仿生陶瓷复合材料的结构设计与抗弹性能分析毕业论文

 2020-04-08 02:04

摘 要

陶瓷/金属复合装甲中,陶瓷面板在受到冲击时,由于其硬度高会对弹体进行侵蚀,同时会在拉压应力共同作用下形成陶瓷锥耗散子弹的动能;而具有较高韧性的金属背板则对陶瓷面板起到支撑作用,通过塑性变形吸收子弹的动能。因此陶瓷/金属复合装甲比均质钢装甲具有更好的抗弹性能。国内外学者对于这种结构进行了大量的研究,包括梯度复合装甲的抗冲击性能,并据此对复合靶板结构进行优化设计[1]

随着仿生学的兴起,人们对于自然界中优秀的生物“装甲”产生了兴趣,从微观和细观层面研究了自然界中生物装甲的结构特点[2]。研究发现弱界面层对结构抗冲击性能具有重要作用,据此提出“简单组分,复杂结构”的设计理念。

本文采用有限元数值模拟的方法,研究了仿生陶瓷/金属复合装甲中,陶瓷面板厚度变化,陶瓷单元排列方式以及陶瓷单元特征尺寸对其抗弹性能的影响,具体研究工作如下:

1.保持单层陶瓷面板厚度和陶瓷单元特征尺寸不变,研究陶瓷单元排列方式对于结构抗弹性能的影响,发现十字形的排列方式拥有更好的抗弹性能。

2.保持单层陶瓷单元排列方式和陶瓷单元特征尺寸不变,研究陶瓷面板厚度配置对于结构抗弹性能的影响,发现厚度配比为1:2:1的结构形式拥有更好的抗弹性能。

3.保持单层陶瓷面板厚度和陶瓷单元排列方式不变,研究陶瓷单元特征尺寸对于结构抗弹性能的影响,发现各层陶瓷单元特征尺寸为窄-中-宽的结构形式拥有更好的抗弹性能。

关键字:仿生、陶瓷复合材料、结构形式、抗弹性能

ABSTRACT

In the ceramic/metal composite armor, when the ceramic panel is subjected to an impact, due to its high hardness, the elastomer will be eroded, and at the same time, the kinetic energy of the ceramic cone dissipating the bullet will be formed under the combined action of the tensile and compressive stress; and the metal having higher toughness The back plate supports the ceramic panel and absorbs the kinetic energy of the bullet through plastic deformation. Therefore, the ceramic/metal composite armor has better resistance to elasticity than the homogeneous steel armor. Scholars at home and abroad have conducted extensive research on this structure, including the impact resistance of gradient composite armor, and accordingly optimized the design of the composite target plate structure [1].

With the rise of bionics, people have become interested in the excellent biological “armor” in the natural world, and studied the structural characteristics of the biological armor in nature from the microscopic and mesoscopic levels [2]. It is found that the weak interface layer plays an important role in the impact resistance of the structure. Based on this, the design concept of “simple components and complex structures” is proposed.

In this paper, finite element numerical simulation method is used to study the effect of ceramic panel thickness variation, ceramic element arrangement, and ceramic element feature size on the elastic resistance of bionic ceramic/metal composite armor. The specific research work is as follows:

1. Keeping the thickness of single-layer ceramic panels and the feature size of ceramic elements unchanged, and studying the effect of the arrangement of ceramic elements on the structural elastic resistance, it was found that the cross-shaped arrangement has better resistance to elasticity.

2. Keeping the arrangement of single-layer ceramic cells and the feature size of the ceramic cell unchanged, study the influence of the thickness distribution of the ceramic panel on the structural elastic resistance, and find that the structural form with a thickness ratio of 1:2:1 has better anti-elastic properties. .

3. Keeping the thickness of single-layer ceramic panels and the arrangement of ceramic elements unchanged, and studying the influence of the characteristic dimensions of ceramic elements on the structural elastic resistance, it was found that the characteristic sizes of ceramic elements in each layer were narrow-medium-wide and had better resistance Elastic energy.

