动能弹丸撞击下金属靶板的破坏模式及其转化研究

In the design of military and civil protective structures, metal is still the dominating material. The main reasons for this are that metals have high ductility and perforation resistance combined with low price. It is of great significance for the design and evaluation of protective systems that further research of dynamic behaviors and failure of metal plate structures under impact loading. However, there is hardly any systematically research about the failure modes and their transformation. In this project, numerical and theoretical studies will be presented to establish the model including local and global response and analyze the critical conditions for the transition of different failure modes, combined with impact experiments. The mechanisms of dynamic deformation and failure of material and transformation of failure modes will be emphatically discussed in detail. The effects of impact velocity, dynamic mechanical properties of materials and geometries of projectile and target on the failure modes will be characterized. The equivalent calculation methods of average crack velocity, penetration resistance, mean strain, strain rate and the average width of shear band will be also proposed. The findings and conclusions of the investigations conducted in this project will be helpful for the design and optimization of protective structures and projectiles, and provide the theoretical and the technical support for the application of metal materials in automobile, high-speed trains, nuclear industry, aerospace and military industry and other fields.

金属材料，由于其良好的延展性、较高的靶板材料阻力和性价比，在军用和民用工程的结构防护中得到了广泛的应用，深入研究金属靶板结构在冲击载荷作用下的响应和破坏对防护系统的安全设计和安全评估有着重要的意义，但目前尚缺乏对金属靶板破坏模式及其转化条件的系统研究。本项目将以理论分析和数值模拟为主要研究方法，结合穿甲实验，发展包含局部响应的整体结构模型和不同破坏模式的临界转化条件/预测模型，着重探讨材料与结构的动态变形失效机制和破坏模式转化机理，建立弹丸撞击速度、材料的动态力学性能、弹靶几何尺寸对破坏模式影响的表征方法，以及平均裂纹开裂速度、侵彻阻力、平均应变、应变率及平均剪切带宽度等的等效计算方法。该课题的研究将为金属或其他材料靶板结构的防护研究和弹靶优化设计提供新的思路，并为金属材料在汽车、高速列车、核工业、航空航天和军事工业等领域的应用提供理论依据和技术支持。

金属材料，由于其良好的延展性、较高的靶板材料阻力和性价比，在军用和民用工程的结构防护中应用广泛，但对金属靶板的破坏模式及其转化条件尚缺乏系统研究。本项目以理论分析和数值模拟为主要研究方法，发展了包含局部响应的整体结构模型和不同破坏模式的临界转化条件/预测模型，深入研究了动能弹丸贯穿金属靶板的影响要素。取得了预期的研究成果。（1）建立了弹靶撞击的精细计算模型，比较了Lagrange、Euler、ALE和SPH四种方法的计算精度以及对靶板破坏模式的模拟情况。（2）基于建立的计算模型系统研究了弹靶撞击过程中重要物理量的分布与变化规律，提出了有限厚度靶板等效抵抗应力的计算公式，研究了不同形状刚性动能弹丸撞击下靶板的穿透性能及破坏模式，建立了靶板破坏模式转变的临界条件。（3）建立了动能弹丸撞击金属靶板时的包含局部响应的整体结构模型，分析了局部和整体耗能情况，提出了忽略整体变形的条件。（4）探讨了冲击速度、边界条件、弹靶几何尺寸和材料的力学性能对穿透性能的影响，系统揭示了关键参量的影响规律。本课题的研究为金属或其他材料靶板结构的防护研究和弹靶优化设计提供新的思路，并为金属材料在汽车、高速列车、核工业、航空航天和军事工业等领域的应用提供理论依据和技术支持。