SiC_PAl功能梯度装甲板抗侵彻性能的试验与数值模拟
步枪弹侵彻带软硬复合防护明胶靶标的数值模拟
步枪弹侵彻带软硬复合防护明胶靶标的数值模拟
作者：罗少敏， 徐诚， 陈爱军， 张晓云， 刘苏苏， LUO Shao-min， XU Cheng， CHEN Ai-jun， ZHANG Xiao-yun， LIU Su-su
作者单位：罗少敏,徐诚,张晓云,刘苏苏,LUO Shao-min,XU Cheng,ZHANG Xiao-yun,LIU Su-su(南京理工大学机械工程学院,江苏南京,210094)， 陈爱军,CHEN Ai-jun(南京理工大学理学院,江苏南京,210094)
刊名：
兵工学报
英文刊名：Acta Armamentarii
年，卷(期)：2014,35(8)
引用本文格式：罗少敏.徐诚.陈爱军.张晓云.刘苏苏.LUO Shao-min.XU Cheng.CHEN Ai-jun.ZHANG Xiao-yun.LIU Su-su步枪弹侵彻带软硬复合防护明胶靶标的数值模拟[期刊论文]-兵工学报 2014(8)。
激光快速成形TC4-Ni60A梯度功能涂层的试验研究
激光快速成形TC4-Ni60A梯度功能涂层的试验研究田凤杰;宋建新【摘要】为了提高TC4合金表面硬度,增加耐磨性,实现熔覆层间材质的渐变过渡,采用CO2激光在TC4合金表面进行了TC4-Ni60A梯度涂层的熔覆强化处理,研究分析了强化层微观组织和硬度的变化.结果表明,采用适当的成形工艺参数,可在钛合金表面制得连续、均匀、无裂纹和气孔的熔覆层,熔覆强化层材质呈现明显的梯度变化；成形层之间形成了起伏交错的锯齿状界面,均形成了良好的冶金结合；熔覆层硬度平稳过渡,梯度渐变特征良好,最外层的显微硬度可达1140 HV,明显地提高了TC4合金的磨损性能.【期刊名称】《制造技术与机床》【年(卷),期】2013(000)010【总页数】4页(P26-29)【关键词】激光熔覆;钛合金;功能梯度涂层;显微组织;显微硬度【作者】田凤杰;宋建新【作者单位】沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳110159;沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳110159【正文语种】中文【中图分类】TN249钛合金具有低密度、高比强度、小热膨胀系数、优异的高温力学性能和耐蚀性能等优点，在航空、航天、冶金、化工等工业部门具有重要的应用价值和广阔的应用前景。
但钛合金具有摩擦系数大、耐磨性差、高温高速摩擦易着火等缺点，严重制约了其应用［1－2］。
表面强化是提高钛合金耐磨性能的有效途径。
传统的钛合金表面强化方法主要有化学热处理、化学镀、热喷涂、气相沉积等，但这些方法或由于受固态溶解度小以及扩散速度慢的限制，或由于受涂层与基体结合力弱的限制，效果常常不理想。
大功率激光器的开发和工业应用，为钛合金材料表面改性提供了新的手段［3－6］。
尽管激光熔覆层具有高的耐磨性能，但在激光熔覆层与基材之间的结合界面的脆性阻碍了其工业应用［7］。
本文采用高功率CO2激光器在TC4合金表面熔覆质量比不同的TC4－Ni60A功能梯度强化层，并对熔覆成形层的微观组织结构和硬度进行了分析和测试，旨在为提高钛合金的耐磨性能提供技术途径。
SiC纤维增强钛基复合材料界面强度研究进展
测出埋入纤维的长度三和纤维直径卉，然后由公式（１）
计算纤维的脱粘力ｆ。
ｆ：旦
（１）
耐。，
ｆ一坐 平均断裂长度，，根据公式（２）计算界面剪切强度ｔ。
ｑ
… ｆ，、
２三。
式中，西为纤维直径，三。为纤维临界长度，％是纤维
断裂强度。
２．３ 纤维顶出试验（ｐｕｓｈ．ｏｕｔ）【２１，２２】 纤维顶出试验是新近出现的测量复合材料界面强
界面层模型设定界面具有不同于基体与纤维的热 机械性能，并有一定厚度。Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ［２５】等人用界面层 模型预测出金属基复合材料横向弹性性能。该模型需
万方数据
旦一 三， ＋
≥
，． 一／
＼、●●／ ／，●●一／ ＼、●●，／
（４）
其中，∥是抵制裂纹扩展的法向强度，，是剪切强度，
诉为压应力。Ａｎａｎｔｈ等人【１２］用二次应力失效准则分析 得出ｓｉＣ／Ｔｉ一１５．３复合材料在室温界面抗剪切强度为 ４００ＭＰａ。
重分析了微观实验测试技术与数值模拟技术存在的问题，指出了界面强度定量研究的发展方向。
关键词：钛基复合材料；ＳｉＣ纤维；界面强度
中图法分类号：ＴＧ １４６．４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２．１８５ｘ（２００７）０６—０４—１１１５
碳化硅纤维增强钛基复合材料（ＳｉＣｆ／Ｔｉ）具有使 用温度高、比强度高、比刚度高、抗蠕变、抗疲劳性 能好等优异特点，在航空、航天领域具有广泛应用前 景。要获得良好性能的钛基复合材料，界面问题是关 键。界面是基体与增强物之间化学成分有显著变化、 构成彼此结合、起载荷传递作用的微小区域。在界面 微观机械性能中，界面强度对复合材料宏观性能的好 坏起决定性的作用【１￣３１。如界面强度较低，复合材料在 受力断裂过程中，纤维容易发生脱粘、拔出，吸收断 裂能，从而提高复合材料的断裂韧性墨ｃ；而界面强度 高时，基体中裂纹前端的应力集中不能引起纤维脱粘， 裂纹容易贯穿纤维，使纤维断裂。由于纤维断裂吸收 的能量远小于纤维脱粘和拔出时吸收的能量，所以材 料呈现脆性。另外，较高的界面强度对于复合材料横 向强度有利，而在纵向受载情况下，界面层起到阻止 裂纹扩展作用，较低的界面强度比较有利。这就存在 界面优化问题。因此，分析钛基复合材料界面强度的 影响因素、建立定量表征其界面强度的细观测试技术 及数值模拟技术，为建立钛基复合材料界面强度与宏 观性能的联系以及优化界面提供参考数据，对进一步 促进钛基复合材料的开发和应用具有重要的意义。
聚能射流侵彻混凝土靶板的工程计算方法研究
