摘 要

随着现代军事的不断发展，先进的武器装备往往可以成为战争的决定性因素。就像在叙利亚战争、海湾战争当中，美军以先进的战争武器摧毁了敌方的防御系统且自己没有大量人员伤亡，取得了巨大的胜利。在这其中，先进的防护装甲起到了很大的保护作用。装甲的抗冲击性能及防护能力有着重大的军事意义。

本文采用有限元数值模拟的方法，使用ANSYS/LS-DYNA软件探讨构造陶瓷板的结构和动态力学性能之间的精确关系。模拟高速子弹侵彻构造参数不同的拓扑构造陶瓷板，进行显示动力学分析。从联锁块数3*3、5*5、7*7，互锁角为0°、5°、10°、15°这些参数中建立一个正交实验分析表。根据陶瓷板对子弹的抗侵彻机理，对子弹侵彻各个模型的剩余速度进行分析，得出构造参数与拓扑结构陶瓷的动态力学性能之间的关系。

关键词：有限元 仿生 拓扑结构 ANSYS/LSDYNA 侵彻 动态力学性能

Abstract

With the continuously development of modern military technology, advanced weaponry can often become a decisive factor in war. In the Syrian war and the Gulf War, The U.S. army destroyed the enemy's defense system with advanced weaponry without a large number of casualties. Advanced protective armor plays a very important role in the war. And the impact resistance and protection ability of armor is of great military significance.

In this work, the precise relationships between architecture, mechanics, and properties in architectured ceramic panels are explored with finite-element/analytical modeling. Simulation of architectured ceramic plates with different structural parameters penetrated by high-speed bullets. An orthogonal experimental analysis table is established with the parameters of interlocking block number 3 * 3, 5 * 5, 7 * 7, interlocking angle 0 °, 5 °, 10 °, 15 °. Finally, according to the anti penetration mechanism of ceramic plate to bullet, the residual velocity of each model of bullet penetration is analyzed, and the relationship between the structural parameters and the dynamic mechanical properties of topological structure ceramics is obtained.

Key Words：the dynamic mechanical properties； architectured ceramic panels； interlocking angle .

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外发展现状 1

1.3本文研究的主要内容 2

第二章 拓扑内锁陶瓷结构介绍 3

2.1拓扑构造陶瓷设计原理 3

2.2构造陶瓷抗侵彻机理 4

第三章 ANSYS - LS - DYNA软件介绍 5

3.1分析流程 5

3.2侵彻分析概述 6

3.3材料模型的参数选取 7

3.3.1子弹及E304钢背板材料参数 7

3.3.2氧化铝拓扑构造陶瓷参数 9

第四章 数值模拟模型构造 13

4.1前处理 13

4.1.1子弹模型 13

4.1.2靶板模型 13

4.1.3改变拓扑构造块的大小及互锁角大小 14

4.2接触设置 14

4.3边界条件 15

4.4初始条件设置 15

4.5 求解控制设置 15

4.6 K文件修改 15

第五章 侵彻过程及破坏形式分析 16

5.1侵彻过程分析 16

5.2背板板破坏形式分析 18

第六章 计算结果分析 19

第七章 总结和展望 27

参考文献： 28

致 谢 29

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

进入21世纪以来，传统的陶瓷复合结构已经不能满足未来军事装备的高机动性、高战场生存能力的需求。美国国防部在2000年根据未来装备面临的威胁和战术需求提出：下一代美军陶瓷复合装甲防护能力的要求为：防800mm距离12.7mm穿甲弹直射的复合装甲面密度小于45kg/m2。然而目前美军现役复合装甲的面密度仅为80kg/m2，我军的差距更大。设计新的陶瓷复合装甲是下一代武器装备的核心任务，从已有研究来看，由于高性能防弹陶瓷的材料性能已经接近极限，难以提高，经典的层合模式陶瓷复合防护结构的抗弹性能也已经做到了极致。但是事实上，陶瓷的低拉伸强度和脆性断裂这两个弱点限制了以陶瓷为核心的经典层合复合防护结构性能的进一步提升。如何通过新型结构设计充分利用陶瓷的超高性能(特别是高的压缩强度)是新型陶瓷防护结构设计的一个关键问题。

借助于自然界经过上百万年进化的优化生物材料的结构特征，如牙釉质、贝壳、龟甲等（图1），研究者们将陶瓷切分成小的通过弱界面相互作用的构造模块，如四面体、立方体、六棱柱等简单形体[11]；然后通过弱界面将其有机组合，形成内部自锁结构的新型陶瓷(图2)—拓扑内锁构造陶瓷(Architectured Ceramic)。研究表明，这种结构可以大幅提升陶瓷结构的韧性、弯曲强度等力学性能。

1. 贝壳 （b）牙釉质

图1.1 典型的构造结构材料

将构造陶瓷与复合材料、高强铝合金、凯夫拉等结合可以形成由高硬度拓扑内锁构造陶瓷模块、弱界面连接材料、金属或复材的背板等构成的新型的拓扑内锁构造陶瓷复合防护结构。在这个防护结构中，构造陶瓷的存在提高了陶瓷部件的韧性，能更有效地利用陶瓷材料的高压缩强度和高硬度。与此同时，它的结构形式也更为复杂。其抗侵彻性能既与拓扑结构单元的几何形式、尺寸、材料性能相关，也与界面材料的选择和性能相关，还与支撑背板的材料选择和结构设计相关。

1.2国内外发展现状

目前国际军事上采用的装甲多为陶瓷金属复合材料装甲，已无法满足对防护能力的需求。所以我们在寻找一种新型结构来更好的利用陶瓷的超高性能。研究表明，这种拓扑内锁构造陶瓷可以大幅提升陶瓷结构的韧性、弯曲强度等性能。

近年来，国外 Mohammad Mirkhalaf等人对拓扑构造陶瓷板进行了一定的动态力学性能研究。他们将机械测试，立体成像，三维重建和有限元/分析建模相结合，探讨拓扑内锁构造陶瓷板的结构和力学性能之间的精确关系。^[1]发现较低的摩擦系数延迟了摩擦接触应力造成的不理想的断裂，这反而导致能量吸收方面可以有更好的设计。最后，我们发现增加块的数量（即使用较小的块）会降低所有属性，部分原因是滑动区域的减少。此外，有限元分析表明，界面处的接触压力仅取决于联锁角，而不取决于块体的尺寸。更大的块体，与相邻块体接触面积更大，提供更大的滑动阻力和更多的能量吸收。^[2]我们在这项研究中测试的所有面板都因从中央块中推出而失败，而其余的材料则轻微变形，但基本完好无损。因此，这种分割策略可以制造具有承受多次损伤能力的结构。陶瓷材料具有高刚度、高强度、低密度、良好的热稳定性、高抗氧化性和耐腐蚀性等优点，如何结合拓扑内锁结构最大化利用陶瓷材料的性能来达到我们所需要求。陶瓷材料本身就具有良好的力学性能，将拓扑结构与陶瓷材料相结合是一个具有丰富前景的研究课题。

1.3本文研究的主要内容

本文研究的主要内容为拓扑构造陶瓷板的动态力学性能与其相关参数有何具体关系。我在参考了大量文献的情况下，从拓扑构造块体大小及互锁角两个方面着手建立有限元分析模型。利用ANSYS/LSDYNA对模型进行子弹侵彻的显示动力学分析，得出相关的子弹剩余速度、加速度等数据。作为对不同拓扑构造陶瓷板动态力学性能是否优良的判定依据。