应力状态驱动的失效转变增强7075-T651/2024-T351双层铝合金靶在卵形鼻弹头冲击下的弹道抗性

《Scientific Reports》：Stress-state-driven failure transition enhances ballistic resistance of 7075-T651/2024-T351 bilayer aluminum alloy targets under ogive-nosed projectile impact

　　

摘要

在不进行完全更换的情况下提高现有铝合金防护结构的抗弹性能，仍然是一项重要的工程挑战。本研究通过实验和数值模拟，考察了2.4毫米厚的单一2024-T351靶板和1.59毫米7075-T651/2.4毫米2024-T351双层靶板在直径5.96毫米尖头弹丸冲击下的表现。采用单级轻气炮和高速成像技术进行弹道测试，并结合ABAQUS/Explicit模拟，其中对7075-T651采用Wen–Mahmoud断裂准则，对2024-T351采用改进Johnson–Cook准则。预测的弹道极限速度与实验值相比，单一靶板和双层靶板的偏差分别为3.2%和1.8%，同时剩余速度趋势和主要失效模式也得到了合理再现。双层配置将弹道极限速度从144.7 m/s提高到183.3 m/s，增幅为26.7%。这一提升与高强度前板提供的附加抗穿透能力、双层组件的耦合弯曲以及背板应力状态向以拉伸为主的花瓣状失效的重新分配有关。损伤平均应力三轴度和Lode角分析进一步表明，前板降低了2024-T351背板中以压剪为主的损伤贡献。分解模拟表明，弹道极限速度的提升中约85%归因于增加的厚度和耦合结构响应，其余15%归因于7075-T651的材料特性贡献。尽管等效厚度的单一2024-T351靶板表现出更高的弹道极限速度214.6 m/s，但在无法进行完全更换的情况下，双层配置仍然是升级现有2024-T351防护结构的实用改造方案。这些发现建立了层间应力状态重新分配与失效模式转变之间的联系，为异质铝合金防护系统的改造设计提供了指导。