陶瓷复合靶板抗侵彻性能试验及数值研究

为研究叠层复合靶板结构对防护性能的影响机理,对两种不同排布结构的靶板进行侵彻试验及数值模拟研究。根据DOP(depth-of-penetration)实验方法,进行14.5 mm穿甲弹对10 mm厚氧化铝陶瓷+10 mm芳纶板+6 mm 616装甲钢以及10 mm厚氧化铝陶瓷+6 mm 616装甲钢+10 mm芳纶板两种结构靶板的侵彻试验研究,通过数值模拟进一步分析弹丸侵彻不同排布结构的靶板变形破坏过程。结果表明:两种靶板结构中前者防护性能优于后者,其防护系数分别为3.41和3.30;装甲钢作为芳纶支撑板,有助于增加弹丸侵彻阻力;芳纶位于陶瓷板及装甲钢之间,有助于缓解二次冲击对陶瓷板的损伤。     

多层异质复合靶板抗侵彻性能试验及结构优化设计

针对多层异质复合靶板结构优化设计,对10 mm氧化铝陶瓷/10 mm芳纶板/6 mm 616装甲钢、10 mm氧化铝陶瓷/6 mm 616装甲钢/10 mm芳纶板2种结构抗14.5mm穿甲弹穿深(DOP)的性能进行了试验分析,对同工况下弹丸侵彻复合靶板进行了数值模拟。在验证数值模型的基础上,结合配方均匀设计方法,建立了相同面密度下复合靶板结构等效质量防护系数回归模型,分析了各层厚度系数对复合靶板防护性能的影响规律,完成了复合靶板结构的优化设计。结果表明,面密度为9.748 g/cm²的复合靶板,最优结构为6.5 mm氧化铝陶瓷板/1.8 mm芳纶/9.1 mm装甲钢,试验验证了优化设计结果的可靠性。     

陶瓷/泡沫铝/铝合金复合装甲抗射流侵彻性能

为研究泡沫铝复合装甲抗侵彻性能,根据应力波传播特性对陶瓷/泡沫铝/铝合金复合结构进行了理论分析。从不同泡沫铝夹芯厚度、相同厚度复合装甲下不同前后板厚度及布置方式和复合装甲倾角三方面研究了该复合装甲能量吸收规律、射流头部剩余速度以及不同倾角下装甲的防护性能。结果表明,泡沫铝作为夹芯层可充分降低复合装甲背板质点速度。同一倾角θ下,随着泡沫铝厚度的增大,复合装甲背板质点速度减小。泡沫铝厚度为2.4 mm时,射流头部剩余速度最低,复合装甲能量吸收最多,抗侵彻性能最优。同一泡沫铝厚度下,随着t_1/t_2值的增大,接触式复合装甲与间隔式复合装甲的射流头部剩余速度均先降低后增加。t_1/t_2=1时,间隔式复合装甲的抗侵彻性能最优。当仅布置方式不同时,间隔式与接触式复合装甲抗射流侵彻性能的差别较小。随着倾角θ的增大,复合装甲的防护性能先增强后降低。倾角为20°时,复合装甲抗射流侵彻性能最优。     

典型泡沫铝夹芯材料的枪弹侵彻仿真与实验

为考察枪弹打击下三明治型泡沫铝夹芯材料的防护性能,采用仿真分析与实弹打击试验相结合的方法,研究7.62 mm枪弹对不同面板配置泡沫铝夹芯材料的打击效果.结果表明:增加泡沫铝芯层后,金属层合材料的抗侵彻性能有大幅提升;入射、出射面板总厚度一致情况下,增大入射面板厚度能改善材料整体抗侵彻能力;入射和出射面板为Q235钢且芯层为均质泡沫铝时,在面板总厚度8 mm、芯层厚50 mm的结构配置下能够有效防护以735 m/s速度入射的7.62 mm步枪弹.该研究可为泡沫铝夹芯材料在军用装备抗弹防护中的应用提供参考.     

