装甲陶瓷预应力加载装置设计与有限元分析(4)

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本科毕业设计说明书第 3 页等质量下抗侵彻性能却可以达到钢的 3~5 倍，并且其拥有成本低廉、烧结性能好、表面粗糙度低、制品尺寸稳定等优点，成为了装甲陶瓷材料应用中的主流。

在准静态和一定应变率加载条件下，陶瓷材料为弹脆性材料，但是，随着应变力的增大，陶瓷材料会表现出一定的应变率效应及非弹性形变特征[5]。在实际应用中，通常会采用加压装置对陶瓷施加预应力的方法，增强陶瓷的韧性，达到延迟陶瓷的破碎的目的。

1.2 国内外相关研究成果

1.3 未来的发展趋势

2 预应力加载装置的总体设计

2.1 研究目的和方案

对于初始速度为 700-2000m/s 的穿甲弹而言，陶瓷装甲的抗侵彻过程可以分为初始撞击阶段、蚀阶段和断裂阶段这三个阶段。

当高速弹头冲击陶瓷块时，弹头的尖端首先接触陶瓷表面，陶瓷内部在初始撞击阶段产生很强的压缩波。在压缩波作用下，弹体和陶瓷块内部的压应力都迅速增大，这将导致陶瓷强度达到破坏极限产生裂纹。弹头在压缩波和摩擦作用下尖锐端很快的变钝甚至破碎，在这个摩擦过程中弹头的初始动能大概损失 20%，但弹头仍能保持对陶瓷的冲击作用[29]。陶瓷块已经飞溅散开，为不过早失去防护作用。因此，在高速冲击下，陶瓷若能延迟几微秒破坏，完成抗侵彻过程的三个阶段，陶瓷装甲的抗侵彻性能将得到显著提高。

除了可以通过提高陶瓷本身材料的拉伸强度解决这一问题外，预应力陶瓷也是解决该问题的关键技术之一，国内外的学者对陶瓷的预应力加载装置也做了大量的研究。研究实验也表明，在约束条件下，陶瓷装甲的防护系数通常要增加百分之十六到百分之二十以上

[30]。对陶瓷块施加预应力，即使陶瓷在高速冲击下发生断裂，陶瓷各裂块之间仍挤压得较

为紧密，只有裂纹而没有扩容。当弹丸进一步侵彻破碎陶瓷时，需要将破碎颗粒沿侵彻反向挤出后才能前进，这需要更大能量来粉碎并推动粉状陶瓷颗粒。同时弹丸前方粉碎区还受径向流动所推动，使得区域内部始终存在较大侵彻阻力。在对预应力陶瓷的侵彻过程中，蚀阶段粉状陶瓷颗粒与弹丸的逆向运动对弹丸有磨蚀作用，使摩擦等耗能机制发挥作用。在穿甲的最后阶段，陶瓷才完全断裂破碎[31]。总之，通过约束装置在现有陶瓷材料基础上施加预紧力使陶瓷内部产生一定的预应力，就是利用物理手段以抑制靶体内部裂纹的萌生和扩展，可以表现出陶瓷高动态抗压强度、高硬度的优势。文献综述

本文论文方案为设计出一种实用加压装置对陶瓷加载预应力，并且要求加压装置拥有足够的强度，加压装置内部最大应力不大于 800MPa。此装置同时还要满足对陶瓷材料可以加载到足够大的预应力，陶瓷块内部最大应力在 120Mpa 左右的要求。设计的装置对陶瓷加载的预应力大小在 0-120MPa 范围内可调，要求加载应力稳定可控，即预应力的加载过程具有稳定的可重复性。

2.2 装置结构设计

本科毕业设计说明书第 9 页综合国内外研究成果可知：陶瓷预应力的施加，使陶瓷内部产生一定压应力来降低它的敏感性，从而增强陶瓷韧性，提高陶瓷抗侵彻性能。在低速冲击时，陶瓷的抗侵彻性能

在受到约束的情况下改善特别明显。对于不同的预应力状态下的陶瓷，施加预应力高的陶瓷块损伤降低更显著。预应力陶瓷并没有给出具体实用于装甲的加载装置，搭接或者镶嵌的小片实用性较好，所以本文中采用 100mm×100mm×20mm 的陶瓷块设计预应力加载装置。对陶瓷块施加预应力方式有如下图 2.1(a)(b)两种：