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弹 箭 与 制 导 学 报
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E! 侵彻孔径的计算
当射流侵 彻 混 凝 土 介 质 时 ! 在 碰 撞 点! 射流 粒子与介质作用后 ! 在后续粒 子的作 用 下 将向 四 周流动 ! 此时射流粒子将消耗自身的 能 量 以克 服 靶板阻力 ! 并产 生 一 定 孔 径 " 同时向四周流动的 该离心力所产 生 的 惯性 力 粒子将产生一离心力 ! 将使已形成的孔 径 进 一 步 膨 胀 # 因 此! 最终的孔 径将由两部分组成 ! 一部分是 射流克 服 靶 板阻 力 所产生的孔径 ! 一部分是介质惯性膨 胀 增 加的 孔 径! 总的孔径是这两部分之和 # E+ $! 克服靶板阻力产生的孔径 假设 $ & 混凝土介质为均匀的各项同性的弹塑性 % % 材料 " & 混凝土介质在作用区范围的流动认为是 % ! 不可压缩的 ’ 稳定的 ’ 无粘性的 " & 混凝土介质对流动区的流体压力假设为 % U % ! U ( ) 8? 2(! ! / ! ( 是中 心 切 线 方 向 与 对 称 轴 之 间 ! 的夹角 ! 该压力垂直作用到流体上 ! 4 是向四周流 如图 % 所示 # 动的射流粒子中心线半径 ! % &在 , # S !
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激光冲击强化TC4_钛合金强化层弹塑性本构参数反演分析
第52卷第10期表面技术2023年10月SURFACE TECHNOLOGY·411·激光冲击强化TC4钛合金强化层弹塑性本构参数反演分析王淑娜，伏培林，李嘉伟，张旭，阚前华*（西南交通大学 力学与航空航天学院 应用力学与结构安全四川省重点试验室，成都 611756）摘要：目的获取TC4钛合金激光冲击强化层的弹塑性本构模型参数，结合纳米压痕试验和有限元模拟技术，进行激光冲击强化TC4钛合金的材料参数反演计算。
方法首先，在TC4钛合金试样侧面沿强化层深度方向进行纳米压痕测试，获得距表面不同距离处的载荷-压入深度曲线。
进而，基于幂律应变硬化模型，通过无量纲方程和有限元模拟反演得到激光冲击强化TC4钛合金梯度强化层的弹塑性参数。
最后，将反演获得的弹塑性本构模型材料参数用于有限元模拟，将模拟结果与试验结果进行对比，验证参数反演结果的合理性。
结果强化层表面的弹性模量和纳米硬度较母材分别提高了11%和30%，强化层内的应变硬化指数和屈服强度沿深度方向分别递增和递减。
模拟的载荷-压入深度曲线与试验曲线吻合较好，最大压入载荷、弹性模量和纳米硬度的模拟误差分别小于1%、7%和3%，证实了参数反演结果的合理性。
结论通过无量纲方程反演算法得到的强化层本构参数有较强的可信度。
激光冲击强化可有效提升TC4钛合金的表面力学性能，强化层的本构参数呈梯度分布，表面的抗塑性变形能力大幅提升。
关键词：TC4钛合金；激光冲击强化；纳米压痕；无量纲分析；反演分析；有限元模拟中图分类号：TG146.2+3 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)10-0411-11DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.10.037Reverse Analysis of Elasto-plastic Constitutive Parameters of Strengthening Layer for Laser Shock Processing TC4 Titanium AlloysWANG Shu-na, FU Pei-lin, LI Jia-wei, ZHANG Xu, KAN Qian-hua*(Applied Mechanics and Structure Safety Key Laboratory of Sichuan Province, School of Mechanicsand Aerospace Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China)ABSTRACT: Laser shock processing (LSP) can form a strengthening layer with a gradient structure on the surface of parts, and thus improves the fatigue life. It is of great significance to obtain the elasto-plastic parameters of TC4 titanium alloy after LSP for the fatigue life prediction. However, there are few reports on the determination of elasto-plastic parameters of LSP TC4 titanium alloy. The reverse algorithm combining the nano-indentation experiments with finite element simulation is an effective method to obtain the constitutive parameters of the thin strengthening layer. Therefore, employing the nano-indentation experiments and finite element simulation, the reverse analysis of the LSP TC4 titanium alloy was conducted to determine the收稿日期：2022-09-02；修订日期：2023-03-10Received：2022-09-02；Revised：2023-03-10基金项目：国家自然科学基金（12072295，12192214，11872321）Fund：National Natural Science Foundation of China (12072295, 12192214, 11872321)引文格式：王淑娜, 伏培林, 李嘉伟, 等. 