Keywords: Bionics, ceramic composites, structural forms, resistance to elasticity

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本论文研究的目标和主要内容 3

第2章 仿生陶瓷复合材料的结构设计原理 4

2.1 传统陶瓷金属复合材料抗弹机理 4

2.1.1陶瓷材料抗弹机理 4

2.1.2金属材料抗弹机理 4

2.1.3陶瓷金属复合装甲抗侵彻性能 5

2.2 仿生结构设计原理 5

2.3 贝壳式仿生陶瓷复合材料结构设计原理 5

第3章 仿生陶瓷复合材料结构抗弹性能数值模拟 7

3.1 材料模型及参数的选取 7

3.1.1 子弹材料模型及参数 7

3.1.2 粘接层和背板的材料模型及参数 8

3.1.3 陶瓷材料模型及参数 10

3.2几何模型 12

3.2.1 改变陶瓷单元排列模型 13

3.2.2 改变面板厚度模型 14

3.2.3 改变陶瓷单元特征尺寸模型 15

3.3前处理 16

3.3.1 网格划分 16

3.3.2 接触设置 17

3.3.3 非反射边界条件设置 17

3.3.4 初始条件设置 17

3.3.5 求解及输出控制 18

3.4计算结果分析 18

3.4.1 侵彻过程分析 18

3.4.2 陶瓷面板破坏分析 21

3.4.3 金属背板破坏分析 23

第4章 仿生陶瓷复合材料结构设计 26

4.1陶瓷单元排列方式对结构抗冲击性能的影响 26

4.1.1 四种结构的抗冲击过程分析 26

4.1.2 四种结构的抗冲击性能分析 27

4.2单层面板厚度对结构抗冲击性能的影响 28

4.2.1 三种种结构的抗冲击过程分析 29

4.2.2 三种结构的抗冲击性能分析 29

4.3陶瓷单元特征尺寸对结构抗冲击性能的影响 30

4.3.1 三种结构的抗冲击过程分析 31

4.3.2 三种结构的抗冲击性能分析 32

4.4仿生陶瓷复合材料结构抗弹性能总结 32

第5章 总结 36

5.1概述 36

5.2展望 37

参考文献 38

致 谢 40

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

随着当今世界各国国防工业的快速发展。在要求武器装备有超强的攻击性能的同时,也要求其有良好的防护性能,尤其是抗冲击性能。以坦克为例,抗冲击性能良好的装甲是最好的防护。而过度追求装甲的防护性能往往会增加整机的重量,在很多时候将会限制发挥坦克的攻击性能,比如它的速度,最大行程。陶瓷金属复合装甲的快速发展使得现代装甲在提高抗冲击性能的同时又不以牺牲机动性为代价。但是这些年来,传统陶瓷金属复合装甲的抗冲击潜力已经要被发掘殆尽,而各国军队对装甲的综合性能要求却是越来越高。要求相关装备在具有质量轻、强度高、耐磨性好等条件下,还要具有的良好抗冲击性能[3]

但是经过多年的研究,材料学界已经无法从陶瓷基复合材料本身发掘出更优良的力学性能,因为这涉及到生产工艺的问题。

为了解决这些问题,科学家们逐步从对自然界的认识中看到,自然界的生物材料几乎毫无例外地都是简单组分、复杂结构的材料。经过长期的物竞天择,许多生物材料已经形成能够适应各种复杂环境的合理的结构,仅仅通过简单材料组分的复杂组合,就可以获得比同种材料更加优异的特性[4]。比如在贝壳珍珠层中,无机质霰石的含量高达99%,而有机质的含量只有不到1%。但是通过有机质将霰石晶片按特殊的层状结构粘接起来,形成的层状结构复合材料,它的断裂功比纯霰石高出3000倍以上[5]

因此,基于对自然界中一些生物材料的特殊组织结构的启发,在陶瓷金属复合材料的设计和研究中,引入了仿生结构设计的思想,通过“简单组成、复杂结构”的复杂组合,制备具有特殊结构的陶瓷金属复合材料,从理论上也可获得类似生物材料的特性,实现陶瓷金属复合材料的高韧性、抗冲击性能等特性。陶瓷金属复合材料的仿生结构设计,改善了陶瓷材料的脆性本质,在保持陶瓷材料高硬度的同时增强了陶瓷材料的韧性。仿生结构设计主要是仿照生物材料的结构特征, 利用不同结构单元之间的相互作用, 提高材料的断裂韧性和抗冲击能力。陶瓷金属复合材料的仿生结构设计思路如下:(1) 简单组成、复杂结构;(2)引入弱界面层,使得裂纹在弱界面层中反复偏折,消耗大量的断裂能。

