弹体入射陶瓷复合靶板毁伤效应研究

论文摘要

防弹衣是一种能吸收和耗散弹头、破片动能,阻止穿透,有效保护人体受防护部位的特殊服装。而评价一件防弹衣防护效果的标准则是其防枪弹贯穿性伤害的能力和防器官组织非贯穿性伤害的能力两方面。枪弹贯穿性伤害是指子弹或炮弹的破片高速撞击人体,并与身体直接接触,从而对人体造成的损伤;器官组织非贯穿性伤害（NPT）则指虽子弹和破片并未与人体直接接触,但因其强大冲击力而造成对人体组织器官的损伤,其中包含皮肤挫伤、软组织受损、骨折,严重的甚至会造成内出血、气胸、肺撕裂等,最后导致死亡。本文采用实验研究与数值模拟相结合的方法,以防弹衣为最终目的研制了一种新型的复合防护结构,并分别对其防枪弹贯穿性伤害的能力和防器官组织非贯穿性伤害的能力进行了分析验证,主要研究内容如下:（1）参照第三代复合式防弹衣的基本形式,提出了一种“陶瓷-纤维-铝”的新型防护结构,并验证了其防枪弹贯穿性伤害的能力,结果表明:在150250 m/s的速度区间,由Al2O3陶瓷、玄武岩纤维、开孔泡沫铝和2024铝合金背板组成的复合防护结构能有效的抵御弹体的侵彻,并且每种材料在结构中都起到了不可或缺的作用;增加陶瓷面板的厚度,可以明显提高整个复合结构的抗弹性能;在陶瓷总厚度不变的情况下,无论是否在其中添加其它防护材料,多层陶瓷结构的抗弹性能均不如单层陶瓷的复合结构;并且所分层数越多,其防护能力越差。（2）利用分离式Hopkinson压杆研究了不同应变率下泡沫铝材料的动态力学性能,结果显示,与一般金属不同,泡沫铝材料的动态压缩过程分为三个阶段,弹性段、塑性平台段以及压实段,由于泡沫铝拥有了一般材料所没有塑性平台段,所以其也拥有了比一般材料更好的缓冲吸能效果。通过比较材料在不同应变率下的应力应变曲线可以发现,当材料的应变率大幅增加时,其屈服应力仅有微小的增量,所以泡沫铝材料体现了其对应变率不敏感的特性。（3）在“陶瓷-纤维-铝”的复合防护结构中,加入泡沫铝材料,并利用PVDF压电计测量验证了结构的防器官组织非贯穿性伤害的能力,结果显示,泡沫铝材料较好的减少了应力集中并充分的起到了缓冲吸能的作用,经过结构防护后测得的压力已不足以对人体产生严重的危害。（4）通过实验研究了陶瓷/铝复合结构的抗侵彻能力,进一步讨论陶瓷分层对抗弹能力的影响,并利用数值模拟进行了验证,结果表明:在陶瓷/铝结构的撞击实验中,整块陶瓷的复合结构其抗弹性能要优于分层陶瓷结构,且结构的抗弹性能随着层数的增加而降低,这可能是因为将陶瓷分层后会减小在撞击中形成的陶瓷破碎锥的面积,使陶瓷吸收的冲击动能减少,从而降低整个结构的抗弹性能,且随着所分层数的增加,其形成的陶瓷锥面积减小,结构的抗弹性能会进一步降低。另外通过数值模拟研究了陶瓷破碎锥的形成过程,并认为其形成是压缩冲击波和反射应力波共同作用的结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 防弹衣的发展历史
• 1.3 陶瓷复合结构的国内外发展现状
• 1.3.1 陶瓷材料的发展现状
• 1.3.2 纤维材料的发展现状
• 1.3.3 陶瓷复合结构的研究现状
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 实验技术与原理
• 2.1 PVDF 压电计及其应力测试技术
• 2.1.1 PVDF 压电薄膜
• 2.1.2 PVDF 薄膜的压电效应及其测量原理
• 2.1.3 压电计的制作方法
• 2.2 二级轻气炮的原理与技术
• 2.2.1 二级轻气炮的工作原理
• 2.3 Hopkinson 杆及其实验原理
• 2.3.1 Hopkinson 杆的组成
• 2.3.2 Hopkinson 杆的基本假设
• 2.3.3 Hopkinson 杆的原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 子弹入射复合靶板的实验研究
• 3.1 实验材料及装置
• 3.2 实验方案
• 3.3 实验结果分析
• 3.4 器官组织非贯穿性损伤的防护结果分析
• 3.4.1 泡沫铝材料的动态压缩实验
• 3.4.2 NPT 的防护结果分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 陶瓷/铝复合靶板的抗侵彻实验及其数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 实验数据及结果
• 4.3 数值模拟的结果与分析
• 4.3.1 材料模型及参数
• 4.3.2 几何模型与网格划分
• 4.3.3 结果与分析
• 4.3.4 陶瓷破碎锥的形成
• 4.3.5 PVDF 的测量值与数值模拟结果的比较
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