激光冲击强化TC4钛合金强化层弹塑性本构参数反演分析[J]. 表面技术, 2023, 52(10): 411-421. WANG Shu-na, FU Pei-lin, LI Jia-wei, et al. Reverse Analysis of Elasto-plastic Constitutive Parameters of Strengthening Layer for Laser Shock Processing TC4 Titanium Alloys[J]. Surface Technology, 2023, 52(10): 411-421.*通信作者（Corresponding author）·412·表面技术 2023年10月elasto-plastic parameters. First, the nano-indentation experiments of the LSP TC4 titanium alloy specimen were carried out based on the Nano indenter G200 nano-indentation experimental apparatus with the Berkovich diamond indenter, and the indentation depth of 1 000 nm was set by the displacement-controlled method. Then the nano-indentation experiments were carried out on a single side of specimen along the depth direction of the strengthening layer, and the corresponding load-displacement curves at different distances from the surface were obtained. Subsequently, the distributions of elastic modulus and nano-hardness along the depth direction of the strengthening layer were obtained after using the Oliver-Pharr method to determine the unloading stiffness and the reduced modulus from the unloading curves. Then, following the power-law strain hardening assumption, the yield stress and strain hardening index of the surface strengthening layer were determined by numerically solvingthe dimensionless equations of the representative stress, the ratio of plastic work to total work, and the ratio of residual depth to pressing depth, respectively. Therefore, the elasto-plastic parameters of the surface strengthening layer of LSP TC4 titanium alloy were obtained. Finally, the elasto-plastic parameters obtained by the reverse analysis were introduced toa two-dimensional axisymmetric nano-indentation finite element model. The effectiveness of the reverse analysis was verifiedby comparing the simulated results with the corresponding experimental results, which took into account the load-displacement curves as well as the variations of elastic modulus and nano-hardness with the distance from the surface. The obtained results showed that the elastic modulus, nano-hardness, yield stress and hardening index possessed a varying distribution along the thickness direction of the strengthening layer (about 300 μm). The surface elastic modulus, nano-hardness and yield stress of the strengthening layer reached 121.2 GPa, 5.0 GPa and 1 