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金属和复合材料单钉接头变形与失效分析
优质期刊推荐金属动能弹变形与断裂特性及其机理研究--《哈尔滨工业大学》2014年博士论文
金属动能弹变形与断裂特性及其机理研究
【摘要】：近年来，越来越多的先进材料和结构应用于装甲防护领域，战斗部在打击目标过程中，除造成目标毁伤外，不可避免地要发生自身的变形甚至断裂。尽管穿甲侵彻研究已有几百年的历史，但绝大多数研究集中在刚性弹（在撞击过程中不发生明显的变形和质量损失）侵彻方面。随着高强高韧材料和结构越来越多的应用在装甲防护领域，从而导致战斗部在侵彻中发生变形和断裂，这将严重影响弹体的侵彻效应。近年来一些研究者已经开始关注这一问题，动能弹在穿甲侵彻过程中的变形和断裂问题正在变成冲击工程界的研究热点之一。然而，相对于大量刚性弹穿甲研究，对弹体变形和破坏的公开研究成果还非常缺乏。而且由于问题的复杂性，很多研究者将靶体视为刚性以方便研究弹体的变形与断裂，即使如此，公开报道的研究成果也不够充分。实际穿甲问题中，弹体和靶板都可能发生变形甚至断裂，因此针对变形靶的动能弹变形和破坏过程的研究具有重要的理论和应用价值。
基于以上背景，本文以金属动能杆弹为研究对象，采用实验和数值模拟相结合的方法，在弹速和亚弹速范围内研究弹体撞击刚性靶和几种典型变形靶后的变形和断裂行为和机理，以及弹体变形和断裂行为对侵彻能力的影响。
采用Taylor撞击实验方法，开展了多种材料平头弹体撞击刚性靶的变形和断裂行为研究。获得了每种弹体变形和断裂模式及对应的速度范围，结合典型断面的微观扫描，初步揭示各种弹体的断裂机理。获得了弹体的断裂类型与材料延性的关系，并初步建立了临界开裂速度与弹体材料密度、强度、延性等因素的关系式。
对Taylor撞击实验进行了对应的数值模拟研究。通过材料性能测试，结合文献调研，获得了涉及到的各材料的本构关系和断裂准则及其所有模型参数。对各材料弹体进行了Taylor撞击数值模拟，再现了实验中各变形和断裂模式，与实验结果比较验证模拟的有效性，并证实了使用一个简单的C-L断裂准则可以成功预测Taylor撞击实验中多数典型断裂模式。在此基础上，通过数值仿真详细分析了各典型断裂模式的断裂过程及机理，并对可能影响弹体变形与断裂的一些因素进行敏感性评估。
研究了不同强度杆弹在侵彻不同叠层顺序的双硬度双层靶过程中的弹靶变形和断裂特性及对弹体侵彻能力的影响。获得了实验中各工况下弹体的变形和断裂模式，并使用C-L断裂准则在数值模拟中对实验中典型的弹靶变形和断裂模式进行了成功再现。
针对高强钢杆弹侵彻高强装甲钢靶，进行了两种头部形状弹体的侵彻研究。获得了典型的弹靶断裂模式、特征尺寸及临界贯穿速度范围，使用C-L断裂准则在数值仿真中成功再现了典型弹靶断裂模式，证明了仿真的有效性。在此基础上，使用数值仿真详细分析了典型的弹靶断裂过程，揭示了断裂机理，并对实验的速度范围做了适当的扩展研究，预测了更大速度范围内弹靶的变形和断裂特性。
本文获得的研究成果可以为动能弹的变形和断裂研究提供数据和经验积累，同时也可以为工程中动能杆弹的预研，尤其是选材和结构设计方面提供数据和方法参考。
【关键词】：
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2014【分类号】：O346.1【目录】：
摘要3-5ABSTRACT5-13第1章 绪论13-35 1.1 课题来源及研究的目的和意义13-14 1.2 弹靶撞击问题研究概述14-16 1.3 动能杆弹变形和断裂的研究现状与分析16-27
1.3.1 Taylor杆变形和断裂研究现状17-23
1.3.2 动能弹在侵彻过程中变形和断裂研究现状23-26
1.3.3 动能弹变形和断裂研究现状分析26-27 1.4 动能弹断裂数值模拟和断裂准则选取27-33
1.4.1 动能杆弹常见的断裂模式28
1.4.2 数值仿真中常用的断裂准则28-31
