陶瓷/纤维复合装甲抗弹丸侵彻性能的试验与数值模拟研究

本工作研究了由碳化硼(B4C)/碳纤维(CF)/超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)组成的复合装甲对抗7.62 mm穿甲燃烧弹的抗侵彻性能.通过实验和数值模拟,系统地研究了陶瓷复合装甲各层对弹丸的作用机理.首先将模拟与实验结果进行比较,验证了模拟方法的可靠性.在此基础上,开展了陶瓷复合装甲的陶瓷面板的材料/厚度数值模拟研究,分别采用氧化铝(Al2 O3)、碳化硅(SiC)、碳化硼(B4 C)作为陶瓷面板,研究了不同厚度陶瓷板的吸能效率,结果表明,以B4 C陶瓷作为面板,当其厚度为10 mm时所得复合装甲的防弹性能最佳.     

N形装甲板抗穿甲弹侵彻性能数值模拟

面向军用车辆弹道防护需求,针对一种由孔板、斜板和基板组成的N形结构装甲板,进行了其抗7.62 mm穿甲弹侵彻性能的数值模拟分析.在验证数值模拟方法有效性的基础上,仿真了子弹对N形装甲板的侵彻过程并分析了其特殊的抗弹机理;研究了弹着点位置对装甲板抗弹性能的影响,结果表明,弹着点位置的不同会导致穿甲弹的侵彻路径和剩余速度的...     

偏转式抗侵彻防护技术研究现状

随着弹体侵彻能力不断提升,传统“阻挡”的防护设计思想指导下的防护结构为达到防御目标,其质量与尺寸必将不断提高。基于弹体非理想侵彻及侵彻非均匀防护结构中的弹体偏转现象而提出的“偏转”防护思想,使得更加轻质高效的防护结构成为可能。本文以弹体侵彻过程中的各种偏转现象为主要研究对象,综述了偏转式抗侵彻防护技术的研究现状,主要内容包括弹体非理想侵彻过程和弹体侵彻非均匀防护结构过程中的偏转现象,非理想侵彻的过程分析以及影响弹体非理想侵彻过程中偏转程度的主要因素,非均质防护结构偏转弹体的机制,介绍了目前实际应用中较为典型的三种偏转式防护结构形式,并分析了其抗侵彻性能和存在的不足,最后针对目前偏转式抗侵彻防护技术研究现状提出了建议,为高效能偏转式防护结构研究提供参考依据与思路。     

结构形状对密闭胞元抗射流侵彻性能的影响

针对液态复合装甲抗射流侵彻性能与胞元的结构形状密切相关性,研究了密闭胞元的结构形状对抗射流侵彻性能的影响。利用LS-DYNA有限元软件进行了数值仿真,分析了结构形状为四边形、圆形、六边形的3种密闭胞元对射流冲击波的反射能力和密闭胞元受到的压力、射流断裂时间及速度区间、剩余穿深、胞元内壁变形等参量,得出圆形密闭胞元反射冲击波的能力最优;圆形密闭胞元的抗射流侵彻能力最强,表现为剩余穿深最小,干扰射流头部速度区间最大;六边形密闭胞元的抗射流干扰能力稍小,干扰射流颈部速度区间最大,吸能最大,变形小且稳定性好;四边形密闭胞元的抗射流侵彻能力最差,内壁变形的振动幅度最大。为研究多胞结构液态复合装甲提供了结构上的设计依据。     

结构形状对密闭胞元抗射流侵彻性能的影响

针对液态复合装甲抗射流侵彻性能与胞元的结构形状密切相关性,研究了密闭胞元的结构形状对抗射流侵彻性能的影响。利用LS-DYNA有限元软件进行了数值仿真,分析了结构形状为四边形、圆形、六边形的3种密闭胞元对射流冲击波的反射能力和密闭胞元受到的压力、射流断裂时间及速度区间、剩余穿深、胞元内壁变形等参量,得出圆形密闭胞元反射冲击波的能力最优;圆形密闭胞元的抗射流侵彻能力最强,表现为剩余穿深最小,干扰射流头部速度区间最大;六边形密闭胞元的抗射流干扰能力稍小,干扰射流颈部速度区间最大,吸能最大,变形小且稳定性好;四边形密闭胞元的抗射流侵彻能力最差,内壁变形的振动幅度最大。为研究多胞结构液态复合装甲提供了结构上的设计依据。     

