高速弹丸冲击聚脲层状铝合金的分析与数值研究外文翻译资料

 2021-12-15 10:12

英语原文共 17 页

高速弹丸冲击聚脲层状铝合金的分析与数值研究

Analytical and numerical investigation

of polyurea layered aluminium plates subjected to high velocity projectile impact

Damith Mohotti , Tuan Ngo , Sudharshan N. Raman , Priyan Mendis

Department of Infrastructure Engineering, The University of Melbourne, Victoria 3010, Australia

Department of Architecture, Universiti Kebangsaan Malaysia, 43600 UKM Bangi, Selangor, Malaysia

关键词：高速冲击，复合板，聚脲，分析模型，数值模拟，铝

摘要：本文讨论了高速弹丸穿透铝 - 聚脲复合材料层合板系统的问题。首先提出了一种分析模型来预测穿透铝 - 聚脲复合板的残余速度，并通过实验和数值研究进行了验证。然后使用北约标准SS109的全金属外壳（FMJ）的抛射体(5.56 mmtimes;45 mm)在10.0 m外，以固定速度为945 m/s射击铝 - 聚脲复合材料层合板系统。使用四种不同的复合板构造，厚度从16到34 mm变化。每种配置由六个样本组成。记录每个单独测试的残余速度。并且使用先进的有限元代码LS-DYNA进行了穿透过程的数值模拟。使用完善的Johnson-Cook和Mooney-Rivlin材料模型来表示铝和聚脲在数值分析中的应力-应变行为。数据分析和数值模型为实验测试期间测量的残余速度提供了良好的参考。聚脲层对复合板系统中弹丸残余速度的降低起到了积极作用。此外，基于模型，建立了不同复合系统的弹道极限曲线。结果表明，聚脲对降低弹丸残余速度有积极作用，本研究结果可有效地用于未来装甲行业。

1.简介

几十年来，研究人员一直致力于利用高强度金属合金，通过提高材料的强度来对抗弹道的威胁。 然而，在过去几年中，研究兴趣倾向于了研究轻质材料，这些材料可用于防护爆炸和防弹结构。 不同的材料复合和分层板安排一直是此类研究的焦点。 已经研究了不同类型的织物和弹性体来作为传统使用的金属合金部分的替代品。

聚脲被认为是此类应用的重点研究材料。由于其在失效前能吸收大量能量，已被研究作为在由爆炸，弹道和其他撞击事件引起的动态载荷下的保护涂层或作为结构和复合系统的中间层材料。在爆炸的情况下，由源引起的负载将是具有高压波前的分布式负载。在这种情况下，材料会在分散负载下经历严重变形。然而，在弹道载荷分析中，该机制是完全不同的。由弹丸传递到目标的载荷主要是集中载荷，这只导致局部失效而不是整体变形。撞击区域附近的材料会经历严重的变形，这导致这部分材料在剪切，拉伸或压缩中失效。所以，与其他类型的动态载荷相比，抛射物穿透是一种独特的过程[1-8]。另一方面，在爆炸载荷下研究聚脲涂层结构已经进行了大量的研究工作，而研究和描述聚脲涂层板在弹道载荷下的行为的研究工作却往往受到限制。

Xue等人研究了聚脲涂层DH-36钢板在弹丸冲击下的情况，研究了聚脲涂层在背板上时对降低弹丸残余速度的积极作用[9]。 Sayed等人研究了使用聚脲涂层来改进高强度钢板来抵挡以280米/秒的速度行进的145克钢弹。对数值研究得到的变形曲线与实验结果吻合[10]。Roland等人报道了使用模拟射弹的0.5口径碎片对聚氨酯高硬度钢(HHS)复合材料的弹道测试。这个研究已经解决了玻璃过渡特性和多层对弹丸残余速度的影响[11]。 Al-Ostaz和Fowler等人报道了纳米增强聚脲在减轻弹道破坏方面的重要研究[12][13]。另一方面，Amini等人研究了双层钢 - 聚脲板在冲击载荷下的情况，数值和实验研究均在聚脲涂覆的DH-36钢板上进行，然后观察在冲击压力载荷下板的瞬态响应[14][15]。 Nemat-Nasser也报道了类似的工作[16]。

