碳化硅-超高分子量聚乙烯纤维增强树脂基复合材料复合装甲板的抗穿甲弹侵彻性能及其损伤机制

以碳化硅陶瓷(SiC)作为面板材料,超高分子量聚乙烯纤维增强水性聚氨酯树脂基复合材料层压板(UHMWPE/WPU)作为背板材料,通过真空袋膜压工艺制备SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板。基于弹道冲击试验研究复合装甲板的结构参数对其抗穿甲弹侵彻性能的影响,采用X射线计算机断层扫描(X-ray computed tomography,CT)技术,研究复合装甲板在53式7.62 mm穿甲弹以弹速为(808(-8)⁺⁷)m/s进行多发弹道侵彻下的损伤模式。研究结果表明：SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板的抗多发弹道侵彻能力随着UHMWPE/WPU厚度或SiC厚度的降低而逐渐下降,10 mm厚SiC+13 mm厚UHMWPE/WPU是试验中抗53式7.62 mm穿甲弹多发弹道侵彻的最佳工程应用结构;UHMWPE/WPU面密度的减少不仅影响UHMWPE/WPU的防护效率,其还通过降低对陶瓷面板的支撑作用,间接影响陶瓷的防护效率;弹道侵彻后的复合装甲板的损伤模式包括SiC碎裂、SiC与UHMWPE/WPU的界面破坏及UHMWPE/WPU的绝热剪切破坏、拉伸变形和分层破坏...     

蜂窝钢管约束混凝土靶抗多发打击试验研究

混凝土广泛应用于防护结构,对混凝土施加约束可以有效改善其脆性,从而提高其抗弹性能。钢管约束混凝土抗侵彻性能优良,在防护结构中具有广阔的应用前景。为了研究蜂窝钢管约束混凝土的抗侵彻性能,推进钢管约束混凝土的工程应用,进行了蜂窝钢管约束混凝土靶(STCC)和半无限靶抗12.7 mm穿甲弹多发打击对比试验,得到了靶体损伤模式,测量了漏斗坑的体积与深度等损伤参数,计算了蜂窝钢管约束混凝土靶等效侵彻阻力,分析了先发打击对后发打击的影响。结果表明:蜂窝钢管可将弹丸侵彻产生的混凝土损伤限制在被打击单元内,其核心混凝土的损伤模式为"漏斗坑+侵彻隧道+侧面裂纹";与半无限混凝土靶相比,蜂窝钢管约束混凝土靶抗4发打击的侵彻深度(DOP)可减小约18%,抗6发打击的漏斗坑体积与深度分别可减小约78%和55%,其抗多发打击性能明显优于半无限混凝土靶。     

强度失配对铝合金板焊接接头抗弹性能影响的有限元分析

通过建立7.62mm穿甲弹侵彻铝合金板的模型,采用Johnson-Cook材料模型模拟研究了焊接接头的强度失配对铝合金板抗弹性能的影响。研究结果表明:当子弹侵彻铝合金焊接接头附近时,由于材料的不均匀变形,子弹会改变侵彻方向,其方向角的改变大小与子弹速度、侵入位置、弹头形状、强度失配比、靶板厚度有关;当子弹以低速侵彻铝合金板中间的软焊缝材料时,由于变形局部化,出现材料的抗弹性能低于纯焊缝材料的情况;由于子弹侵彻方向的改变,出现部分区域的抗弹性能高于铝合金基体材料的情况。研究结果为不均匀材料的抗弹性能研究提供参考。     

快速拼装式防爆墙抗侵彻爆炸试验

为研究快速拼装式防爆墙抗枪弹、穿甲弹和杀爆弹的侵彻爆炸性能,对快速拼装式防爆墙进行了野外现场枪击、炮击侵彻试验,分别利用5.8、7.62、12.7 mm钢芯枪弹,30 mm脱壳穿甲弹以及瞬发和延时状态下PL96-122杀爆弹对内填细砂的防爆墙进行近距离打击,直接检验防爆墙对近距离常用枪弹、30 mm脱壳穿甲弹以及PL96-122杀爆弹的有效防护能力。试验结果表明:防爆墙经常用枪弹、30 mm脱壳穿甲弹近距离打击后,墙体被击中部位土工布穿破,钢丝断裂,墙体其他部分保持完好,枪弹未穿透防爆墙,仅造成轻度侵彻;分别经瞬发和延时状态下PL96-122杀爆弹打击后,组合防爆墙整体均未见倾覆和明显倾斜,迎弹面部分墙体坍塌,土工布和钢网受损,部分填料塌落,防爆墙墙后未见弹片贯穿,仅对迎弹面一侧造成中度破坏;说明快速拼装式防爆墙能对常用枪弹、30 mm脱壳穿甲弹以及PL96-122杀爆弹的近距离打击起到有效防护作用。     