碳纤维复合结构的抗侵彻性能分析

为了深入研究碳纤维复合材料新型结构的抗侵彻特性,该文通过构建碳纤维复合结构侵彻模型解析碳纤维的抗侵彻特性和毁伤机制,并通过搭建高速运动分析系统总成对碳纤维模型进行验证。研究结果表明,有限元模拟与试验输出的剩余速度偏差不超过4.5%,模拟后得到的破坏状貌与试验结果比较吻合,因此可以用来构建碳纤维复合结构的有限元模型。弹丸以250 m/s速度侵彻,无法击穿靶板,但是靶板的最内层会产生拉伸损伤。铝合金抗冲击效能不高,聚氨酯泡沫对弹丸动能的损耗较小,而碳纤维材料铺层结构抗侵彻能力较强。     

SiCP/Al功能梯度装甲板抗侵彻性能的试验与数值模拟

采用粉末冶金方法制备碳化硅陶瓷颗粒(SiC_P)增强金属铝基复合材料板(MMCs), 并采用热压扩散法制备功能梯度装甲板(FGM)。利用高速冲击空气炮系统, 对纯铝靶板和两种不同铺层结构的功能梯度装甲靶板进行侵彻试验, 并利用LS-DYNA软件对侵彻试验过程进行数值模拟分析, 同时考察等厚、 等面密度下SiC颗粒分布对抗侵彻性能的影响。研究结果表明, 功能梯度板的抗侵彻性能比纯铝板好, 而两种不同铺层结构功能梯度板的抗侵彻性能相差不大。数值计算结果与现有试验结果取得了较好的一致, 说明了数值模拟的有效性。从数值计算结果可以看出, 层状功能梯度板比等厚、 等面密度均质复合材料靶板的抗侵彻能力好, 并可近似地认为等厚、 等面密度下多层功能梯度板的抗侵彻性能对颗粒分布不敏感。     

Kevlar-129纤维复合材料抗侵彻性能数值模拟

采用AUTODYN有限元软件,数值模拟了不同初速度下FSP破片对10 mm厚Kevlar-129纤维复合靶板的侵彻过程,获取了不同初速度下破片侵彻靶板后的剩余速度,计算了芳纶复合靶板的弹道极限,并将该值与弹道测试试验数据进行了对比.此外,研究了破片侵彻纤维复合靶板深度与破片初速度的关系.结果显示,Kevlar-129纤维复合材料弹道极限的数值模拟值与弹道实验测试值相吻合;破片初速度小于320m/s时,破片剩余速度随着破片初速度的增加而减小;破片初速度大于320m/s时,破片剩余速度随着破片初速度的增加而增大;破片初速度小于靶板的弹道极限时,破片侵彻靶板的深度随着破片初速度的增长呈二次函数增长.     

装甲防护材料抗侵彻性能研究现状

目的分析装甲防护材料抗侵彻性能的研究现状,为改进复合装甲的结构设计提供参考。方法对装甲防护材料的抗侵彻研究现状进行论述,并对其应用情况进行分析。结果分别阐述了金属材料(装甲钢、铝合金和钛合金)、陶瓷复合靶板以及纤维增强复合材料(玻璃纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维)的抗侵彻研究现状,并介绍了其应用情况。结论随着战场环境的日益更新和武器装备的飞速发展,单一的装甲防护材料已难以适应战场环境的不断变化,装甲防护材料将朝着强韧化、轻量化、智能化及多功能化发展。     

