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TC4/Kevlar/TC4夹层板抗高速破片侵彻性能研究
| 论文题名： | TC4/Kevlar/TC4夹层板抗高速破片侵彻性能研究 |
| 关键词： | 舰船;防护结构;夹层板;钛合金;芳纶纤维;冲击响应;抗侵彻性能 |
| 摘要： | 反舰导弹侵入舰船内部后爆炸所产生的破片可达数万枚，能够“杀伤”舰船内部的重要舱室结构、关键设备和作战人员，使舰船丧失战斗力乃至生命力。因此，舰船防护结构的抗破片能力至关重要。近年来，舰船防护结构已逐渐由均质船用钢结构向轻质非金属材料、多层复合结构转变。研究多组元、多层复合而成的防护结构在高速破片侵彻下的响应特性和防护效果具有重要意义。 本文采用试验、数值仿真和理论分析相结合的方法，以低密度、高强度的TC4/Kevlar/TC4（钛合金/芳纶纤维增强复合材料/钛合金）夹层板为研究对象，对其在高速破片侵彻下的响应特性和抗侵彻性能展开研究。主要的研究内容如下： （1）制备了多组TC4/Kevlar/TC4夹层板。开展了系列夹层板抗3.3g钢立方体破片的高速弹道冲击试验，测量了破片初速度和贯穿夹层板后的剩余速度，收集夹层板残体和破片残体。分析了夹层板在高速破片侵彻下的整体损伤特征，前TC4板、Kevlar芯层、后TC4板的损伤模式，以及破片残体的变形特征、剩余质量和破片侵蚀率。研究了破片初速度、Kevlar芯层厚度对破片剩余速度和夹层板吸能的影响。 （2）介绍了45钢和TC4钛合金、Kevlar纤维增强复合材料和界面材料的动态损伤本构模型。基于Kevlar纤维增强复合材料的动态损伤本构模型，使用Fortran语言编写了VUMAT用户定义子程序，采用有限元软件ABAQUS数值模拟了立方体破片高速侵彻TC4/Kevlar/TC4夹层板的试验，并将由数值仿真得到的破片剩余速度和夹层板各层的损伤模式与相应的试验结果进行对比，验证了数值仿真方法的有效性和准确性。根据数值仿真结果详细分析了破片侵彻夹层板的整个过程中破片及夹层板的变形和损伤情况。探讨了破片初速度、Kevlar芯层厚度、前后TC4板厚度比、破片侵彻角度、TC4板与Kevlar芯层的排布方式对夹层板抗侵彻性能的影响，并对比分析了本文所研究的TC4/Kevlar/TC4夹层板与当前舰船结构防护领域常用材料组成的夹层板的抗侵彻性能。 （3）参考试验和数值仿真的研究，将高速破片侵彻TC4/Kevlar/TC4夹层板的整个过程分为3个阶段：（a）前TC4板侵彻阶段、（b）Kevlar芯层侵彻阶段和（c）后TC4板侵彻阶段。分别对这3个阶段所消耗的能量进行了分析，基于能量法分阶段推导了立方体破片侵彻夹层板的剩余速度公式。基于由试验和数值仿真得到的破片塑性变形规律，提出了立方体破片在侵彻TC4/Kevlar/TC4夹层板时的镦粗变形计算公式。最后基于破片侵彻TC4/Kevlar/TC4夹层板后的剩余速度的理论计算模型编写了MATLAB程序，不同试验工况下理论计算结果与相应的试验结果之间的误差不超过13%，说明所提出的计算破片剩余速度的理论模型可以满足工程需要。 |
| 作者： | 杨睿 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 李俊 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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