超高强度合金钢破片对多层介质复合板的高速侵彻机理研究

Based on the high-velocity penetration dynamic response and the ship bulkhead anti-fragment penetrating structural design requirements, this project analyzes the penetration mechanism and correlation mechanisms of ultra-high strength alloy steel fragment penetrates steel/ceramic/fiber composite plate at high velocity. It includes following items: (1) Created accurately mathematical model to describe the dynamics of ultra-high strength alloy steel fluid characteristics and elastic-plastic damage evolution rule; (2) Established the motion characteristics and damage evolution of the ultra-high strength alloy steel fragment again the composite plate, the correlation mechanism of the composite material’s failure behaviors and the laminated effect, revealed the penetrating mechanism of high-velocity ultra-high strength alloy steel fragment penetrates steel/ceramic/fiber composite plate; (3) Studied the high-velocity process of the ultra-high strength alloy steel fragment penetrates steel/ceramic/fiber composite plate, revealed the penetration action mechanism of inter-layer and boundary effects, and the correlation mechanisms between the properties of steel, ceramics, fiber and the fragment movement; (4) Created the analysis model considering the damage evolution of ultra-high strength alloy steel fragment penetrating motion analysis equations and steel/ceramic/fiber composite plate protective performance. The project may develop the high-velocity penetration kinetic theory of multilayer media; enrich the research on dynamic behavior of new materials, and also provide an important scientific basis for high-performance protective bulkhead ship design.

本项目针对超高强度合金钢破片高速侵彻中的动力学响应以及抗破片侵彻舰艇舱壁结构设计的要求，研究超高强度合金钢破片对钢/陶瓷/纤维复合板高速侵彻机理和关联机制。具体开展如下研究：(1)建立能够准确描述超高强度合金钢流体弹塑性动力学特征以及损伤演化规律的数学模型；(2)建立超高强度合金钢破片复合板内运动与破片损伤演化、复合板组元失效行为及层合效应的关联机制，揭示超高强度合金钢破片对复合板的侵彻机理；(3)研究超高强度合金破片对钢/陶瓷/纤维复合板的高速侵彻过程，揭示界面位置效应和边界效应对破片侵彻的作用机理以及钢、陶瓷和纤维板力学性能与破片运动的关联机制；(4)建立考虑损伤演化的超高强度合金钢破片侵彻运动分析方程组和钢/陶瓷/纤维复合板防护性能分析模型。本项目研究可发展多层介质高速侵彻动力学理论，丰富新型材料的动态力学行为研究，也可为舰艇高性能防护舱壁结构设计提供重要的科学依据。

本项目在自然基金委的资助下3年来共发表核心以上论文8篇（其中SCI收录1篇、EI收录7篇），授权发明专利1个，受理发明专利2个，培养博生研究生1名，培养硕士研究生2名，形成行业标准（报批稿）1个。. 项目研究完成工作及获得成果如下：(1)通过准静态拉伸、压缩测试、SHPB 动态压缩测试和飞片平板撞击实验掌握了典型超高强度合金钢35CrMnSiA在10-3/s ~ 107/s应变率范围内的流体弹塑性动力学特征及损伤演化规律，发现了当冲击压力超过材料相变阈值后，动态再结晶导致的晶粒细化使材料强度提升，塑性下降，微观组织演化出较多微孔洞的现象，合理解释了超高强度合金钢高速断裂的原因；(2)通过超高强度合金钢破片对前置钢板、纤维复合板、钢/纤维复合板和钢/陶瓷/纤维复合板的高速侵彻实验和数值仿真研究掌握了复合板组元失效行为及层合效应的关联机制，揭示了超高强度合金钢破片对复合板的侵彻机理，结果表明在多层介质复合板面密度近似相等的条件下，钢/纤维复合板较钢/陶瓷/纤维复合板体现出更优异的抗超高强度合金钢破片高速侵彻性能，在将陶瓷材料用于防护结构中时，必须确保其具有一定的厚度；(3)通过实验和数值仿真研究了超高强度合金钢破片对钢/纤维复合板的高速侵彻过程，揭示了复合板组元材料厚度和间隙对破片侵彻效果的影响规律和作用机理；(4)通过对超高强度合金钢破片对钢/纤维复合板侵彻过程进行量纲分析，建立了弹道极限速度和比吸收能的分析计算模型，以钢/纤维复合板最小面密度为优化设计目标函数，建立了适用一定破片质量和撞击速度范围的钢/纤维复合板参数的数学模型和计算方法，并进行了实例设计和实验验证。. 本项目研究成果已在舰船防护装甲的设计与考核方面进行了应用。