陶瓷/泡沫铝/铝合金抗线性射流侵彻性能分析及结构优化

为探讨新型复合装甲抗侵彻性能,根据应力波传播特性对陶瓷/泡沫铝/铝合金复合结构进行了理论分析,并从不同组合的面、背板厚度比和泡沫铝夹芯厚度两方面,研究了该复合装甲能量吸收规律、应力波衰减规律。结果表明:同一厚度比下,随着泡沫铝厚度的增大,复合装甲背板质点速度与应力波峰值都呈负指数规律减小;同一泡沫铝厚度下,厚度比增大时,泡沫铝及装甲结构吸收的能量先增加后减小,泡沫铝厚度为2.4 mm、厚度比为1.25时,复合装甲结构抗射流侵彻性能最好。     

破片形状对复合靶抗侵彻性能影响的实验研究

采用系列弹道实验,研究了双层钢/铝爆炸复合靶在不同形状破片侵彻作用下的毁伤机理和抗侵彻性能。实验采用14.5 mm滑膛枪发射直径6 mm的钢质球形破片和边长4.2 mm的钢质立方体破片。基于实验结果,分析了不同形状破片侵彻下靶板的毁伤机理和破坏模式,讨论了破片形状、动能及靶板厚度分布等因素对复合靶抗侵彻性能的影响。结果表明:在球形破片和立方体破片的侵彻作用下,钢面板发生剪切冲塞破坏,铝背板发生延性扩孔破坏;复合靶板抗立方体破片侵彻性能优于抗球形破片侵彻性能;在球形破片的侵彻作用下,当靶板厚度一定时,复合靶板的抗侵彻性能随钢面板与铝背板厚度比的增大而提高,对于立方体破片则相反。     

陶瓷与芳纶层合板叠层结构抗侵彻性能试验研究

为了研究陶瓷与芳纶层合板叠层结构在中高速弹丸侵彻作用下,陶瓷面板对芳纶层合板抗侵彻性能的影响,开展了13.5 g破片模拟弹丸以中高速冲击8 mm厚芳纶板、16 mm厚芳纶板、3 mm厚SiC陶瓷+8 mm厚芳纶板、3 mm厚Al₂O₃陶瓷+8 mm厚芳纶板4种靶板的抗侵彻性能试验。分析了有无前置陶瓷板,芳纶板受到冲击作用后,弹丸及芳纶板变形模式的差异、靶板单位面密度吸能的区别。研究结果表明：前置陶瓷板情况下,弹丸变形较大并伴随着质量磨蚀;前置陶瓷板降低了芳纶板的剪切破坏程度,增加了拉伸变形和层间分层范围;前置陶瓷结构相对于纯芳纶结构在弹速较高时抗侵彻能力较强。     

钨球对陶瓷/铝复合靶的侵彻与贯穿

采用弹道枪动加载设备,对钨合金球垂直侵彻陶瓷铝复合靶的弹道性能进行了实验研究,给出了钨球侵彻陶瓷/铝复合靶时,球靶的作用过程,分析了陶瓷/铝复合靶的抗侵彻贯穿机理,测得了钨球贯穿不同面密度靶板的弹道极限速度并与钨球侵彻均质装甲板的作用过程进行了分析对比,所给出的结果对破片式战斗部威力设计及轻型装甲结构的优化设计具有参考意义。     

高速弹体侵彻钢/陶瓷/超高分子量聚乙烯纤维/钢实验

为研究多层结构不同材料复合靶抗高速弹体的侵彻性能与抗弹机理,设计5 mm低碳钢面板+20 mm陶瓷板+20mm陶瓷板+20 mm超高分子量聚乙烯纤维板+20 mm间隔层+10 mm低碳钢背板的多层介质复合靶结构,单层陶瓷板由陶瓷小块黏结并经玻璃纤维层包裹而成,双层陶瓷板以超高分子量聚乙烯纤维板为背板支撑并与板后间隔层构成吸能夹层。通过采用质量为40 g、尺寸为?12.8 mm×40 mm的平头圆柱形弹体高速撞击靶板,获得弹体对该结构靶板侵彻的弹道极限。结果表明,40 g弹体对该多层介质复合结构靶板侵彻的弹道极限速度为1 628.5 m/s,各层结构抗弹作用结合良好,抗高速弹体侵彻性能显著。     

结构间隙对芳纶纤维增强复合装甲结构抗侵彻性能的影响

采用由5 mm厚的前置钢板、60 kg/m²面密度的芳纶纤维增强复合材料层合板抗弹芯层、10 mm厚的后置钢板构成的夹芯式复合装甲结构,模拟舰船舷侧复合夹芯舱壁结构。根据面板与芯层间有无50 mm的间隙,将复合装甲结构分为无间隙式、后间隙式、前后间隙式3种结构型式。开展了复合装甲结构在质量40 g、最高初速约为1 630 m/s的高速圆柱体弹丸冲击下的抗侵彻性能实验,提出了钢质面板和芳纶纤维增强复合材料层合板芯层的破坏模式,研究了复合装甲结构的抗侵彻机理,对比分析了同一穿甲载荷冲击下3种复合装甲结构的抗弹性能。结果表明：前置面板的破坏模式主要为剪切冲塞;面板与芯层之间的间隙对芳纶纤维增强复合材料板的破坏模式及钢质背板的变形量影响较大、对前置面板影响较小;同一穿甲载荷冲击下,间距的存在有利于复合装甲结构综合抗侵彻性能的提高。     