基于犰狳外壳仿生的SiC-超高分子量聚乙烯柔性防护板的试验测试和有限元模拟

个体防护装甲的发展对提高单兵作战能力具有重要意义,基于仿生研究可以为设计高性能装甲提供新的思路。犰狳外壳由六边形鳞片紧密拼接而成,采用分层结构设计,具有很好的柔性和防护能力。本文借鉴犰狳外壳的几何排列模式,采用SiC陶瓷片模仿硬质壳层,超高分子量聚乙烯(UHMWPE)热压板模仿软质壳层,按1∶1厚度比例设计制备仿生复合鳞片,将仿生鳞片紧密排列后封装制成一种新型柔性复合防弹插板。为了验证该种防弹插板的防弹性能并研究其破坏特征,进行弹道极限V0试验测试,结合有限元模拟分析其抗7.62 mm手枪弹侵彻的能力。结果表明:该柔性防弹插板不仅满足防弹性能要求,且具备较好的柔性,可为今后新型防弹插板的设计和优化提供参考。      

A numerical assessment on two-dimensional failure criteria for composite layered structures

This paper is devoted to the most popular failure criteria which are employed in the design and analysis of anisotropic materials/layered plates. In-plane stress (or strain) states are considered and both classical and advanced criteria are illustrated and compared. The advantages and disadvantages of different approaches are discussed through FEM numerical results, by referring to composite material data currently employed. Layer-wise plate models are adopted to provide quasi three-dimensional stress field and to limit the error of modeling. Failure envelopes emphasizing the in-plane shear influence in the case of biaxial traction/compression are proposed. The maximum strain, maximum stress, Tsai–Wu, Tsai–Hill, Hashin and LaRC03 failure criteria are described and compared for various benchmark problems.     

Flexural performance of layered ECC-concrete composite beam

The pseudo strain-hardening behavior of fiber reinforced engineered cementitious composites (ECC) is a desirable characteristic for it to act as a substitute for concrete to suppress brittle failure. The use of ECC in the industry is, however, limited by its high cost. To achieve higher cost/performance ratio, ECC can be strategically applied in parts of a structure that is under relatively high stress. In this paper, layered ECC-concrete beams subjected to flexural load are investigated from both theoretical and experimental aspects. Four-point bending tests are performed on beam members with ECC layer at its tensile side. The application of ECC layer leads to increase in both the flexural strength and ductility, and the degree of improvement is found to increase with the ECC thickness. A semi-analytical approach for modeling the flexure behavior of layered ECC-concrete beams is also developed. In the model, the stress–crack width relation of both concrete and ECC are employed as fundamental constitutive relationships. The model and experimental results are found to be in good agreement with one another. Simulation with the model shows that when the ECC thickness goes beyond a certain critical value, both the flexural strength and ductility (reflected by crack mouth opening and crack length at ultimate load) will significantly increase. The critical ECC thickness is hence an important design parameter, and it can be determined with the theoretical approach developed in the present work.     

Three-dimensional numerical simulation of the Kalthoff experiment

We use the finite element code DYNA3D to analyze large thermomechanical deformations of a prenotched plate impacted on the notched side by a cylindrical projectile moving parallel to the axis of the notch. Both the projectile and the plate are assumed to be made of the same thermally softening but strain and strain-rate hardening material. It is found that the maximum speed imparted to points of the plate on the impact surface equals nearly 90% of the projectile speed, and the rise time depends upon the quasistatic yield stress of the material. Whereas deformations on the midsurface of the plate closely resemble a plane strain state of deformation, those on the traction free front and back surfaces are quite different. Thus measurements made on these surfaces may not describe well the deformations occurring in the interior of the plate.     

