拓扑陶瓷动态力学性能的研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

进入21世纪以来，传统的陶瓷复合结构已经不能满足未来军事装备的高机动性、高战场生存能力的需求。美国国防部在2000年根据未来装备面临的威胁和战术需求提出[1]：下一代美军陶瓷复合装甲防护能力的要求为：防800mm距离12.7mm穿甲弹直射的复合装甲面密度小于45kg/m2。然而目前美军现役复合装甲的面密度仅为80kg/m2，我军的差距更大。设计新的陶瓷复合装甲是下一代武器装备的核心任务，从已有研究来看，由于高性能防弹陶瓷的材料性能已经接近极限，难以提高，经典的层合模式陶瓷复合防护结构的抗弹性能也已经做到了极致。但是事实上，陶瓷的低拉伸强度和脆性断裂这两个弱点限制了以陶瓷为核心的经典层合复合防护结构性能的进一步提升。如何通过新型结构设计充分利用陶瓷的超高性能(特别是高的压缩强度)是新型陶瓷防护结构设计的一个关键问题。

借助于自然界经过上百万年进化的优化生物材料的结构特征，如牙釉质、贝壳、龟甲等（图1），研究者们将陶瓷切分成小的通过弱界面相互作用的构造模块，如四面体、立方体、六棱柱等简单形体[11]；然后通过弱界面将其有机组合，形成内部自锁结构的新型陶瓷(图2)—拓扑内锁构造陶瓷(architectured ceramic)。研究表明，这种改进可以大幅提升陶瓷结构的韧性、弯曲强度等性能。

将构造陶瓷与复合材料、高强铝合金、凯夫拉等结合可以形成由高硬度拓扑内锁构造陶瓷模块、弱界面连接材料、金属或复材的背板等构成的新型的拓扑内锁构造陶瓷复合防护结构。在这个防护结构中，构造陶瓷的存在提高了陶瓷部件的韧性，能更有效地利用陶瓷材料的高压缩强度和高硬度。与此同时，它的结构也更为复杂。其抗侵彻性能既与拓扑结构单元的几何形式、尺寸、材料性能相关，也与界面材料的选择和性能相关，还与支撑背板的材料选择和结构设计相关。

2. 研究的基本内容与方案

研究的目标：本课题拟采用有限元分析的方法，围绕拓扑构造陶瓷的结构与动态力学性能开展研究，通过研究明确拓扑内锁陶瓷结构参数与性能的关系。

研究内容：

图3拓扑内锁陶瓷复合防护结构及其抗侵彻中裂纹的扩展

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3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关书籍，了解论文研究所需要的相关知识，并且完成开题报告和外文翻译；

第4-6周：学习lsdyna有限元分析软件；

第7-9周：建立拓扑陶瓷影响因素的正交实验，建立有限元模型；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]mohammad mirkhalaf,amanul sunesara,behnam ashrafi,francois barthelat. toughness by segmentation: fabrication, testing and micromechanics of architectured ceramic panels for impact applications[j]. international journal of solids and structures,2019,158.

本文研究了拓扑结构陶瓷板的综合力学性能，对拓扑结构互锁角的不同进行了动态力学有限元分析。