穿甲弹垂直侵彻陶瓷复合靶弹道极限速度的研究

为研究7.62 mm穿甲弹垂直侵彻陶瓷金属复合靶板的弹道极限速度,基于能量守恒提出一种改进的理论分析模型,进行了7.62 mm穿甲子弹侵彻陶瓷/装甲钢复合靶板的试验研究,并通过理论分析的方法对试验结果进行验证计算。研究结果发现:陶瓷/装甲钢复合靶板利用该理论分析模型计算出的弹道极限速度与弹道试验结果吻合的较好;综合理论分析和数值模拟分析结果,得出弹道极限速度与陶瓷锥质量正相关。基于理论模型的可靠性,可预测不同复合靶板厚度下弹芯剩余高度,得出陶瓷厚度是决定弹芯剩余高度主要因素。     

纤维层厚度对陶瓷复合靶板抗弹性的影响

用12.7mm穿燃弹对几种不同厚度玻纤布配置的陶瓷复合靶板进行垂直侵彻试验,以研究陶瓷复合靶板面基板间纤维层厚度对靶板抗枪弹性能的影响。试验以有效弹速下弹丸对靶板的总穿深作为靶板抗弹性能的衡量指标,作以比较。试验结果表明,随面基板间玻纤布的厚度增加靶板防护能力降低。从应力波、约束机制、背强效应等方面对其原因作了分析。     

陶瓷橡胶复合装甲防护性能影响因素研究

为研究倾角和复合靶板各层厚度变化对陶瓷橡胶复合靶板防护性能的影响,通过优化对比网格划分疏密程度,获得与实验较接近的仿真结果,在此基础上,对倾角或复合各层靶板厚度不同时聚能射流侵彻陶瓷复合靶板的过程进行数值模拟仿真研究。结果表明:随着倾角的增大,陶瓷橡胶复合靶板对聚能射流的扰偏作用越明显,射流剩余速度越低,偏转角越大,复合靶板的防护性能越强;当复合靶板各层厚在3~5 mm内变化时,利用正交试验的方法得到面板厚为5 mm、夹层厚为3mm和背板厚为5 mm,复合靶板的防护性能相对较强。     

带装甲钢背板的钢纤维混凝土靶抗侵彻试验及数值模拟研究

为了研究钢纤维混凝土抗侵彻性能,对带装甲钢背板的高强度钢纤维混凝土靶进行12.7 mm 穿甲弹、长杆弹高速撞击侵彻试验。根据背靶侵彻深度试验结果,采用防护系数评估复合靶的抗侵彻性能。采用细观离散元模型Lattice Discrete Particle Model、弹塑性模型和Johnson-Cook屈服准则分别描述钢纤维混凝土、弹体和装甲钢靶的材料力学响应,建立了混凝土侵彻问题的有限元-离散元耦合数值仿真模型。通过对比钢纤维混凝土破坏形态和背靶侵彻深度,验证仿真模型对于钢纤维混凝土侵彻问题的适用性。针对3种代表性侵彻工况,模拟分析复合靶间隙以及钢纤维含量对于侵彻响应的影响。仿真结果表明：相比含间隙的复合靶,无间隙的约束条件能够明显减小背靶侵彻深度;钢纤维含量对于背靶侵彻深度几乎没有影响而对混凝土靶破坏形态有较大影响。进一步仿真分析12.7 mm穿甲弹贯穿钢纤维混凝土靶板响应影响因素,得到：圆柱靶直径大于30倍弹径时, 弹体贯穿出靶速度趋于收敛;随着靶体厚度增小,剩余速度与撞击速度趋近于线性关系。     

陶瓷橡胶复合靶板抗射流侵彻仿真研究

运用非线性动力学有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了对聚能装药射流侵彻陶瓷橡胶复合靶板的3D有限元模型。分析了在不同倾角下,不同厚度橡胶夹层构成的陶瓷橡胶复合靶板对射流能量吸收的影响。结合质量防护系数、空间防护系数和差分防护系数对复合靶板的防护效能进行了分析。结果表明:倾角的变化对陶瓷橡胶复合靶板抗射流侵彻性能影响较大,而橡胶夹层厚度的变化对复合靶板抗射流侵彻性能影响较小。随着倾角的增加,复合靶板的防护性能增加,在60°～68°范围内,复合靶板的防护性能基本不变。     