396.4 MPa, which were 11%, 30% and 55% higher than that of the substrate, respectively. However, the strain hardening index increased gradually along the depth direction, and the index at the substrate and the surface of the strengthening layer were 0.252 and 0.167, respectively. Additionally, the simulated load- displacement curves agreed with the experimental curves well, and the relative errors of the maximum load, elastic modulus and nano-hardness were less than 1%, 7% and 3%, respectively, demonstrating the effectiveness of the reverse analysis. The calculated results could be great helpful to the fatigue life prediction and the further optimization of LSP process parameters.KEY WORDS: TC4 titanium alloy; laser shock processing; nano-indentation; dimensionless analysis; reverse analysis; finite element simulationTC4钛合金（Ti-6Al-4V）因具有比强度高、耐热性高、耐蚀性好、密度小等特点而广泛应用在船舶、航空航天、车辆工程、生物医学等[1-6]领域。
防弹功能梯度装甲材料结构优化设计及仿真
第29卷 第1期 四川兵工学报 2008年2月理论与探索*收稿日期:2007-08-20作者简介:焦丽娟(1974 ),女,硕士,工程师,主要从事坦克装甲车辆防护技术研究.防弹功能梯度装甲材料结构优化设计及仿真*焦丽娟,李 军(中国北方车辆研究所,北京 100072)摘要:提出了一种 按照强度从小到大的材料铺层顺序 的方法来构造防弹用功能梯度装甲材料.计算机仿真计算表明,这种按照 从软到硬 、材料强度沿厚度呈线性梯度变化的铺层顺序制备的功能梯度装甲材料,较传统的 从硬到软 的铺层顺序构造的功能梯度装甲材料,抗侵彻能力更强.关键词:功能梯度材料;侵彻;装甲中图分类号:TG142.7 文献标识码:A 文章编号:1006-0707(2008)01-0066-04功能梯度材料(FGM )是20世纪80年代开始出现的一种新型功能材料,它是由2种以上不同性能的材料混杂构成的一种复合材料.随着功能梯度材料的巨大潜在应用被发现,功能梯度材料受到了广泛的研究.在武器装备的防护领域中,功能梯度材料作为一种新型的抗弹材料正在崛起,并日益受到防护工程技术研究人员的注意和重视.现代材料研究体系包括4要素:材料的固有性质、材料的结构与成分、材料的使用性能和材料的合成与加工.功能梯度材料的设计有别于传统的材料研究方法,它主要是根据实际使用条件,通过计算机辅助设计系统,对材料进行组成和结构的梯度分布以及最佳材料组合设计,选择最适合的材料组配.功能梯度材料的前期优化设计是保证其良好使用性能的前提.表征特种装甲材料抗弹性能的主要变量因素是硬度和屈服强度.功能梯度装甲材料优化设计的目的是为了得到硬度或者强度沿梯度方向的合理分布和铺层材料层彼此之间的合理匹配,从而得到最佳的功能梯度装甲材料抗弹特性.在功能梯度材料的实际制备中,要得到在厚度方向上连续的材料成分往往很难.美国的M.F ion t 等人的研究表明,梯度材料中成分变化比较小的梯度跳跃对热应力不产生明显的变化,因此,在工程应用中,往往采用多层成分阶梯型变化来代替连续变化(在同一层之间成分相同).由于梯度材料内部的应力水平主要依据梯度层的组成和结构,故对于不同的组成和结构,材料会产生不同程度的径向、环向和层间撕裂等破坏形式.所以,通过优化设计梯度材料的组成分布来控制各种破坏形式就显得尤为重要.采用多层成分呈阶梯型变化的功能梯度材料,其残余应力与层数有密切关系.K.S .Ravichardran 等人通过对金属和陶瓷直接联结以及金属之间多层梯度联结(3,11层)的残余应力进行比较,发现:要获得低残余应力的梯度材料需要的层数较多(通常要大于11层),梯度层层数增加后,成分梯度变化减小,层间热应力得到缓和.本研究就是针对多层的成分阶梯型变化的铺层功能梯度材料.1 功能梯度装甲材料的新型优化设计结构通常用作防弹装甲的功能梯度材料,将硬度和强度最大的材料层作为迎弹面层,如陶瓷-金属功能梯度复合装甲材料,就是将陶瓷作为最外层,而将金属作为背面层.这样做的目的是由于陶瓷具有高硬度、高强度、高弹性模量等特点,具有良好的抗侵彻性能,而金属具有高韧性、高抗拉性能及高的塑性变形能力,能够提高装甲材料吸收能量及抗断裂、破裂、层裂以及崩落的能力,从而获得最佳的防护.然而国外的H auver等研究人员通过试验发现,将软材料层作为迎弹面板,而将硬材料层(陶瓷层)作为背板构成的功能梯度材料,较之单纯的陶瓷装甲靶板,抗弹性能有很大的提高.研究人员对该现象作出了解释:当弹丸首先撞击软材料时,和软材料的作用过程可以被认为是在陶瓷受作用前弹丸的一个短暂 停留现象 ,该现象可以导致软材料层在卸载梯度材料内较早产生的拉伸波,从而在一定程度上阻止了弹丸对背面陶瓷造成强烈的冲击载荷,因而也就进一步提高了陶瓷的抗弹能力,从而从整体上提高了梯度装甲材料的抗弹性能.这个发现表明,依据常规的将最硬的材料作为梯度装甲板迎弹面的设计思想,可能还存在着一定的局限性,也许并不能获得最佳的靶板抗弹性能.