1.4.3 动能杆弹断裂数值模拟研究现状分析31-33 1.5 本文主要研究内容33-35第2章 Taylor杆变形和断裂实验研究35-74 2.1 引言35 2.2 实验设置和概况35-38
2.2.1 实验设置35-37
2.2.2 弹体和靶板37-38
2.2.3 实验过程介绍38 2.3 三种铝合金Taylor杆的变形和断裂38-53
2.3.1 实验结果总结38-41
2.3.2 剩余弹体质量和特征尺寸与撞击速度的关系41-44
2.3.3 变形和断裂模式分析44-53 2.4 三种钢Taylor杆变形和断裂53-62
2.4.1 实验结果总结53
2.4.2 剩余弹体质量和特征尺寸与撞击速度的关系53-57
2.4.3 变形和断裂模式分析57-62 2.5 Taylor杆弹的典型断裂面微观观察与分析62-69
2.5.1 断面微观观察63-68
2.5.2 各弹体典型断裂机制总结与分析68-69 2.6 Taylor杆弹的临界开裂速度分析69-72 2.7 本章小结72-74第3章 Taylor杆变形和断裂数值模拟研究74-125 3.1 引言74 3.2 几种金属材料的力学性能测试74-93
3.2.1 金属材料的力学性能测试的一般性描述75-76
3.2.2 2A12铝合金力学性能测试76-83
3.2.3 45钢力学性能测试83-87
3.2.4 硬38CrSi钢力学性能测试87-90
3.2.5 其它用到材料的模型及参数总结90-93 3.3 Taylor杆变形与断裂模式的数值模拟及有效性验证93-101
3.3.1 2A12铝合金弹体变形与断裂模式94-95
3.3.2 硬38CrSi钢弹体变形与断裂模式95
3.3.3 45钢弹体变形与断裂模式95-96
3.3.4 6061铝合金弹体变形与断裂模式96-98
3.3.5 A3钢弹体变形与断裂模式98-99
3.3.6 1100铝合金弹体变形与断裂模式99-101 3.4 Taylor杆断裂过程及机理数值模拟研究101-112
3.4.1 低延性材料的断裂过程及机理研究101-106
3.4.2 中延性材料的断裂过程及机理研究106-110
3.4.3 高延性材料的断裂过程及机理研究110-112
3.4.4 各弹体断裂机理总结112 3.5 Taylor杆变形与断裂影响因素敏感性分析112-123
3.5.1 靶板材料性能影响113-116
3.5.2 接触摩擦影响116-119
3.5.3 弹体撞击角度影响119-123 3.6 本章小结123-125第4章 侵彻双硬度靶中杆弹的变形与断裂125-154 4.1 引言125 4.2 实验结果总结及分析125-137
4.2.1 实验工况介绍125-126
4.2.2 初始剩余速度曲线及弹道极限总结126-128
4.2.3 弹体剩余质量及特征尺寸分析128-130
4.2.4 弹体变形与断裂模式分析130-137 4.3 杆弹撞击双硬度靶的数值仿真研究137-152
4.3.1 有限元模型介绍138
4.3.2 数值模拟结果及分析138-152 4.4 本章小结152-154第5章 高强钢弹侵彻装甲钢中弹靶的变形和断裂154-170 5.1 引言154 5.2 侵彻实验研究154-158
5.2.1 实验概况154-155
5.2.2 实验结果及分析155-158 5.3 数值仿真研究158-169
5.3.1 典型结果试算及仿真有效性验证159-160
5.3.2 典型侵彻过程160-163
5.3.3 弹靶失效机理研究163-165
5.3.4 数值仿真扩展研究165-169 5.4 本章小结169-170结论170-173参考文献173-191附录A191-195附录B195-197攻读博士学位期间发表的论文及其它成果197-200致谢200-201个人简历201
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【作者单位】：
【关键词】：
【基金】：
【分类号】：TG115【正文快照】：
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