建立卵形头弹体撞击靶体的模型,分别将J-C和MJC模型及参数嵌入到有限元程序中,进行数值仿真计算,对比撞击试验与数值模拟计算结果。研究表明,MJC模型预测的弹体弹道极限与靶体失效模式更接近于试验。     

单层金属板对刚性弹体抗撞击特性的影响因素研究

利用38Cr Si高硬度弹体对Q235钢和45钢的单层靶进行撞击实验,研究单层金属板对刚性弹体抗撞击特性的影响因素,揭示靶体材料特性、靶体厚度及弹体头部形状对靶体抗撞击特性的影响,分析不同撞击条件下靶体主要失效特性的过渡及条件。实验结果表明,弹体头部形状对其弹道极限的影响与靶体厚度、靶体材性力学特性相关。对于薄板,弹体头部形状对低强度材料更为敏感。但是,对于厚板,弹体头部形状对高强度材料更为敏感。靶体的弹道极限随其厚度增加而增加,靶体厚度对卵形头弹的弹道极限影响最大,依次是半球形头弹和平头弹。此外,高强度靶体的弹道极限高于低强度靶体的弹道极限,其中靶体强度对卵形头弹的弹道极限影响最大。     

半球形头弹不同角度冲击下编织复合材料板的侵彻特性

利用一级气炮发射半球形头弹冲击2 mm厚的编织复合材料层合板,冲击角度为0°、30°和45°,通过高速相机记录弹靶撞击过程并得到弹体速度数据。利用拟合公式处理试验数据,得到不同冲击角度时的弹道极限值,并和理论模型结果进行对比。分析了冲击角度对靶板弹道极限、能量吸收率和失效模式的影响。结果表明：45°斜冲击时的靶板弹道极限最高,正冲击次之,30°斜冲击最低。相同冲击能量时,45°斜冲击的能量吸收率最高,低能量（<80 J）冲击时,30°斜冲击比正冲击能量吸收率高,高能量（>80 J）时,正冲击更高。正冲击时,靶板正面因剪切失效而形成圆形凹坑,背面因纤维拉伸失效形成菱形鼓包,斜冲击形成椭圆形扩孔,且其面积随冲击角度增加而增加。     

7A04-T6高强铝合金板对平头杆弹抗侵彻行为的试验与数值模拟研究

为了解高强铝合金对动能杆的抗侵彻性能,在一级轻气炮上开展了直径5.98 mm的平头刚性弹侵彻6mm厚7A04-T6铝合金靶板的打靶试验,撞击速度范围为73.9~446.5 m/s。获得了弹体贯穿靶板后的剩余速度以及靶板的断裂行为,通过拟合初始-剩余速度数据得到了弹道极限。同时,在ABAQUS/Explicit中建立了三维有限元模型对打靶试验进行了数值计算,7A04-T6的力学行为通过Johnson-Cook本构模型和修正的Johnson-Cook断裂准则描述。试验结果表明,7A04-T6高强铝合金靶板在平头弹撞击下发生剪切冲塞,塞块表面有明显裂纹产生,弹道极限为156.0 m/s,剪切冲塞可在撞击速度不低于约0.90倍弹道极限时形成。数值仿真发现,有限元计算可成功再现靶板的剪切冲塞及冲塞表面的断裂;预报的弹道极限为168.8 m/s,比试验结果高约9%;撞击速度不低于0.92倍弹道极限时靶板发生剪切冲塞破坏,与试验结果十分接近。     

刚性尖头弹扩孔贯穿金属靶板理论模型的讨论

针对延性扩孔破坏模式,讨论了刚性尖头弹贯穿韧性金属靶板的已有六个理论模型（F-W、C-L、JZG、WHM、S-W和JBL）对于靶板厚度和弹头形状的适用范围,统一了各模型参数的选取准则,分别给出了JZG模型尖锥头形和尖卵头形弹体半锥角和无量纲曲率半径（CRH）的适用范围。基于12组冲击速度为200~1600m/s,厚径比（靶体厚度与弹身直径之比H/d）为0.605~9.17的多种弹靶材料的穿甲实验,得出：对于尖锥头形弹体贯穿靶板后的残余速度,S-W和WHM、JZG、F-W模型分别对于较薄靶板、中等厚度靶板和较厚靶板的预测效果较好;而对于尖卵头形弹体,WHM和JBL模型预测效果较好。同时,各模型对于弹道极限预测效果的结论和残余速度一致。分析结论可为坦克、舰船等单、多层金属装甲防护结构设计与计算提供参考和依据。     

