陶瓷靶板冲击破坏的近场动力学研究

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陶瓷材料作为一种新兴抗弹材料,具有低密度,耗能性高等特点。广泛被用于制作,防弹衣,车辆用防护装甲等。但由于陶瓷为脆性材料,在受一次打击后容易发生破碎飞溅,目前对于陶瓷破坏的研究大多仍处于唯象认识,深入研究陶瓷装甲侵彻破坏已成为军事材料研究的热点问题。近场动力学(Peridynamic,PD)作为一种新兴的非局部作用理论,避免了传统数值研究方法在研究陶瓷装甲侵彻问题面临的求解困难,将传统的微分运动方程改变为积分运动形式的方程,解决了材料断裂时位移偏导数不存在的问题,在面对不连续问题时具有一定的优势。采用键基近场动力学方法,对陶瓷装甲的破坏问题进行深入研究,主要研究内容如下:
  (1)基于非局部理论的键基PD方法建立脆性材料冲击破坏近场动力学模型,在模型中加入体积微元修正系数,以及表面修正系数;同时建立了弹靶冲击接触算法;提出以非规则节点布置方式离散计算域的方法;采用MATLAB编制了循环迭代的计算程序,通过两个常规算例验证了程序的正确性。
  (2)应用PD理论模拟强动载荷作用下陶瓷靶板动态破坏全过程,揭示了陶瓷靶板破坏形成的三个阶段,模拟结果与实验结果吻合良好;发现陶瓷靶板的抗弹耗能机制主要包括陶瓷锥形成过程耗能与裂纹扩展过程耗能,以前者耗能方式为主,并给出了比能量吸收率的计算公式;得到了应力波传播示意图,研究分析了靶板平面应力波传播规律;微观下对特征粒子运动状态进行PD分析,得到了特征粒子速度曲线;获得了靶板总体损伤程度与子弹冲击速度的关系。
  (3)采用PD方法模拟柱形平头弹撞击不同厚度靶板时陶瓷锥的形成过程,结果发现陶瓷锥现象明显;并且陶瓷锥形成与内部应力波传播具有相关性,对陶瓷锥与应力波之间的相互作用机制做出了分析与讨论,同时发现了模拟过程中靶板厚度对陶瓷锥角的影响。
  (4)进行了弹丸在不同位置偏心入射陶瓷靶板的数值模拟,研究弹丸在不同着弹点入射时靶板破坏过程,得出不同着弹点时靶板破坏形貌;分析偏心位置对靶板破坏程度的影响;对弹丸剩余速度进行分析,得到靶板抗弹防护性随着着弹点偏心距的增加而减弱。
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