钛合金及陶瓷复合装甲抗弹性能研究

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1、国内图书分类号：TG146西北工业大学工学博士学位论文钛合金及陶瓷复合装甲抗弹性能研究博士研究生：苗成导师：刘江南教授申请学位级别：博士学科、专业：材料学所在单位：材料学院答辩日期：2017年3月授予学位单位：西北工业大学Classifiedindex：TG146DissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyResearchontheballisticperforma

2、nceoftitaniumalloyandceramiccompositearmorPh.D.Candidate：MIAOChengAdvisor：Prof.LIUJiangnanDegreeAppliedfor：DoctorofPhilosophySpecialty：MaterialsScienceSchool：MaterialsScienceandEngineeringDateofOralDefence：March,2017UniversityConferringDegree：Northwest

3、ernPolytechnicalUniversity摘要摘要本文采用万能试验机、霍普金森杆系统、实弹靶试试验、数值模拟计算等方法研究TC4钛合金的静/动态力学性能、动态本构与抗弹效应；钛合金、装甲钢、复合材料等不同背板对陶瓷锥及陶瓷复合装甲抗弹性能的影响规律；基于改进的Florence模型的陶瓷复合装甲的优化设计方法；界面对陶瓷/钛合金复合装甲抗弹性能的影响规律。主要研究内容与结果如下：(1)研究了TC4钛合金的静/动态力学性能、动态本构关系与抗弹效应。研究结果主要有：TC4钛合金有着明显的应变率效

4、应，无论是拉伸或是压缩，其本构曲线相对静态而言均向上移；随着温度的提高，TC4钛合金的硬化模量随温度升高呈直线下降；随应变率提高，TC4材料的应变强化模量呈下降趋势；取实测的动态本构曲线进行回归，得到针对热轧退火态TC4钛合金的Johnson-Cook模型。对于12.7mm穿甲燃烧弹，TC4钛合金板的极限穿透厚度约为38mm；TC4钛合金板厚在10mm-30mm间厚度效应呈现正效应。TC4钛合金抗12.7mm穿甲燃烧弹倾角效应的基本规律是呈现正效应；对于水平厚度为25.5mm的钛合金板，其跳弹角为6

5、2°；钛合金作为基体装甲其角度应大于30°。相比同等面密度条件下的纯钛合金，选择恰当的背板能有效减少钛合金的背部崩落，钛合金/背板匹配结构，应选择阻抗比钛合金低且强度韧性比较高的材料作背板，如铝合金。(2)研究了钛合金、铝合金、装甲钢等不同背板对陶瓷复合装甲中陶瓷锥及抗弹性能的影响。研究结果主要有：随着背板阻抗的提高，陶瓷锥角呈增大的趋势，金属背板结构的陶瓷锥角大于非金属背板结构，这可以增加后续侵彻在背板的作用面积，提高背板的吸能效果，因此金属背板更有利于陶瓷面板抗弹作用的发挥。基于陶瓷锥的研究成果

6、，建立了弹靶作用过程中背板的动力响应模型，得出了弹道极限速度的表达式。同等厚度陶瓷作面板，与不同材料的背板组成复合靶板，在等面密度条件下，防护性能由高到低排列为TC4、7A52、装甲钢、芳纶板、玻纤板，TC4钛合金作背板优势明显。(3)研究了陶瓷复合装甲的优化设计方法。研究结果主要有：引入陶瓷锥角参数，改进了传统的Florence模型，建立了双层陶瓷复合装甲优化设计流程，完成了以Al2O3、SiC陶瓷做面板，7A52铝合金、685装甲钢、TC4钛合金做背板不同组合的复合装甲优化设计计算，得到各种组合

7、在给定碰撞速度时，靶板抵抗碰撞的最小面密度变化曲线和最小整体厚度的变化曲线，通过实弹靶试验证了陶瓷复合装甲的最小面密度设计准则，理论计算与试验结果较为吻合。针对陶瓷复合装甲的真实服役环境，给出了考虑基体装甲防护能力的陶瓷复合装甲的优化设I西北工业大学博士学位论文计方法，并通过试验进行了验证，计算结果与试验结果一致。上述结果均表明钛合金是一种很好的背板材料，既能提高抗弹性能，又能实现复合装甲的减重。(4)研究了夹层对陶瓷/钛合金复合装甲应力波传播与抗弹性能的影响。研究结果主要有：低阻抗的非金属夹层，尤

8、其是玻璃钢夹层，会使应力波发生大幅衰减；金属夹层结构弹丸吸收的能量均小于非金属结构；通过夹层传递到背板的最大应力，非金属夹层结构明显小于金属夹层结构，且随着夹层阻抗的降低，背板的最大应力有降低的趋势；非金属夹层结构的抗弹性能较金属夹层结构好。玻璃钢这类材料在复合装甲中能够阻滞应力波在厚度方向的传播，是一种比较理想的夹层材料。关键词：钛合金；陶瓷复合装甲；抗弹性能；抗弹效应；陶瓷锥；优化设计；SHPB系统；应力波IIAbstractAbstractInthispaper