Ballistic Limit of Single and Layered Aluminium Plates

Abstract: This paper presents an experimental and finite‐element investigation of ballistic limit of thin single and layered aluminium target plates. Blunt‐, ogive‐ and hemispherical‐nosed steel projectiles of 19 mm diameter were impacted on single and layered aluminium target plates of thicknesses 0.5, 0.71, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 and 3 mm with the help of a pressure gun to obtain the ballistic limit in each case. The ballistic limit of target plate was found to be considerably affected by the projectile nose shape. Thin monolithic target plates as well as layered in‐contact plates offered lowest ballistic resistance against the impact of ogive‐nosed projectiles. Thicker monolithic plates on the other hand, offered lowest resistance against the impact of blunt‐nosed projectiles. The ballistic resistance of the layered targets decreased with increase in the number of layers for constant overall target thickness. Axi‐symmetric numerical simulations were performed with ABAQUS/Explicit to compare the numerical predictions with experiments. 3D numerical simulations were also performed for single plate of 1.0 mm thickness and two layered plate of 0.5 mm thickness impacted by blunt‐, ogive‐ and hemispherical‐nosed projectiles. Good agreement was found between the numerical simulations and experiments. 3D numerical simulations accurately predicted the failure mode of target plates.     

弹体头部形状对碳纤维层合板抗冲击性能影响实验研究

为研究弹体头部形状对碳纤维层合板抗冲击性能的影响,利用一级气炮发射卵形头弹、半球形头弹和平头弹,对2 mm厚碳纤维层合板进行了冲击实验。利用公式拟合处理实验数据,揭示弹体头部形状对靶板弹道极限与能量吸收的影响,并且分析靶板冲击损伤形貌及机理特征。研究结果表明:平头弹弹道极限最高,半球形头弹次之,卵形头弹最低。弹体在低速度冲击时,弹体头部形状对靶板能量吸收率的影响更为显著。平头弹冲击时,靶板迎弹面受到均匀分布的环向剪切力,纤维同时被剪切,基体发生大面积剪切破坏。半球形头弹冲击时,靶板迎弹面受到非均匀分布的剪切力和挤压作用,纤维发生剪切断裂和拉伸断裂,基体发生剪切破坏和挤压破碎。卵形头弹冲击时,纤维发生单一的拉伸断裂,而基体则发生挤压破碎。弹体头部形状对靶板损伤的影响主要集中在迎弹面和中部纤维层。     

Mg/Al波纹复合板抗冲击性能研究

目的 比对波纹轧制结构和平面复合结构的Mg/Al复合板抗冲击性能与吸能机制.方法 采用波纹辊轧制工艺制备Mg/Al复合板,使用半球形铝合金弹丸对传统平面复合板与波纹复合板进行不同速度下的冲击试验研究,并对比分析2种复合板的损伤机理,探明波纹结构对复合板抗冲击性能的影响.结果 Mg/Al平面复合板抗半球形弹丸冲击的吸能机制主要是通过靶板的塑性变形、剪切破坏、拉伸断裂、分层破坏和弹丸与靶板间摩擦等形式来吸收能量.波纹复合板对冲击能量的吸收主要依赖靶板的局部塑性变形、沿着波纹方向的开裂、结合界面的分层以及弹丸与靶板间的摩擦耗能.结论 当冲击速度低于弹道极限速度时,波纹复合板的抗冲击性能优于平面复合板,高于弹道极限速度时,2种复合板的抗冲击性能和耗能程度相当.     