本文打算采用简单的仿生学知识,设计出抗弹性能可能比传统陶瓷复合材料更好的仿生陶瓷复合材料结构形式。传统的陶瓷复合装甲的结构和夹心饼干结构差不多,面板是硬度和强度较高的陶瓷材料,背板是韧性较好的合金钢,中间由环氧树脂进行填充。陶瓷复合装甲的抗弹机理是利用高硬度的陶瓷侵蚀、钝化和碎裂弹体,降低弹体的侵彻性能,以及利用陶瓷材料碎裂后形成的陶瓷锥吸收弹体的冲击动能、传递冲击载荷,改变背板的破坏形式,增大背板的破坏程度。当装甲受到弹体的高速冲击时,面板的陶瓷会被撞碎,并且使得子弹受到磨损。当子弹到达背板时,由于背板有较高的断裂韧性,可以吸收子弹的剩余动能。而通过对陶瓷金属复合材料的陶瓷面板的复杂结构设计,希望得到在不增加材料设计和制备难度的前提下,得到抗弹性能更好的陶瓷金属复合材料结构。

随着计算机软硬件技术的发展,大型的数值分析软件越来越完善和成熟,也越来越成为工程应用中不可缺少的工具[6]。对于陶瓷金属复合材料的设计,如果不依靠计算机软件而是只进行实验设计,将会花费很高的成本。而通过计算机软件,可以保持相对符合真实工况,尤其是应用已经得到实验验证的材料模型,比如J-C模型,J-H2模型。在计算机上对材料结构进行多次设计,对其抗冲击能力进行多次计算分析,根据分析结果可以进一步进行优化设计,从而可能得到抗弹性能更好的陶瓷复合材料。

1.2 国内外研究现状

多年来,陶瓷金属复合装甲已经应用于实际的军事装备,比如坦克的装甲。对于它的理论,实验,模拟研究都已经非常多[7]。人们更多的利用计算机软件,尤其是显示动力学软件LS-DYNA,对复合材料进行侵彻分析,研究其相关的性能。

侯海量等探讨了轻型陶瓷复合装甲抗弹机理,采用弹道冲击试验研究了高速破片冲击下轻型陶瓷/金属复合装甲的冲击响应,对弹体、陶瓷面板及金属背板的破坏现象进行了物理描述和唯象分析,指出了陶瓷面板和金属背板的破坏模式,分析了陶瓷/金属复合装甲的弹道吸能机理及抗弹性能。张晓晴采用改进的SHPB实验方法研究了陶瓷的动态力学性能[8]。Woodward R L描述了有限区域和无限区域的陶瓷靶被尖锐和钝的射弹穿孔的实验,并且在碎裂程度增加和陶瓷韧性降低之间建立了相关性。实验表明与无约束目标相比,陶瓷的前限制导致更大的整体碎裂,然而更少的非常精细的碎片产生用于受限目标[9]。限制的效果可以根据穿孔期间的加载和应力释放的简单模型来定性地解释。在那些陶瓷强度本身不足以在冲击时使尖端断裂的情况下,使用钝头射弹会增加碎裂程度。高比例的抛射体冲击动能被重新分配为残余动能喷出陶瓷碎片。对于较低强度的陶瓷,陶瓷的弹道效率随着硬度而增加。同时弹道效率与陶瓷强度无关。

同时随着仿生学知识的发展,人们对于仿生结构材料的研究也日渐兴起。从天然生物材料的纳米尺度的结构特点出发,揭示了生物材料具有高强度和刚度的原因。发现大纵横比和交错排列的矿物血小板是使得生物材料拥有较大刚度的关键。生物纳米结构的张力剪切链(TSC)模型揭示了生物材料的强度取决于优化矿物晶体的拉伸强度。并且推导出蛋白质—矿物纳米结构的粘弹性性质,这种粘弹性性质表明生物复合材料的韧性可以被蛋白质的粘弹性进一步增强。Ben Achrai 主要研究了乌龟的背壳的结构特点[10]。发现背壳的顶部已经演变成可承受各种高压力的真皮装甲。文章回顾了乌龟的多尺度结构层次甲壳及其相应的力学性能。展示了甲壳的微观特征如何决定了其相关的各种对于宏观力学响应的保护功能,包括在动态(冲击和循环)压缩和弯曲加载下的情况。也讨论了甲壳动力设计在抗冲击材料中(比如陶瓷复合装甲)的应用中可能具有的优势,及力学原理对于其应用于抗冲击材料结构设计时的理论解释。