采用将较软的材料作为梯度装甲的迎弹面层,较硬的材料作为梯度装甲的背板层,即梯度装甲靶板按照从软到硬的顺序铺层,可能会获得更好的抗弹性能.这就诞生了一种新的设计观点.本研究就对这种设计观点进行仿真和验证.设计一种新型的梯度装甲材料,通常需要考虑的问题有:对于材料的强度、韧性、延展性和密度,哪一个参数作为主要的梯度铺层参数才能获得最大的弹道防护性能?采用哪个参数去表征梯度装甲材料的防弹能力?是弹丸在均质后效装甲板中的侵彻深度(DOP)还是弹丸穿过梯度装甲板(或者穿透每一个铺层材料)之后的剩余长度和速度,或者是用来抵抗某种侵彻弹丸需要的梯度装甲的总重量?本研究的结构设计中采用以强度为梯度铺层的参数,并且用弹丸在位于梯度装甲板后面的后效均质装甲板中的剩余侵彻深度,来作为衡量梯度装甲材料抗弹性能优劣的标准.由于本研究的主要目的是验证梯度装甲材料按照强度 从软到硬 的铺层顺序来提高抗弹性能的可行性,因此,为了便于问题的研究,铺层材料采用常规的装甲钢,各个铺层的厚度相同,而且每一铺层厚度装甲钢的强度是均质的,相邻两层之间的强度不同,但差值是相同的,按照强度从小到大的顺序来构造多层的,强度呈线性阶梯型变化的梯度装甲材料.令要制备的梯度装甲材料的厚度为一定值,则根据铺层数的不同可以得到不同的梯度装甲材料,这是由于铺层的数量不同,梯度装甲材料中的应力分布也是不同的.设整个梯度装甲由12个铺层构成,强度级数分别为2,3,4,6和12的情况.用Johnson-Cook黏塑性变形准则去表示塑性区的塑性大变形,即材料的属性以Johnson-Cook模型来定义.当按照Johnson-Cook模型来定义材料的属性时,在弹丸撞击装甲板过程中装甲板材料内所产生的动态应力可表示为:=A+B n1+C *1-T*m其中:A,B,C,m,n都是常数; 是有效的塑性应变; *是有效的塑性应变率;T*代表同系温度.对于硬质钢装甲来说,仅仅改变参数A就可以表示不同强度级数的梯度钢装甲.例如,当A= 0.62Gpa时,表示的就是152.4mm厚的均质钢装甲.仿真计算用Johnson-Cook模型来表示152.4mm厚度的均质钢装甲的模型参数如下.表1 152.4mmRHA的Johnson-Cook模型参数A/Gpa B/Gpa C m n T*/ev0.621.6854.35E-30.8000.7540.153460.294 对于用钢装甲铺层为2级强度的功能梯度材料,按照 从软到硬 的顺序,从外层到内层的屈服应力分别取为A1=0.62Gpa和A2=67焦丽娟,等:防弹功能梯度装甲材料结构优化设计及仿真1.38Gpa ;对于大于2级强度的功能梯度材料(如3,4,6和12级),层与层之间强度的差值定为是相等的,如图1所示.{图1 不同强度级数的功能梯度钢装甲材料2 仿真计算结果采用John son -Cook 模型来表示材料的属性,并用高斯状态方程来描述材料的变形膨胀.选用长径比L /D =10的半球形钨合金弹丸撞击152.4mm 厚的功能梯度钢装甲板(功能梯度装甲板是用不同强度的钢板进行铺层的,层间的强度差值相等,强度级数分别为2,3,4,6和12).弹丸的初始侵彻速度为1300m /s ,分别计算了弹丸按照强度 从硬到软 和 从软到硬 2种铺层方向入射的侵彻情况.计算结果如图2所示图2 梯度装甲钢材料强度呈线性分布的侵彻结果从仿真计算结果(图2)可以看出,沿弹丸侵彻路径,装甲钢材料按照强度从软到硬的铺层顺序比按照从硬到软的铺层顺序所构成的装甲钢梯度材料,能提供更好的防护效果.同时图2也表明,当强度级数大于4(包括4)时,强度级数的增加对于装甲钢梯度材料的防护效果作用不大.这主要是和计算中采用组件的尺寸有关,和铺层数目无关.4级强度的情况如图3所示图3 仿真计算4级强度的分级和参数的问题描述侵彻体的尺寸决定了组件的尺寸,一旦确定了侵彻体的尺寸和撞击速度,考虑到要有足够的防护余量,则整个梯度结构板的厚度就确定了.当弹丸的长度L =78.1mm,直径D =7.81mm 时,梯度材料板的整个厚度T 为31.75mm,当铺层数目为12时,每层的厚度t n =2.64583mm.每层的厚度非常接近于弹丸直径68四川兵工学报的三分之一,因此,在这种12个铺层、4级强度的功能梯度材料的模拟仿真中,得到的结论是:沿着侵彻路径,强度级数在小于侵彻体直径范围内增加,对于梯度材料板最后的防护效果影响甚微.3 侵彻弹丸头部形状的影响作用分析本研究的仿真计算采用的侵彻体是半球形的,为了研究侵彻体头部形状的变化对梯度材料按照强度从软到硬(从弱到强)铺层顺序的防护效果的影响,分析了一种极端的情况,即采取同半球形弹丸直径相同、质量相等,但长度略短、头部形状为钝头的侵彻体来进行仿真计算,最后得到的剩余侵彻几乎同半球形弹丸的结果一样,这表明,侵彻体头部几何形状的改变对梯度材料板的防护效果几乎没有影响,按照从弱到强的连续铺层构成的功能梯度材料依然具有良好的抗弹性能.图4 锥形头部弹丸侵彻双硬度装甲钢板的侵彻效果对比为了进一步对上述结论进行验证,还研究了另外一种极端的情况,即用一个具有锥形头部形状的穿甲弹,去侵彻双硬度装甲钢板.装甲钢板原来是均质的高强钢,对其局部做了硬化处理,从而在整个厚度范围内产生了2级强度.装甲板的总厚度为15mm,其中60%厚度具有较高的硬度,而40%厚度具有较低的硬度,侵彻体的撞击速度为853m /s .模拟结果表明,对于硬度较低的一侧作为迎弹面的双硬度装甲钢板,较之硬度较高的一侧作为迎弹面的双硬度装甲钢板,侵彻体在其内的侵彻深度小于后者,如图4所示.这再一次证实了软材料(强度较低的材料)在前的功能梯度材料在抗弹性能方面的优越性.对于软材料在前的功能梯度材料结构,其弹道极限速度要高于硬材料在前的结构.本研究通过对常规装甲钢材料按照强度呈线性梯度铺层构成的梯度板进行侵彻计算,结果表明:按照 从软到硬 的强度铺层顺序构成的梯度装甲板,较传统的按照强度 从硬到软 的铺层结构进行的功能梯度材料的设计,具有良好的抗弹性能,能够对侵彻弹丸提供更好的装甲防护.因此,对于将功能梯度材料应用于装甲系统,沿侵彻路径,材料强度铺层的顺序是一个非常重要的考虑因素.