摘 要

陶瓷防护结构抗侵彻过程中，一方面，极短的弹靶作用时间和不透明的防护陶瓷，使得实验观测其侵彻过程和研究其侵彻机理极为困难；另一方面，由于侵彻过程中损伤和断裂等不连续现象的大量存在，使得有限元法等基于连续性假设的方法在仿真抗侵彻问题存在一定的局限性。为此需要寻找新的仿真方法来作为研究和设计陶瓷防护结构的工具。

基于微分-积分方程的近场动力学理论对于处理非连续问题有着独特的优势，目前得到了研究者们的广泛关注。本文采用常规态近场动力学理论，对刚性球侵彻陶瓷面板进行建模和计算，重点研究网格剖分模式和影响函数形式对计算结果的影响，从而验证该方法的可行性。论文的主要研究内容如下：

1、对于同一离散模式，研究了影响函数形式对于计算的裂纹扩展模式的影响。发现“一”型影响函数的计算结果是不可靠的，抛物线衰变影响函数和高斯影响函数在近场作用范围为第七近邻以上时，计算结果可信度高。

2、对于同一影响函数，研究离散模式对计算结果的影响。发现抛物线衰变影响函数和高斯影响函数分别在在面心立方离散模式下和体心立方离散模式下且近场作用范围大于第七近邻时最可靠。

关键词：近场动力学；陶瓷；侵彻；近邻粒子；网格敏感性

Abstract

During the anti-penetration process of the ceramic protective structure, on the one hand, the extremely short target time and the opaque protective ceramic make it very difficult to experimentally observe its penetration process and study its penetration mechanism; on the other hand, due to the large number of discontinuities such as damage and fracture in the penetration process makes finite element method and other methods based on the continuity assumption have certain limitations in the simulation of penetration resistance. Therefore, it is necessary to find new simulation methods as tools for studying and designing ceramic protective structures.

The peridynamics theory based on differential-integral equations has unique advantages in dealing with discontinuous problems, and it has been widely concerned by researchers. In this paper, the ordinary state-based peridynamics theory is used to model and calculate the rigid ball penetrating the ceramic panel, focusing on the influence of the meshing mode and the influence function form on the calculation results, thus verifying the feasibility of the method. The main research contents of the paper are as follows:

1. For the same discrete mode, the influence of the influence function form on the calculated crack propagation mode is studied. It is found that the calculation result of the "one" type influence function is unreliable. When the parabolic decay influence function and the Gaussian influence function are in the horizon more than the seventh nearest neighbor, the calculation result is highly reliable.

2. For the same influence function, study the influence of the discrete mode on the calculation result. It is found that the parabolic decay influence function and the Gaussian influence function are most reliable in the face-centered cubic discrete mode and the body-centered cubic discrete mode when the horizon is greater than the seventh nearest neighbor.

Keywords: peridynamics; ceramic; penetration; nearest neighbor particiles; mesh sensitivity

目 录

第1章 绪论1

1.1 研究背景1

1.2 国内外研究现状2

1.3 本文主要研究内容3

第2章 近场动力学理论4

2.1 键基近场动力学理论4

2.2 常规态近场动力学理论5

2.3 本章小结8

第3章 仿真陶瓷侵彻行为的近场动力学模型9

3.1 几何模型和材料模型9

3.2 离散模式9

3.3 影响函数10

3.4 本章小结11

第4章 近场动力学仿真陶瓷侵彻行为的网格敏感性研究12

4.1 按照简单立方离散的网格敏感性研究12

4.2 按照体心立方离散的网格敏感性研究15

4.3 按照面心立方离散的网格敏感性研究17

4.4 离散模式的网格敏感性研究19

4.5 本章小结20

第5章 结论21

5.1 结论21

5.2 展望21

参考文献22

致谢24

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着现代战争的不断发展，武器的防护性能也越来越重要，防护性能的好坏不仅仅关系到武器的整体性能，也和人员的伤亡切身相关。在一战中，坦克由于其超高的攻击能力和良好的防护性能获得了各个国家的关注。随着科学技术的发展，反坦克武器的出现，在二战中为了提高坦克的防护性能，坦克开始使用金属装甲，虽然其防护性能得以提高，但是由于金属材料密度大造成了坦克的重量过大，而使坦克的机动性能降低、燃油消耗增大。为了在不大幅度增大重量的情况下使装甲具有优良的抗弹能力，科学家们注意到了陶瓷材料具有高硬度、高强度、高韧性、低密度的优越的材料性能^[1]。因而将陶瓷材料引入装甲领域，现在陶瓷/金属复合结构在装甲方面已经得到广泛应用^[2]。

研究陶瓷材料的侵彻行为、裂纹的产生和扩展对于陶瓷复合防护结构的设计具有重要的意义。目前研究该问题的方式主要有两种，一是实验观测，一是计算机仿真。实验观测可以最大程度地准确的还原陶瓷材料在实际应用中的情况，也可以建立陶瓷侵彻过程的直观感受，但是由于弹体侵彻陶瓷的过程时间短、速度快，很难通过实验观测数据以研究陶瓷的抗侵彻性能，而且实验的方式会增大研究的成本和花费^[3]。因而在计算机普及和仿真软件成熟后，往往更多地使用计算机仿真的方法对陶瓷的侵彻行为进行研究。例如焦志刚等人用AUTODYN模拟了弹体侵彻复合靶板的过程^[4]，梁艳媛和其他研究者用LS-DYNA计算了穿燃弹侵彻氧化铝陶瓷/钢复合靶板，和实际打靶吻合^[5]。模拟仿真可以再现侵彻的全部过程，对于研究陶瓷侵彻破坏的内部机理是有帮助的，而且计算机仿真对实际条件没有限制，只要有计算机就可以实现，而且相对于实验的方式相当于没有成本，但是这其中也是有问题存在的，目前广泛应用于抗侵彻仿真的有限单元法是基于连续介质力学这一基本理论，连续介质力学理论中控制方程是用偏微分方程表达的，然而对于像裂纹产生、扩展这种非连续问题，空间偏导数是没有意义的，因而有限单元法对于陶瓷的侵彻行为、裂纹的产生和扩展的模拟仿真是有局限性的，如果想要使用有限单元法处理该类断裂问题，必须采用复杂的网格而且要对网格进行二次划分，然而这会加大工作量并且会损坏结果的精度。为了规避用有限元进行计算机仿真的缺点，研究者们引入了近场动力学、SPH等无网格法解决该类问题。例如Chakraborty采用SPH方法模拟预制裂纹的扩展^[6]。但是对于近场动力学理论的计算机仿真而言，网格的剖分等具有高度的敏感性，如何选择网格对计算结果具有决定性的作用。为此本文针对陶瓷的侵彻行为，研究态基近场动力学理论对于求解该问题的网格敏感性。

1.2 国内外研究现状