防弹功能梯度装甲材料结构优化设计及仿真.pdf

第29卷第1期四川兵工学报2008年2月

【理论与探索】

防弹功能梯度装甲材料结构优化设计及仿真3

焦丽娟,李军

(中国北方车辆研究所,北京100072)

摘要:提出了一种“按照强度从小到大的材料铺层顺序”的方法来构造防弹用功能梯度装甲材料.计
算机仿真计算表明,这种按照“从软到硬”、材料强度沿厚度呈线性梯度变化的铺层顺序制备的功能
梯度装甲材料,较传统的“从硬到软”的铺层顺序构造的功能梯度装甲材料,抗侵彻能力更强.
关键词:功能梯度材料;侵彻;装甲
中图分类号:TG142.7文献标识码:A文章编号:1006-0707(2008)01-0066-04

功能梯度材料(FGM)是20世纪80年代开从而得到最佳的功能梯度装甲材料抗弹特性.
始出现的一种新型功能材料,它是由2种以上不在功能梯度材料的实际制备中,要得到在厚
同性能的材料混杂构成的一种复合材料.随着功度方向上连续的材料成分往往很难.美国的
能梯度材料的巨大潜在应用被发现,功能梯度材M.Fion等t人的研究表明,梯度材料中成分变化
料受到了广泛的研究.在武器装备的防护领域比较小的梯度跳跃对热应力不产生明显的变化,
中,功能梯度材料作为一种新型的抗弹材料正在因此,在工程应用中,往往采用多层成分阶梯型
崛起,并日益受到防护工程技术研究人员的注意变化来代替连续变化(在同一层之间成分相同).
和重视.由于梯度材料内部的应力水平主要依据梯度层
现代材料研究体系包括4要素:材料的固有的组成和结构,故对于不同的组成和结构,材料
性质、材料的结构与成分、材料的使用性能和材会产生不同程度的径向、环向和层间撕裂等破坏
料的合成与加工.功能梯度材料的设计有别于传形式.所以,通过优化设计梯度材料的组成分布
统的材料研究方法,它主要是根据实际使用条来控制各种破坏形式就显得尤为重要.采用多层
件,通过计算机辅助设计系统,对材料进行组成成分呈阶梯型变化的功能梯度材料,其残余应力
和结构的梯度分布以及最佳材料组合设计,选择与层数有密切关系.K.S.Ravichardran等人通过
最适合的材料组配.功能梯度材料的前期优化设对金属和陶瓷直接联结以及金属之间多层梯度
计是保证其良好使用性能的前提.联结(3,11层)的残余应力进行比较,发现:要获
表征特种装甲材料抗弹性能的主要变量因得低残余应力的梯度材料需要的层数较多(通常
素是硬度和屈服强度.功能梯度装甲材料优化设要大于11层),梯度层层数增加后,成分梯度变
计的目的是为了得到硬度或者强度沿梯度方向化减小,层间热应力得到缓和.本研究就是针对
的合理分布和铺层材料层彼此之间的合理匹配,多层的成分阶梯型变化的铺层功能梯度材料.

3收稿日期:2007-08-20
作者简介:焦丽娟(1974—),女,硕士,工程师,主要从事坦克装甲车辆防护技术研究.

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焦丽娟,等:防弹功能梯度装甲材料结构优化设计及仿真67

长度和速度,或者是用来抵抗某种侵彻弹丸需要
1功能梯度装甲材料的新型优化设计结
的梯度装甲的总重量?本研究的结构设计中采
构
用以强度为梯度铺层的参数,并且用弹丸在位于
通常用作防弹装甲的功能梯度材料,将硬度梯度装甲板后面的后效均质装甲板中的剩余侵
和强度最大的材料层作为迎弹面层,如陶瓷-金彻深度,来作为衡量梯度装甲材料抗弹性能优劣
属功能梯度复合装甲材料,就是将陶瓷作为最外的标准.
层,而将金属作为背面层.这样做的目的是由于由于本研究的主要目的是验证梯度装甲材
陶瓷具有高硬度、高强度、高弹性模量等特点,具料按照强度“从软到硬”的铺层顺序来提高抗弹
有良好的抗侵彻性能,而金属具有高韧性、高抗性能的可行性,因此,为了便于问题的研究,铺层
拉性能及高的塑性变形能力,能够提高装甲材料材料采用常规的装甲钢,各个铺层的厚度相同,
吸收能量及抗断裂、破裂、层裂以及崩落的能力,而且每一铺层厚度装甲钢的强度是均质的,相邻
从而获得最佳的防护.两层之间的强度不同,但差值是相同的,按照强
然而国外的Hauver等研究人员通过试验发度从小到大的顺序来构造多层的,强度呈线性阶
现,将软材料层作为迎弹面板,而将硬材料层(陶梯型变化的梯度装甲材料.
瓷层)作为背板构成的功能梯度材料,较之单纯令要制备的梯度装甲材料的厚度为一定
值则根据铺层数的不同可以得到不同的梯度装
的陶瓷装甲靶板,抗弹性能有很大的提高.研究,
甲材料这是由于铺层的数量不同梯度装甲材
人员对该现象作出了解释:当弹丸首先撞击软材,,
料中的应力分布也是不同的设整个梯度装甲由
料时,和软材料的作用过程可以被认为是在陶瓷.