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研究生:李政穎
研究生(外文):LEE,CHENG-YING
論文名稱:陶瓷六邊形拼接複合材料板抗衝擊性能分析
論文名稱(外文):Analysis of Impact Resistance Performance of Hexagonal Ceramic Composite Plate
指導教授:陳幼良
指導教授(外文):CHEN,YU-LIANG
口試委員:璩貽安黃榮祥李貴琪沈柏成陳幼良
口試委員(外文):CHU,YI-ANHUANG,JUNG-HSIANGLEE,KUEI-CHISHEN,PO-CHENGCHEN,YU-LIANG
口試日期:2013-05-08
學位類別:碩士
校院名稱:國防大學理工學院
系所名稱:兵器系統工程碩士班
學門:軍警國防安全學門
學類:軍事學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:80
中文關鍵詞:防彈複合材料氧化鋁陶瓷穿甲彈
外文關鍵詞:Bullet-proof compositeAlumina ceramicsArmor piercing
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由於科技快速的進步,武器系統的攻擊及殺傷能力將與日俱增,單一材料未必完全符合使用需求,透過兩種或兩種以上材料結合成複合材料為解決的方式之一,目前防彈複合材料已經廣泛的應用在人員及軍事裝備上。本論文主要探討雙層陶瓷模組材料的抗彈性能分析,研究內容分成兩部分。在實驗部份,本研究規劃第一層為六邊形拼接高硬度氧化鋁陶瓷、第二層為Kevlar高韌性背板,以點30穿甲彈進行槍擊試驗,透過槍擊試驗獲得所需數據。利用獲得之投射體穿靶後殘餘速度計算出靶板所消耗之能量,以分析其抗彈性能的影響,並觀察其破壞模式,實驗結果得知六邊形拼接陶瓷碎片,碎裂程度較四邊形拼接厲害,所以吸收的能量愈多,殘餘末速愈小,可抵擋較多的衝擊能量,整體的抗彈能力愈佳。六邊形拼接的靶板抗彈能力約高於四邊形拼接靶板5.46%。在數值模擬部份,採用ANSYS有限元素軟體來建立實體模型,藉由模擬投射體撞擊靶板過程,瞭解投射體高速撞擊時結構體的應力分佈與破壞模式。從雙層陶瓷模組不同撞擊點排列組合之抗彈性能數值模擬結果可知,氧化鋁陶瓷搭配鋁合金背板正中心撞擊組合的吸收能量增益值較高。

Due to rapid advances in technology,attack and destructive capabilities of weapon systems are increasing. Single material may not fully meet the needs. One of the ways to solve the problem is using a combination of two or more materials into a composite material. Currently, bullet-proof composite materials have been widely used in personnel and military equipments. This study mainly discusses the bullet-proof performance analysis of double-layer ceramic modules materials. The content is divided into two parts.
In the experiment part, for the purpose of the research design, the data were obtained using .30” armor piercing (AP) to shoot the first layer of hexagon mosaic high-hardness alumina ceramics and the second layer a high-toughness Kevlar. The residual velocity of the projectile was used to calculate the energy consumption of the hit target plate, and the destructive behavior was investigated as well. The experimental results showed that the hexagonal mosaic ceramic fragments are more powerful in resisting the impact than the quadrilateral ones on the degree of fragmentation. Thus, for the hexagonal ones,more energy can be absorbed and the residual velocity is smaller. As a result, they can withstand greater impact energy and have better bullet-proof capacity. Hexagon mosaic target plate has about 5.46 % of bullet-proof capacity higher than that of the quadrilateral mosaic target plate.
In the numerical simulation part, we used ANSYS finite element software to create a solid model. Simulating the process of projectiles penetrating the target helps us to understand the stress distribution and destructive modes when a projectile collides a solid structure. According to the simulation result of bullet-proof capacity from the impact points of different permutations and combinations of double ceramic modules, alumina ceramics with a combination of aluminum back plate hit on center can absorb higher energy .

誌謝 ii
摘要 iii
ABSTRACT iv
表目錄 viii
圖目錄 ix
1. 研究背景 1
1.1 前言 1
1.2 抗彈複合材料 4
1.2.1 防彈原理 4
1.2.2 陶瓷材料 4
1.3 文獻回顧與探討 5
1.4 研究目的及流程 8
1.4.1 研究目的 8
1.4.2 研究流程 9
2. 數值模擬分析 11
2.1 軟體介紹-ANSYS LS-DYNA 3D 13
2.2 數值模擬軟體選用與計算條件 17
2.2.1 元素介紹 17
2.2.2 模型建立及描述 19
2.2.3 材料參數設定 22
2.2.4 接觸模式 26
2.2.5 侵蝕準則 28
2.2.6 邊界條件 30
3. 實驗設備與進行步驟 31
3.1 實驗規劃 31
3.2 實驗目標 32
3.3 實驗流程 33
3.4 材料選擇 34
3.4.1 陶瓷氧化鋁 34
3.4.2 纖維板-Kevlar 34
3.5 實驗設備 35
3.6 實驗步驟 41
3.7 實驗結果 42
3.8 其他事項 43
4. 結果與討論 44
4.1 應力波理論 44
4.2 不同拼接形狀陶瓷複合材料之模擬分析 46
4.3 不同撞擊點陶瓷複合材料抗彈能力模擬分析 53
4.3.1 氧化鋁搭配鋁合金材料抗彈性能模擬結果 54
4.3.2 投射體貫穿氧化鋁搭配鋁合金複合材料板殘餘速度與吸收能分析 57
4.3.3 碳化矽搭配鋁合金材料抗彈性能模擬結果 58
4.3.4 投射體貫穿碳化矽搭配鋁合金複合材料板殘餘速度與吸收能分析 61
4.3.5 陶瓷碳化矽與氧化鋁複合材料不同撞擊點抗衝擊性能分析 62
5. 結論與建議 66
5.1 研究結果 66
5.2 未來研究方向與建議 67
參考文獻: 69
附錄A: 72
附錄B: 77
自傳 80

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