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研究生:魏文福
研究生(外文):Wei, Wen-Fu
論文名稱:抗彈陶瓷複合材料最佳厚度組合之研究分析
論文名稱(外文):The Study of Optimal Thickness Combination of Ceramic Composite Material under Ballistic Impact
指導教授:盧久章陳幼良
指導教授(外文):Lu, Jiu-ZhangChung,Yu-Liang
口試委員:李貴琪黃榮祥璩貽安
口試委員(外文):Lee, Kuri-ChiHwang, Rong-ShyangChu, YI-An
口試日期:2014-05-01
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:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:85
中文關鍵詞:陶瓷複合材料面密度最佳化
外文關鍵詞:Ceramics/Kevlar composite materialAreal densityOptimal
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本研究主要目的為探討陶瓷搭配Kevlar纖維之陶瓷複合材料,在重量、體積與抗彈性能等因素考量下靶板最佳厚度組合。
首先使用點30穿甲彈執行彈道測試,假設投射體動能損耗即為靶板吸收能量,建立抗彈陶瓷複合材料中陶瓷板及纖維板厚度與靶板能量吸收之關係式,再利用Lagrange Multiplier Method求得面密度、總厚度與靶板吸收能量等限制條件下厚度組合最佳化,最後利用ANSYS/LS-DYNA數值模擬軟體分析驗證。
經實驗與模擬驗證,陶瓷複合材料中陶瓷板與Kevlar纖維疊層板厚度對吸收能量的影響存在交互作用,因此當加入面密度或厚度等限制條件時,存在靶板吸收能量最佳之厚度組合。另外,隨著面密度或總厚度限制的增加,靶板最佳吸收能量亦隨之提升,可利用此關係在已知投射體撞擊能量下求得靶板面密度及總厚度最小之厚度組合。
The goal of this study is to explore the optimal thickness combination of ceramics/Kevlar composite material under the considerations of weight, volume and ballistic resistance capability.
Firstly, the ballistic tests were performed by using 0.30 inch Armor Piercing (AP) bullets. Assuming the kinetic energy loss of projectile is the energy absorption of target plates, the regression equation of target thickness and ballistic resistance capability by regression analysis was established. Secondly, the optimal thickness combination of ceramics/Kevlar composite material under the constraint of areal density, total thickness and ballistic resistance capability was obtained by using Lagrange Multiplier Method. Finally, the finite element software ANSYS/LS-DYNA was also used to perform a simulated analysis on the penetration performance. The results from simulation were then compared with the experimental results to verify the reliability.
Through the analysis, there was an interaction with the influence of energy absorption due to the thickness of ceramic and Klevlar fiber laminate. Therefore, there was an optimal thickness combination of ceramics/Kevlar composite material under the considerations of areal density or total thickness. On the other hand, the maximum energy absorption increase with the increasing of the constraint of areal density and total thickness. This relationship can be used to get the optimal thickness combination of ceramics/Kevlar composite material under the constraint of impact energy.
誌謝 ii
摘要 iii
ABSTRACT iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 ix
符號說明 xii
1. 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究背景 1
1.2.1 戰車裝甲發展 1
1.2.2 人員防護衣發展 2
1.2.3 陶瓷複合材料應用與抗彈原理 3
1.3 研究目的 7
1.4 文獻回顧 8
1.5 論文架講 12
2. 研究方法 13
2.1 彈道測試 13
2.1.1 實驗規畫 13
2.1.2 實驗流程 15
2.1.3 實驗設備 16
2.2 數值模擬 24
2.2.1 1ANSYS LS-DYNA 3D軟體介紹 24
2.2.2 1Lagrangian描述法 25
2.2.3 1Eulerian描述法 25
2.2.4 1ALE描述法 26
2.2.5 顯性積分與隱性積分 26
3. 實作測試 28
3.1 樣本製作 28
3.1.1 氧化鋁陶瓷板 28
3.1.2 1Kevlar纖維疊層板 32
3.1.3 使用環氧樹酯黏合陶瓷片及Kevlar纖維疊層板 34
3.2 實驗執行步驟 36
3.3 測試結果 37
3.4 測試結果分析 48
3.4.1 固定陶瓷板厚度改變纖維疊層板厚度對吸收能量之影響分析 48
3.4.2 固定纖維疊層板厚度改變陶瓷板厚度對吸收能量之影響分析 49
3.4.3 破壞模式分析 50
3.5 陶瓷複合材料厚度組合最佳化分析 52
3.5.1 建立迴歸方程式 52
3.5.2 面密度及厚度限制下吸收能量最佳之厚度組合 56
3.5.3 改變面密度及厚度限制對最佳厚度組合之影響 62
3.5.4 吸收能量限制下靶板面密度及總厚度最小之厚度組合 66
4. 數值模擬 68
4.1 模型建立及描述 68
4.2 數值模擬材料選用與參數設定 71
4.2.1 材料選用 71
4.2.2 接觸模式 72
4.2.3 邊界條件 73
4.2.4 模擬結果 73
5. 結論與建議 78
5.1 研究結論 78
5.2 後續研究方向建議 79
參考文獻 80
自傳 85

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