值得注意的是，大多数研究都集中在大直径射弹的弹道响应上，而不是战场上实际使用的射弹。考虑到这种原因，研究聚脲涂层板在真实弹药影响下的行为至关重要。由于弹道载荷涉及相对复杂的分析，因此在弹道载荷研究中不能完全依赖分析工具。随着过去几十年计算技术和有限元代码的发展，数值模拟技术正在成为一个分析弹丸冲击下的完整穿透过程的比较有效的开发模型的过程。计算机代码，如LS-DYNA和ANSYS，可以创建比较用户友好的平台来构建数值模型，可以重复使用这些模型来模拟不同材料上不同结构的穿透过程，他们在该领域已经进行了大量的工作，特别是对于穿过整体板结构的刚性射弹[17][18]。 Boslash;rvik等报道了五种不同钢合金在穿甲(AP)弹丸撞击下的行为，并使用数值模拟进行了详细分析[19]。亚当斯对金属合金板的弹丸穿透进行了全面的数值和实验分析[20]，而Dey等人利用数值分析了弹丸冲击对钢靶的断裂标准的影响[21]。

与单片板相比，层压或分层板结构的弹道效应却研究较少。Jackson和Shukla研究了夹层复合材料板受到连续冲击和空气冲击载荷的性能。尽管这项研究主要集中在受冲击的预冲击复合材料板的行为上，但它也突出了使用多层（泡沫芯与面板）复合系统对射弹穿透的有效性和可能性[22].Boslash;rvik等人和Dey等人通过实验和数值研究分析了层状高强度装甲钢板的性能[19][23]。Flores-Johnson等报道了APM2弹丸穿过层状金属合金的穿透过程的综合数值研究[24]。将Weldox 700E和Al 7075-T651板模拟成双层和三层接触，并在射弹穿透下进行模拟[23]。

通过软弹性体涂层板（例如聚脲）的弹道穿透的数值模拟还没有很好地建立。 Amini等报道了受到弹道冲击的聚脲涂层板的数值研究，通过扩展所报告的研究来数值分析整体和双层板在冲击载荷下的响应[14][15]。 Sayed等人使用LS-DYNA中的光滑粒子流体动力学（SPH）技术来模拟聚脲涂层板的行为[10][17]。 Xue等人使用拉格朗日技术数值模拟刚性射弹穿过聚脲涂层DH-36板的穿透过程[9]。 Grujicic等人研究了冲击能量吸收能力和受到钝头弹射击的聚脲涂层钢板的变形诱导玻璃化转变的综合研究[25]。同时，Tan研究了剥离和预先存在的分层对双层复合材料性能的影响[26]。利用先进的有限元程序AUTODYN有效地预测SiC和Kevlar-环氧双层复合材料的失效机理[18]。

由于计算机代码的进步，已经可以看到到利用分析工具分析这种复杂工程问题的兴趣下降，但是分析模型仍然可以有效地用于预先估计诸如射弹残余速度和弹道极限的参数。此外，经过验证的分析模型可用于比较数值模拟预测结果的准确性。但是，分析模型的形成必须简单，不应包含太多需要大量实验数据的参数。预测穿透板结构的弹丸的残余速度也通常使用一些分析模型。Recht-Ipson模型就是常用模型之一，其使用两个经验常数建立入射，残余和弹道极限速度之间的关系，这两个经验常数可以通过在不同速度下进行穿透来定义[27]。 Gupta和Madhu提出了一种用于分层板系统的简单分析模型，残余速度以板的入射速度和厚度来表示[28]。这个等式中涉及一个未知数，可以通过以恒定速度进行穿透试验来得出。

大多数现代保护结构采用层压或分层材料设计，而不是使用整体材料。 因此，在层压结构元件中可以存在多种材料，并且体积密度可以沿横截面变化。 此外，分层板系统可以具有不同厚度的不同材料，每层中的板厚度和材料密度都在抗穿透性过程中起重要作用。 所以，需要在入射速度，单个板的厚度和每种材料的密度方面与射弹的剩余速度建立关系。

如上所述，聚脲涂层板对实际射弹（如在战场中的武器）的穿透的研究还较少。 所以，了解这种复合系统在对抗现实中的弹道威胁中的适用性还存在知识差距。 本文对全金属外壳(FMJ)射弹穿透聚脲涂层铝合金(AA5083-H116)板的过程进行了全面的实验，并且进行了数值和分析研究。 基于复合板系统的面密度，提出了一种简单的分析模型来预测弹丸穿透多层板系统的残余速度。 同时进行了数值研究以计算四种不同配置的残余速度。 使用数值和分析模型建立了每种配置的弹道极限曲线。 所有结果均使用实验结果进行验证。