High velocity impact response of Kevlar-29/epoxy and 6061-T6 aluminum laminated panels

The high velocity impact response of composite laminated plates has been experimentally investigated using a nitrogen gas gun. Tests were undertaken on sandwich structures based on Kevlar-29 fiber/epoxy resin with different stacking sequence of 6061-T6 Al plates. Impact testing was conducted using cylindrical shape of 7.62 mm diameter steel projectile at a range of velocities (180–400 m/s) were investigated to achieve complete perforation of the target. The numerical parametric study of ballistic impact caused by same conditions in experimental work is undertaken to predict the ballistic limit velocity, energy absorbed by the target and comparison between simulation by using ANSYS Autodyn 3D v.12 software and experimental work and study the effects of shape of the projectile with different (4, 8 and 12 mm) thicknesses on ballistic limit velocity. The sequence of Al plate position (front, middle and back) inside laminate plates of composite specimen was also studied. The Al back stacking sequence plate for overall results obtained was the optimum structure to resist the impact loading.The results obtained hereby are in good agreement with the experimental (maximum error of 3.64%) data where it has been shown that these novel sandwich structures exhibit excellent energy absorbing characteristics under high velocity impact loading conditions. Hence it is considered suitable for applications of armor system.     

5A06铝合金单层板超高速撞击弹道极限分析

日益增长的空间碎片对在轨航天器的安全运行构成了严重威胁,毫米级空间碎片的防护已成为航天器结构设计必须考虑的问题之一.航天器的蒙皮是抵御空间碎片超高速撞击的最基本防护结构.采用数值仿真并结合试验验证的方法,对5 mm厚5A06铝合金单层板承受2A12铝合金球形弹丸正撞击下的弹道极限进行了研究.研究表明,在验证实验速度范围内,数值仿真结果与实验结果吻合良好;使用数值仿真对实验速度以上的区间进行拓展研究,获得了其弹道极限曲线和弹道极限方程;数值仿真和实验结果与已有经验方程对比表明,经验方程与具体材料的弹道极限有较大偏差,因此,应具体问题具体分析.     

Influence of conical projectile diameter on perpendicular impact of thin steel plate

A numerical study of conical projectiles for perpendicular impact on a thin steel plate is reported. The target material considered, Weldox 460 E steel, is frequently used for this kind of application and several results of experiments are available in the international literature to verify numerical simulations. The Johnson-Cook constitutive relation coupled with the Johnson-Cook failure criterion have been applied to analyse penetration of the target and also the failure process. The analysis has been focussed on the influence of the projectile diameter on the perforation process, assuming the same projectile mass. The aim was to preserve the same initial kinetic energy and identical nose angle. The goal is to estimate the ballistic limit, the residual velocity, the plastic work, and the temperature levels produced during the penetration process. The analysis has shown a linear increase of the ballistic limit with the projectile diameter.     

纤维增强复合材料三明治板破片穿甲数值仿真

研究破片对（由钢板、纤维增强复合材料板及钢板叠合而成）纤维增强复合材料三明治板穿甲过程中能量转化规律。进行破片模拟弹丸(FSP)对不同结构三明治板高速穿甲数值仿真,获得FSP破片对16种三明治板的弹道极限,并与实验结果对比验证数值仿真的可信度。通过分析数值仿真结果,进一步研究破片临界贯穿条件下纤维增强复合材料三明治板各组成部分吸能比率与结构尺寸相关性。结果表明,不同厚度夹层板的吸能比率恒定(芳纶纤维10.41%,玻璃纤维2.68%),夹层板内能随厚度的增加呈二次函数增加。由此获得破片对纤维增强复合材料三明治板弹道极限速度计算方法。     

强度失配对铝合金板焊接接头抗弹性能影响的有限元分析

通过建立7.62mm穿甲弹侵彻铝合金板的模型,采用Johnson-Cook材料模型模拟研究了焊接接头的强度失配对铝合金板抗弹性能的影响。研究结果表明:当子弹侵彻铝合金焊接接头附近时,由于材料的不均匀变形,子弹会改变侵彻方向,其方向角的改变大小与子弹速度、侵入位置、弹头形状、强度失配比、靶板厚度有关;当子弹以低速侵彻铝合金板中间的软焊缝材料时,由于变形局部化,出现材料的抗弹性能低于纯焊缝材料的情况;由于子弹侵彻方向的改变,出现部分区域的抗弹性能高于铝合金基体材料的情况。研究结果为不均匀材料的抗弹性能研究提供参考。