同时也得出了在小于侵彻体直径的条件下,沿着侵彻路径的强度级数的更多变化对最后防护效果的影响很小.由于本研究的结论仅限于钢材料对于其它抗弹材料,如陶瓷、铝合金等,还需要进一步的研究和验证.功能梯度装甲材料目前正处于研究、开发和试制阶段,功能梯度装甲材料无论在基础理论上,还是在各方面应用中,都有着广阔的领域等待探索.参考文献:[1] H auv er G E ,P H N ether w ood ,R F Benck ,e t a.l En -hanced Ba llistic Performance of Ce ra m ics [C ]//Pro -ceed i ngs o f the 19t h A r m y Science Conference .O rlan -do :FL,1994:20-24.[2] Seg letes S .Pr i va te communicati on U.S .A r m y R esearchL aborato ry[M ].U S :A be rdeen P rov ing G round ,1999 [3] 赵军.功能梯度材料的发展及展望[J].材料导报,1997(8):57-60.[4] 王引真.功能梯度材料的研究动态[J].机械工程材料,1997(8):35-37.69焦丽娟,等:防弹功能梯度装甲材料结构优化设计及仿真。
间隙对A3钢薄板抗卵形头弹侵彻性能影响的实验研究
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钢破片侵彻靶板弹道极限速度研究
大学硕士研 究生 ， 究方 向： 研 飞行 器 总体 设计 。Ｅ ｍ ｉ：ｉｔ ｎ １ — ａｌｘ ｉ ５ ７ ｎａ
＠ １３ ｏ 。 ６ ．ｅ ｍ
通信作者 简介 ： 韩
庆（ ９ ９ ） 男 （ １６ 一 ， 汉族 ） 山东人 ， ， 西北 工业大
学飞行器设计专业 副教 授 ， 硕士 研究 生导师 ， 究 方 向： 研 飞机综 合
失 效 塑性应 变 与最 大静水 压 判 据 ， 数 学描述 为 其
＝
［ ＋ ｅｐ ３ ］ １＋Ｄ ｌｅ ［ Ｄ ］ Ｄ１ Ｄ２ｘＤ Ｏ ［ ｒ ４ ］ １＋ ５ ｎ
（） ２
式 （） ２ 中 为失 效 应 变 ； ＝Ｏ ／ 即平 均 压 力 与 ｒ Ｏ ｒ
等效 压力 的比值 ； 、 Ｄ 、 和 Ｄ Ｄ。Ｄ 、 Ｄ 为材 料参 数 。 对 于 破 片 材 料 ， 冲 击 钢 靶 板 时 ， 为 破 片 的 在 因
１ 破 片ห้องสมุดไป่ตู้彻靶板模 型
１ １ 材 料模 型 ．
侵彻 过 程 是 在 高 应 变 率 以及 高 温 情 况 下 进 行
的 ， 其 对 于钢 、 这 样 的韧 性 材 料 ， 尤 铝 就更 需 要 考 虑
应变 率 变化 以及 温度 对材 料 性 能 的影 响 ， Ｌ －Ｙ 而 ＳＤ — Ｎ Ａ提 供 了一 种 特 别 的材 料 模 型 ｊｈ ｓｎｃｏ ， 能 ｏｎｏ ．ｏｋ 它 反应 材 料在 高应 变 率 记 忆 高温 情 况 下性 质 的变 化 ， 而且 自带 有状 态方 程 ， 因此两 种 靶板 都 要使 用 ｊｈ一 ｏｎ
数据 ， 但要保证其模型计算的准确性 。 现 利用试 验与数值模 拟相结合 的方法 ， 先建 立 首
有 限元模 型进行 数 值模 拟计 算 ， 后设 计 试验 ， 比 然 对 试验 结果 与数值模拟 计算结果 ， 如果误 差在 允许 范 围 内， 则认 为该 模型是 正确 的 ， 结果是 可信 的。 计算
功能梯度热障涂层热震表面裂纹_柳彦博
功能梯度热障涂层热震表面裂纹柳彦博,王全胜,王富耻,马 壮,李东荣(北京理工大学材料科学与工程学院,北京100081)摘 要:作为发动机热端部件上使用的功能梯度热障涂层,其热震性能的好坏直接关系到涂层的使用寿命,涂层内部的裂纹在热震环境下的变化是影响其热震性能乃至使用寿命的直接因素。
采用YSZ与NiCr CoA lY等离子喷涂制备了功能梯度热障涂层试样,采用扫描电子显微镜对不同次数热震后的涂层表面不同位置进行了观察比较。
结果表明,随试样位置及热震次数的不同,表面裂纹存在显著不同;除主裂纹外,会产生二次裂纹;主裂纹与二次裂纹的宽度存在差异。
关键词:功能梯度;热障涂层;热震;表面裂纹;等离子喷涂;隔热中图分类号:T G166 文献标识码:A自20世纪80年代,功能梯度材料出现之后,因其具有普通均质材料所不具备的优越物理化学性能而迅速成为世界各国材料研究的焦点之一。
采用等离子喷涂技术制备的热障涂层(TBCs)已在热机中获得广泛使用。
在实际应用中,热障涂层最显著的特性是要求他在热冲击作用及恶劣工作环境下的耐久性能[1]。
热障涂层强调的是隔热能力,而功能梯度材料强调的是从陶瓷到金属的梯度变化,从而实现热学、力学、电学性能的梯度变化,将二者的设计概念结合起来,即可得到既具有较强隔热性能又能大幅度缓和热应力的梯度复合涂层结构[2]。
对于热障涂层而言,其抗热震性能是非常重要的性能指标,决定着该涂层的使用寿命。
研究发现,导致热障涂层失效的因素有很多,其中主要包括:热应力、涂层制备时的残余应力、ZrO2相变及高温氧化等[3]。
热障涂层的失效形式多种多样,有的在涂层表面出现龟裂裂纹,有的出现局部剥落、层间剥落等,其中,大多数失效的根本原因是涂层中的裂纹扩展造成的。
控制涂层中裂纹的扩展即可提高涂层的使用寿命,因此,热震环境下涂层裂纹的研究成为重点。
在热障涂层的裂纹中,表面裂纹会对涂层隔热能力及使用寿命产生很大影响,研究热震条件下涂层表面裂纹扩展的情况及其机理,对涂层设计及制备具有重要意义。
多层异质陶瓷复合靶板抗侵彻试验及数值模拟