  1. 使用方案和实验要求

多年来已经制定了许多的规范和标准，以用来提供防弹道威胁防护结构设计指南。如十四项国际标准，根据欧洲弹道标准EN1063：1999，BR5级，保护结构应该抵抗在940-960 m/s的速度范围内行进的北约SS109弹丸(62 g)不允许完全穿透[29][30]。 EN1063：1999最初开发只是用于提供玻璃结构的设计标准.然而，在目前的研究中，选择上述标准，遵循Boslash;rvik等人采用的类似方法，为制备实验测试装置提供基本指导[19]。由于实验是在945 m/s的恒定抛射速度下进行的，因此使用5.56times;45 mm口径的枪作为简单实验测试装置将射弹射向目标板。

目标固定在距离枪管射弹出口区10.0米（EN1063：1999，BR5级 32.8英尺）处。图1为本实验中使用的实验装置。

图1 实验装置的示意图。

在该实验中使用四种不同的板配置。每个单独的板的尺寸为200 mmtimes;200 mm。复合板系统中使用的每个板的厚度在表1中给出。C4是未涂覆的层状板，其中两个铝合金板彼此接触放置。在四个边缘处使用刚性夹具将板固定到框架上，确保在撞击期间板中没有移动。在其余的配置中，将聚脲施加到相关的铝层上并与其它板接触，如表1所示。除了聚脲层和其母体铝板的层压之外，没有施加粘合剂。复合分层系统中的所有板都与固定的刚性夹具保持接触。在复合板系统中使用两种不同的聚脲厚度(6 mm和12 mm)，配置了C5，C6和C7三种具有不同的层厚度和板布置的复合板系统，根据复合板系统的厚度不同提供不同的面密度。

  1. 材料参数和本构模型

3.1铝合金AA5083-H116等金属材料

铝合金由于其较低的密度和相对较高的延展性和强度而被作为个人防护装甲应用的可能候选材料。因此，在作者完成之前的工作之后，选择铝合金AA5083-H116作为分层板系统中的基础材料。构成材料模型的精确应用是任何数值模拟过程的基本部分。这在弹道分析中变得更加重要，因为射弹的穿透过程高度依赖于目标材料的破坏特征[31]。使用Split Hopkinson压力棒和Instron VHS 8800压缩测试装置进行一系列压缩测试。应变速率为10-3~103 /s，获得了AA5083-H116铝合金在压缩载荷下的应力 - 应变行为。随着应变速率的增加，合金表现出相当大的应变率依赖。Mohotti报道了这些实验分析的结果。合金在不同应变速率下的真实应力 - 应变行为如图2所示[32]。

表1 AA5083-H116和聚脲通过四种不同的排列组成的不同复合板型的示意图。

虽然在材料的应变速率范围为10-3 /s至约103 /s的屈服应力下没有观察到相当大的增量; 但是该材料对应变速率超过103 /s后表现出相当大的速率依赖性。合金的屈服应力表明相对于其在10-3 / s的参考应变速率下的相应值增强了1.40倍。 图3显示了铝合金的真实应力随所选应变的应变率增加而变化。 随应变率增加的应力增量遵循与屈服应力相似的模式。 在射弹穿透期间，靶材料的撞击区域在相当短的时间内经历严重变形。 因此，材料经受高应变率变形。 这突出了在实验中如数值模拟中目标材料使用高应变率材料的重要性。

图2 不同应变率下AA5083-H116的真应力与真应变行为。

图3 (a) AA5083-H116的屈服应力-应变率和(b)真应力-应变率(ε = 0.3)图。

Johnson-Cook材料模型是一种常用的本构材料模型，在许多先进的有限元程序中都可用来表示金属材料的非线性应力-应变行为[33]。这是因为它能够考虑材料在变形过程中的应变硬化，应变率效应和温度效应。本构模型由代表上述每种效应的三个不同组成部分组成，如公式1所示。第一个括号表示材料的应变硬化效应。第二个括号表示应变率效应，而第三个括号表示塑性变形过程中的温度效应。该模型已被研究人员广泛用于碰撞和碰撞分析，并且已显示出优于其他双线性或完美塑性本构模型的优势。因此，Johnson-Cook材料模型已用于表示AA5083-H116铝合金在本研究中进行的所有数值分析中的应力 - 应变行为。

其中T是绝对温度，Tr是室温，Tm是熔化温度。

  1. B和n是材料常数，可以使用拉伸试验或在任何用户定义的应变速率下进行的压缩试验得出。 在推导AA5083-H116铝合金的Johnson-Cook材料模型参数时

    资料编号：[5101]

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