铪基非晶合金动态力学行为及侵彻性能研究

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非晶合金具有优异的力学、物理化学性能,在军民用领域具有广阔的应用前景,部分含活性元素的非晶合金在高温高压条件下可以激发化学反应进而释放能量,使其在国防领域,特别是高效毁伤方向成为极具应用前景的材料。该材料有望应用于新型高效毁伤穿甲弹芯及破片,逐渐成为高速穿甲及装甲防护研究领域的热点。本文以典型铪基非晶合金静动态力学行为和侵彻性能为研究对象,开展了铪基非晶合金的静动态力学性能试验和钨合金套筒铪基非晶合金夹芯弹对半无限厚靶体的侵彻试验,在均质长杆弹侵彻模型基础上计算了夹芯弹的侵彻深度和开坑半径,并采用数值模拟方法研究了夹芯弹侵彻性能的影响因素。主要研究内容如下:(1)铪基非晶合金材料静动态力学性能试验及其破坏行为研究基于材料试验机和SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)试验平台,开展了铪基非晶合金准静态压缩和动态力学性能试验研究,研究材料在不同应变率载荷下的力学响应特性。利用SEM对试验后的铪基非晶合金试样断口形貌进行细观表征,分析铪基非晶合金材料的冲击破坏机制。结果表明:铪基非晶合金在中低应变率条件下可以保持较高的断裂强度,材料表现出脆性断裂特征;动态压缩条件下材料的断裂强度与应变率呈负相关性;压缩过程高速录像结果和试样的断口形貌表明材料断裂过程伴随发生反应。(2)铪基非晶合金夹芯弹侵彻半无限厚靶体试验研究设计了以钨合金为套筒、45钢和铪基非晶合金为弹芯的夹芯弹,开展了夹芯弹对45钢靶体及混凝土靶体的侵彻试验研究。结合高速录像分析了铪基非晶合金在夹芯弹侵彻过程的冲击释能现象,比较了两类夹芯弹体的侵彻性能,讨论了铪基非晶合金在夹芯弹高速侵彻中的毁伤增强作用。结果表明:铪基非晶合金夹芯弹侵彻45钢靶体过程中产生了明显的释能现象,显著提升了弹体的侵彻深度和弹孔直径;铪基非晶合金在侵彻混凝土靶体过程中强化了弹体的毁伤效应,导致靶面产生大面积崩落,增加了靶体成坑深度以及开坑体积,同时增加了弹体的侵彻深度。(3)夹芯弹侵彻半无限厚靶体作用过程分析模型分析了夹芯弹对半无限金属靶的侵彻模式,完善了夹芯弹侵彻半无限靶的侵彻深度和开坑半径计算模型。基于能量守恒定律,在侵彻动力学模型中加入了铪基非晶合金材料弹芯反应释放的能量,建立了考虑铪基非晶合金释能效应的开坑半径工程计算模型,结果表明,模型计算结果与试验结果吻合较好。(4)夹芯弹侵彻半无限钢靶过程数值模拟研究基于文献调研以及试验结果拟合确定了铪基非晶合金材料JH-2本构模型参数,利用AUTODYN软件开展了夹芯弹侵彻半无限厚钢靶的数值模拟研究。结合侵彻试验结果,对材料本构模型、参数和数值模型进行了可靠性验证。开展了弹体参数对夹芯弹侵彻性能数值模拟研究,讨论了套筒和弹芯材料、夹芯弹内外径比对夹芯弹侵彻性能的影响规律。
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