多层异质陶瓷复合靶板抗侵彻试验及数值模拟高华;熊超;殷军辉;邓辉咏;王绪财【摘要】为研究结构形式及泡沫铝夹芯对多层异质陶瓷复合靶板抗侵彻性能的影响,根据DOP试验方法,利用14.5 mm穿甲弹对4种不同结构多层异质陶瓷复合靶板进行侵彻试验研究,通过数值仿真对4种结构靶板抗侵彻性能进行模拟,验证模型的正确性,并分析泡沫铝厚度对复合装甲结构抗侵彻性能的影响.结果表明:10 mm 陶瓷+10 mm芳纶+6 mm 616装甲钢的防护性能最优,泡沫铝夹芯结构有助于减小陶瓷板损伤面积,提升抗多次打击能力;装甲钢作为芳纶支撑板,有助于增加弹丸侵彻阻力;泡沫铝厚度对靶板防护性能影响显著.【期刊名称】《火炮发射与控制学报》【年(卷),期】2019(040)001【总页数】6页(P89-93,98)【关键词】爆炸力学;复合结构;泡沫铝;DOP试验;抗弹性能;数值模拟【作者】高华;熊超;殷军辉;邓辉咏;王绪财【作者单位】陆军工程大学石家庄校区, 河北石家庄 050003;陆军工程大学石家庄校区, 河北石家庄 050003;陆军工程大学石家庄校区, 河北石家庄 050003;陆军工程大学石家庄校区, 河北石家庄 050003;中国兵器工业集团第53研究所, 山东济南 250031【正文语种】中文【中图分类】TJ012.4随着现代战争条件下反装甲武器毁伤效能提高，对装甲防护装备的“机动性”与“防护性”要求越来越高，而多层异质复合装甲可实现组元材料优点的集成，对多层异质靶板的研究具有重要意义。
陶瓷因其高强度和低密度的特点在防护中得到广泛应用[1-3]，由于陶瓷材料易脆，因此通过与其他材料复合提高装甲强度和韧性。
关于陶瓷复合装甲结构，研究人员主要研究复合靶抗弹性能及其抗弹机理[4-5]；通过数值模拟分析侵彻过程，研究弹靶材料变形过程[6]；建立理论模型，研究弹靶材料参数与抗弹性能关系[7-8]。
王长利等[9]用爆炸成型弹对陶瓷装甲进行穿深试验，得到3种装甲在3 km/s速度侵彻下质量防护系数和差分防护因子；张雁思等[10]通过数值仿真研究复合防护结构层间位置对抗破片侵彻性能的影响以及陶瓷板与玻纤厚度比值与抗侵彻性能关系；李金柱等[11]基于考虑损伤的金属空腔膨胀理论和陶瓷空腔膨胀理论，研究陶瓷复合靶抗侵彻性能。
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复合材料学报第24卷 第5期 10月 2007年A ct a M ateri ae C om p o sit ae Sini c aVol 124No 15October2007文章编号:100023851(2007)0520006207收稿日期:2006211213;收修改稿日期:2007203202基金项目:国防基础科研基金项目(A2720060277)通讯作者:李玉龙,教授,博士生导师,长江学者,研究方向:冲击动力学,复合材料力学 E 2mail :liyulong @SiC P /A l 功能梯度装甲板抗侵彻性能的试验与数值模拟虞青俊,李玉龙3,邓 琼,汤忠斌,徐 绯(西北工业大学航空学院,西安710072)摘 要: 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(F GM )。
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L S 2D YNA 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。
关键词: 侵彻;L S 2D YNA ;功能梯度装甲板;碳化硅颗粒;数值模拟中图分类号: TB331;TB33011 文献标识码:APenetration of SiC P /Al f unctionally graded plates ———Experiment and numerical simulationYU Qingjun ,L I Yulo ng 3,DEN G Qiong ,TAN G Zhongbin ,XU Fei(School of Aeronautics ,Northwestern Polytechnical University ,Xi πan 710072,China )Abstract : The penetration tests of two kinds of f unctionally graded plates (F GM )were performed by using a high speed air 2gun system.The plates consist of layered structures with two stack sequences prepared by the vacuum hot2pressure diff usion processing.Each layer is made f rom aluminum matrix composites reinforced by different volumefraction SiC particles (MMCs )by the vacuum hot 2pressure sintering method.The numerical simulations of penetra 2tion process were carried out by L S 2D YNA code.The numerical simulations were also performed to explore the op 2timal distribution of certain average SiC P f raction.The test results show that the anti 2penetration ability of the f unc 2tionally graded plate is much better than that of the pure aluminum plate.The difference of anti 2penetration ability between the two tested f unctionally graded plates is not apparent.The numerical simulation results are in good agreement