连结状况对陶瓷复合装甲抗弹性能的影响

连结状况对陶瓷复合靶板抗弹性能的影响,从应力波角度分析.并在试验基础上,采用LS-DYNA程序数字模拟7.62mm穿甲子弹不同工况下侵彻陶瓷复合装甲,分析不同粘结剂和不同粘结层厚度的影响.背板波阻抗大于或接近陶瓷面板,有利于提高复合靶板的整体抗弹性能.波阻抗较大的材料,有利于压缩波的透射.合适的粘结层厚度能使陶瓷保持完整性,延缓陶瓷锥的形成,并扩大背板塑性变形区.     

撞击位置对陶瓷/纤维复合材料板抗弹评价的影响

为了准确表征陶瓷/纤维轻型装甲复合材料的抗侵彻性能,提高抗弹性能评估的可靠性,通过12.7 mm穿甲燃烧弹打击侵彻被测靶板的DOP试验方法,以质量防护系数表征分析了陶瓷/纤维复合装甲板在不同打击位置的抗侵彻能力。数据表明:以陶瓷片铺层的复合装甲板在不同打击点的抗弹性能分散性较大,存在抗侵彻典型区域和危险点,弹体着靶位置影响对其抗弹性能的评价。只有充分考虑危险点的试验数据,陶瓷/纤维复合装甲板的抗弹性能试验评估才能更准确、可靠。     

陶瓷复合装甲弹道极限速度与抗重复打击性能研究

为研究某型轻质陶瓷/纤维复合装甲(碳化硼陶瓷/碳纤维/芳纶/超高分子量聚乙烯)抗12.7 mm穿甲燃烧弹打击的能力,试验得到了单发12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻轻质陶瓷/纤维复合装甲的弹道极限速度。借助LS-DYNA软件建立枪弹侵彻陶瓷复合装甲的有限元模型,采用有限单元-光滑粒子耦合算法(FEM-SPH)计算了其极限穿透速度,分析得到了侵彻过程中陶瓷复合装甲的响应特性,仿真弹道极限速度结果与试验的误差小于5%,验证了模型的合理性。在此基础上进一步研究了靶板的有效防护区域分布和抗双发枪弹重复打击的能力及其影响因素。结果表明：陶瓷复合装甲平面内抗弹性能并不一致,受弹着点位置影响可大致分为中心区、偏心区和边缘区。偏心区整体抗侵彻性能优于中心区,但是背板变形量更大,平均增加了约30%,复合材料层间分层破坏明显;边缘区由于不能形成完整的陶瓷锥,抗侵彻性能最差,不能形成有效防护。靶板抗双发枪弹打击的能力受着靶间距的影响,当枪弹同时着靶时,若着靶间距不小于4倍弹体直径,靶板可以抗双发枪弹重复打击;当枪弹先后着靶时,若着靶间距不小于6倍弹体直径,靶板可以抗双发枪弹重复打击。     

弹丸侵彻多层异质复合靶板中装甲钢变形细观和微观机理研究

为研究多层异质复合靶板中装甲钢排布位置,对其塑性变形微观机理及受力状态的影响规律,开展了不同结构方式复合靶板抗侵彻试验。基于金属材料学理论,对复合靶板中装甲钢弹孔塑性变形微观机理进行研究,分析了装甲钢弹坑表面硬度分布及组织演变规律,利用数值模拟研究弹丸侵彻装甲钢过程力学行为与变形机理的内在联系。研究结果表明：波阻抗匹配由高至低,弹丸冲击应力波在层间界面反射形成拉伸波,产生裂纹扩展,降低弹丸侵彻阻力;绝热剪切带内部受温度以及挤压载荷影响,产生高硬度细化马氏体晶粒,抑制塑性变形向内延伸;装甲钢背板强度及刚度越高,对装甲钢塑性变形产生位错运动的阻碍作用越强,有利于提高弹丸开坑阻力。     

B_4C陶瓷/金属复合靶板抗侵彻性能数值模拟分析

利用LS-DYNA对平头弹垂直侵彻陶瓷复合靶的过程进行数值分析,研究了B4C陶瓷/金属复合靶板防护能力跟靶板结构设计之间的关系。计算结果表明:B4C陶瓷作面板复合靶有较优的抗弹性能;铝合金作背板与钢板作背板的陶瓷复合靶相比具有良好的抗弹性能。并得到了B4C陶瓷/铝合金板复合靶的防护能力与陶瓷板、铝合金板厚度的变化规律。