压电复合材料层合结构中的SH波

考虑压电耦合效应,通过传递矩阵-二维谱分析研究了压电复合材料层合板稳态SH波的频散特性和瞬态SH波的传播特性。数值分析表明: 压电耦合作用提高了SH波的截止频率和相速度; 由表面扰动激发的SH波, 一部分能量向板深度方向传播, 一部分以表面波的形式在两倍波长深度内传播。所采用的传递矩阵-二维谱分析为层合结构瞬态波动研究提供了一种有效的数值方法。      

复合材料波纹梁冲击试验与数值模拟

为了探究复合材料波纹梁的吸能性能,针对铺层形式分别为[(±45)3/(0,90)/(±45)3]、[(±45)8]和[(±45)7]的3种复合材料波纹梁元件,进行了动态冲击试验,得到了吸能载荷-位移曲线,并对其损伤破坏形貌进行了分析。以连续损伤力学为基础,结合改进的Hashin损伤判定准则以及损伤演化规律,提出了针对波纹梁耐撞性损伤分析的刚度退化模型,并基于有限元软件平台开发了适用于波纹梁渐进损伤分析的子程序。对3种不同结构形式的波纹梁进行了渐进失效数值分析,模拟得到了能量评估参数比吸能(SEA)和平均载荷值,并将模拟结果与试验结果进行了对比分析。比较分析了不同薄弱环节复合材料波纹梁的吸能能力。结果表明:波纹梁在冲击载荷作用下发生了渐进压溃失效;平均压溃载荷的相对误差不超过12%,能够满足工程应用要求;薄弱环节的设置需综合考虑复合材料性能和铺层方式等因素。     

嵌入式共固化复合材料阻尼结构低速冲击性能数值模拟

嵌入式共固化复合材料阻尼结构是一种新型阻尼处理结构,在航空、航天、高速列车等高科技领域有广阔的应用前景。采用LS-DYNA显式动力学软件建立了该结构的有限元分析模型,对这种新型阻尼结构的低速冲击性能进行数值模拟,并将数值模拟结果与实验数据进行比较以说明模拟方法的有效性。结果表明这种新型复合材料阻尼结构的抗冲击性能大大优于相同材质的复合材料结构。     

层合轧压SMAT纳米化304不锈钢复合材料的渐进损伤模拟

基于表面机械研磨处理技术(SMAT)和温轧工艺,可以加工出具有高强度和理想韧性的层合纳米化结构复合材料。为了研究层合轧压SMAT纳米化304不锈钢的变形行为以及随后的损伤起始与演化过程,采用内聚有限元方法,建立了用于预测该复合材料力学性能的有限元模型。基于这个模型,评估了材料中纳米晶层性质,包括法向内聚强度、切向内聚强度、损伤演化断裂能和体积含量对于材料整体强度和韧性的影响。通过数值仿真结果和实验结果的比较,验证了模型的合理性和准确性,同时预测结果表明增加纳米晶层的内聚强度和减小其断裂能都能提高材料的韧性;增加纳米晶层的体积含量,材料的整体韧性降低,但是强度会增加。     

热管式电子设备散热器的实验及数值模拟研究

用Icepak软件对电子设备散热器的流速场、温度场进行了数值模拟，并将模拟分析值与实验值进行了比较，验证了数值模拟的结果的正确性，显示了Icepak软件在电子产品热设计中应用的优越性和可靠性。     

CPU散热器换热特性的数值研究

对一种散热器结构，在风扇与散热器间距离不同和不同风速下的散热特性进行了数值模拟。采用ICEPAK软件进行计算，结果显示：风扇与散热器之间存在一个最优的距离，而在CPU工作温度范围内，风速对散热器的影响不是很大。采取数值模拟的方法对CPU散热器进行研究是实验方法的可靠补充，计算所得的结果有助于分析CPU散热器的换热过程，并可为电子设备的设计和改进提供参考。     

热电制冷膜蒸馏性能及数值模拟分析

为提高膜蒸馏传质过程效率,在新型热电制冷平板式膜蒸馏组件的基础上,对新型半导体冷腔的制冷性能进行分析,通过对具有不同旋向结构参数的热容腔数值模拟计算,获得2mm小空间膜热容腔近膜面处的流场和温度场,比较分析不同边界层涡量值和温度梯度,数值计算结果表明:具有开槽宽度3 mm,角度60.的分水盘的涡量值为0.088 (1/s),温度梯度0.02℃/mm,该结构削弱了膜面处边界层的温度极化和浓度极化,为研究提高膜蒸馏传质通量方法的物理机制奠定了基础.