with experimental results.From the simulation results ,the layered plates have superior anti 2penetration ability to the that of homogeneity plate of MMCs.And the anti 2penetration of layered plates with the same thickness and the same areal density can be approximately regarded as not sensitive to the particle distribution.K eyw ords : penetration ;L S 2D YNA ;f unctionally graded plate ;SiC particle ;numerical simulation 陶瓷颗粒增强的金属基复合材料不仅具有很高的比刚度、比强度及耐磨性,而且具有良好的抗冲击性能。
Bless 等[1]的试验结果表明,20%SiC 陶瓷颗粒增强的铝合金复合材料防弹效率提高3倍。
Vaziri 等[2]的试验结果表明,侵彻20%～30%SiC 增强的6061铝合金,穿甲深度只有其基体材料的一半。
金属基复合材料优越的抗侵彻性能和可设计性为轻型装甲的设计提供了空间。
现代轻型装甲由具有很高硬度的正板和具有较高韧性的背板组成。
正板材料一般由陶瓷材料或硬合金金属组成,用来钝化弹芯或在弹芯上产生破坏冲击波;背板材料由铝合金或纤维增强复合材料组成,以捕获残余的碎片。
如果把金属基复合材料板中陶瓷颗粒的体积含量沿其厚度变化,制备功能梯度装甲板,即在板的正面具有类似于陶瓷的性质,与陶瓷装甲板相接,在板的背面,具有铝合金的性质,与铝合金连接,就可以很大程度地降低由于陶瓷装甲板与铝合金材料波阻抗失配和弹性模量失配所造成的应力集中等问题,并可能使复合装甲板经受二次以上的打击。
另一方面,可将金属基复合材料制备成层状功能梯度板,即将增强相颗粒体积含量不同的金属基复合材料板组成层状板,在每一层内,陶瓷颗粒的体积含量相同。
Li 和Ramesh [3],李玉龙等[4]曾研究了这种层状板在冲击载荷作用下的动态响应,指出铺层结构的优化对抗侵彻性能有很大影响,应力波的传播规律受到组分成分的影响。
从研究现状看,Bruck [5],Berezovski 等[6],Chakraborty 等[7]研究了应力波在功能梯度板中的传播规律。
蒋宝权等[8]对SiC 增强颗粒分布规律对梯度装甲板抗侵彻过程的影响进行了研究。
但对由金属基复合材料制成的层状功能梯度板的侵彻过程的研究,迄今为止尚未见报道。
本文中采用粉末冶金方法制备SiC 陶瓷颗粒增强的金属铝基复合材料板,采用热压扩散法制备功能梯度靶板。
通过对纯铝靶板及2种不同铺层结构的功能梯度装甲板的抗侵彻性能试验,研究了铺层结构对功能梯度板抗侵彻性能的影响。
利用L S 2D YNA 软件,模拟了层状功能梯度靶板及纯铝靶板的侵彻过程,考察了铺层结构及SiC 颗粒含量分布对抗侵彻性能的影响,并将计算结果与现有试验结果进行了比较。
1 侵彻试验1.1 材料及靶板的制备表1 功能梯度靶板和纯铝靶板编号及铺层结构T able 1 FG M and pure aluminum targets N o.and stack structureTarget s Target No.Volume fraction (Incidence direction )/%Thickness/mmAverage volume fraction/%F GM 11,2,30/57/0/26/0/12/00.5/6.56/0.5/6.56/4.22/6.56/0.524.5F GM 24,5,60/57/0/18/0/12/00.5/6.50/3.2/5.80/1.00/5.40/3.021.2Aluminum7,8,9,1025.4利用西北工业大学凝固技术国家重点实验室研制的真空无压浸渗设备,制备出增强相体积分数可达57%的SiC 陶瓷颗粒增强铝基复合材料板。
又用真空热压扩散法,有效解决了层状功能梯度板层间的黏接问题,制备了2种不同铺层结构的功能梯度装甲靶板。
将制备的靶板分为3组,即按SiC 颗粒体积分数沿厚度变化及不同铺层顺序制成的功能梯度板2组,纯铝板1组(靶板具体铺层结构见表1),表1中的铺层顺序表示各层中所含SiC 颗粒的体积分数。
靶板为直径110mm 、厚度25.4mm 的圆柱形板。
1.2 侵彻试验及其结果侵彻试验所选的子弹材料为45#钢,长度51mm ,直径12.7mm ,质量48.5g ,半球形弹头。
图1给出了3组靶板材料侵彻试验后侵彻深度与入射速度之间的关系。
由于铝板具有很好的塑性变形能力,背部突出部分很高,子弹侵入靶板的深度远远大于靶板的厚度,理论上视为已穿透,所以8号和10号靶板在图1中的侵彻深度标为靶厚25.4mm 。
在相同的入射速度下,侵彻纯铝的深度要明显大于2组功能梯度材料靶板的侵彻深度。
从图1中可以看出,虽然2组功能梯度靶板的平均颗粒体积含量(或面密度)有稍许差异,但是两者的侵彻深度与入射速度的关系曲线基本上为一直线,可以近似地认为这2组靶板抗侵彻能力的差异不大。
(另外,从入射速度为300m/s 时的数值计算结果看,图1 功能梯度靶板和纯铝靶板的侵彻深度与入射速度关系曲线Fig.1 Measured penetration dept h as a function of t he incidence velocity for F GM and pure aluminum target s・7・虞青俊,等:SiC P /Al 功能梯度装甲板抗侵彻性能的试验与数值模拟F GM1的剩余速度为149.1m/s ,而F GM2的剩余速度为151.5m/s ,表明两者的抗侵彻能力差异不大。
)2 数值模拟2.1 材料特性层状功能梯度板由金属基复合材料层及基体层构成,复合材料可视为弹2黏塑性材料。