1.3本论文研究的目标和主要内容

本文研究的目标是运用仿生结构设计原理,结合材料和相关金属材料的力学性能,采用子弹冲击仿生陶瓷复合材料靶板的方式,设计一种抗冲击性能较好的仿生陶瓷金属复合材料结构。结合实际的工程需求,在保持良好的抗冲击性能的前提下,设计的基本要求需满足:

1.保证靶板的厚度不能太厚。如果靶板太厚,运用到实际结构上之后(比如坦克),就会缩减坦克的内部空间,不利于坦克的整体性能。因此设计时应控制整个靶板的厚度在1.7cm以内。

2.保证靶板的面密度不能太高。出于实际工程应用的考虑,尽量提高工程结构的轻量化性能,提高结构的整体性能,比如坦克的机动性。因此设计时应控制靶板的面密度在8g/左右。

在满足上述两个要求的前提下,本文设计了三类共十种仿生陶瓷复合材料结构,对每一种结构进行抗弹性能分析。采用数值模拟的方式,运用ANSYS/LS-DYNA软件模拟子弹对靶板的侵彻响应。在LS-DYNA的后处理软件LS-Prepost软件里提取后处理结果,通过分析不同工况下子弹的剩余速度、加速度和动能,以及靶板的破坏形式,研究得到各类结构里面最好的结构形式,并研究各类结构的优势互补,以期得到具有更好好抗冲击性能的仿生陶瓷复合材料结构。

第2章 仿生陶瓷复合材料结构的设计原理

2.1 传统陶瓷金属复合材料抗弹机理

2.1.1陶瓷材料抗弹机理

陶瓷材料在子弹的冲击下,会发生复杂的损伤,碎裂过程。它的冲击响应过程比金属更复杂,也是陶瓷金属复合装甲在子弹冲击下失效的关键。学者们分别从理论、实验和数值模拟三个方面对陶瓷的抗冲击机理进行了研究。

陶瓷面板受到冲击的瞬间,在子弹和陶瓷面板接触面产生应力集中,接触面处的压缩应力很大,使接触面处的陶瓷迅速破坏,压缩应力沿着子弹的轴向传递,使得陶瓷产生轴向裂纹,拉压应力共同作用下形成陶瓷锥。陶瓷是典型的脆性材料,形成的陶瓷锥也具有较高的抗压强度。陶瓷锥的破碎还可以吸收子弹的动能,因此撞击区的陶瓷破碎的越彻底,吸收的子弹动能越多,靶板对子弹的阻碍效果越好。陶瓷锥的破坏过程主要分为3个阶段:

1.陶瓷面板受到子弹冲击,接触区压应力迅速增加,并且沿着子弹轴向向面板传递压缩波。压缩应力大于陶瓷材料断裂强度,因此接触区陶瓷材料发生破碎。

2.当压缩应力波到达陶瓷面板背面时,由于金属粘接层的存在,两种材料的阻抗不同,压缩应力波将被反射,在陶瓷面板的背面产生拉应力。陶瓷作为一种典型的脆性材料,抗拉强度远小于抗压强度,陶瓷材料将在拉应力作用下产生层裂裂纹。

3.在冲击应力波的作用下,沿着应力波的传播路径,陶瓷材料将不断发生损伤,损伤累计产生裂纹。损伤裂纹区域与面板受撞击区域逐渐连成一体,最终形成完整的陶瓷锥。同时陶瓷面板背面也会产生径向和环向裂纹。

从实验和数值模拟结果可以得出结论,陶瓷锥的形成和破碎对子弹有极大的阻碍作用,有利于提高陶瓷/金属复合靶板的抗弹性能。

2.1.2金属材料抗弹机理

本文共选取了两种金属材料。铝合金材料用于单层陶瓷面板中陶瓷块间的粘接,以及陶瓷面板层与层之间的粘接。E304钢作为背板,对陶瓷材料起支撑作用,因其高韧性,还可以吸收子弹的剩余动能。

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