快速拼装式防爆墙抗侵彻爆炸试验

为研究快速拼装式防爆墙抗枪弹、穿甲弹和杀爆弹的侵彻爆炸性能,对快速拼装式防爆墙进行了野外现场枪击、炮击侵彻试验,分别利用5.8、7.62、12.7 mm钢芯枪弹,30 mm脱壳穿甲弹以及瞬发和延时状态下PL96-122杀爆弹对内填细砂的防爆墙进行近距离打击,直接检验防爆墙对近距离常用枪弹、30 mm脱壳穿甲弹以及PL96-122杀爆弹的有效防护能力。试验结果表明:防爆墙经常用枪弹、30 mm脱壳穿甲弹近距离打击后,墙体被击中部位土工布穿破,钢丝断裂,墙体其他部分保持完好,枪弹未穿透防爆墙,仅造成轻度侵彻;分别经瞬发和延时状态下PL96-122杀爆弹打击后,组合防爆墙整体均未见倾覆和明显倾斜,迎弹面部分墙体坍塌,土工布和钢网受损,部分填料塌落,防爆墙墙后未见弹片贯穿,仅对迎弹面一侧造成中度破坏;说明快速拼装式防爆墙能对常用枪弹、30 mm脱壳穿甲弹以及PL96-122杀爆弹的近距离打击起到有效防护作用。     

陶瓷复合装甲粘结层效应和抗多发打击性能的数值模拟研究

粘结层性能对陶瓷复合装甲抗多发打击性能有重要影响。建立了研究粘结层和多发打击的数值模拟方法,解决了传统方法不能模拟“脱粘”和多发打击的问题。基于文献弹道试验,研究了环氧树脂和聚氨酯两种粘结层材料及其厚度对陶瓷/铝合金复合装甲抗7.62mm 穿甲弹单发和两发打击性能的影响。结果表明:单发打击的数值模拟可不建粘结层,而多发打击应采用建粘结层的方法;抗单发打击时,粘结层越薄,极限速度越大;抗多发打击时,陶瓷复合装甲应采用聚氨酯粘结层,且其抗两发打击的较优厚度约为0.40mm。     

SiC和B_4C防弹插板抗多发弹打击损伤特性研究

使用87式5.8 mm钢芯弹分别对SiC和B_4C复合防弹插板进行实弹靶试试验,通过对鉴证靶凹陷深度、防弹插板背凸体积和X射线数字直接成像检测系统(DR)对防弹插板弹击损伤情况进行分析,同时结合陶瓷材料显微结构和力学性能分析对防弹插板抗多发弹打击损伤特性进行了研究。结果表明,SiC和B_4C防弹插板都能有效防御3发5.8 mm钢芯弹的连续打击,具有较好的抗多发弹打击性能;B_4C防弹插板与SiC防弹插板受弹击后鉴证靶凹陷深度相当,其背凸体积较SiC防弹插板降低超过35%,陶瓷锥底面平均直径增加30%以上,吸收了更多的弹丸冲击动能,这与B_4C陶瓷具有较高的硬度有关。     

SiC和B4C防弹插板抗多发弹打击损伤特性研

使用87式5.8 mm钢芯弹分别对SiC和B₄C复合防弹插板进行实弹靶试试验, 通过对鉴证靶凹陷深度、防弹插板背凸体积和X射线数字直接成像检测系统(DR)对防弹插板弹击损伤情况进行分析, 同时结合陶瓷材料显微结构和力学性能分析对防弹插板抗多发弹打击损伤特性进行了研究。结果表明, SiC和B₄C防弹插板都能有效防御3发5.8 mm钢芯弹的连续打击, 具有较好的抗多发弹打击性能;B₄C防弹插板与SiC防弹插板受弹击后鉴证靶凹陷深度相当, 其背凸体积较SiC防弹插板降低超过35%, 陶瓷锥底面平均直径增加30%以上, 吸收了更多的弹丸冲击动能, 这与B₄C陶瓷具有较高的硬度有关。     

空心陶瓷/铝基复合材料的阻尼减振性能

采用挤压铸造法制备了70%(体积分数)空心陶瓷/6061Al复合材料,采用弯曲共振法测试了复合材料的阻尼性能.结果表明,空心陶瓷的加入明显提高了6061Al合金的阻尼性能,且尺寸减小会进一步提高空心陶瓷复合材料的阻尼性能.采用弯曲共振法测得的含较小粒径的空心陶瓷/6061Al复合材料的阻尼为基体6061Al阻尼的5.7倍,这表明空心陶瓷/6061Al复合材料阻尼与材料内部所含孔洞有密切的关系.结合组织观察,本文对相关的阻尼机理进行了探讨.     

(Al2O3-SiO2f+Grp)/ZL109混杂增强复合材料的抗咬合性能

为提高ZL109合金的耐磨损性能,用挤压铸造法制备了硅酸铝短纤维(Al2O3-SiO2f)和石墨颗粒(Grp)混杂增强ZL109复合材料.采用SRV摩擦磨损试验机研究了石墨颗粒含量和运动频率对该混杂复合材料的抗咬合性能的影响.结果表明:单一20%Al2O3-SiO2f增强复合材料的咬合载荷较基体合金有大幅度提高,混杂Grp后复合材料的咬合载荷进一步提高,且其含量为5%～8%时咬合载荷最大;复合材料的抗咬合性能比基体合金提高2倍以上,运动频率越高,提高幅度越大,当运动频率为100 Hz时,经20%Al2O3-SiO2f 5%Grp混杂增强的复合材料其抗咬合性能的提高幅度最高达12倍.Al2O3-SiO2f和Grp混杂增强可以显著改善ZL109合金的抗咬合性能.     

铝合金微弧氧化陶瓷层微观形貌与力学性能的不均匀性

利用直流脉冲微弧氧化电源于硅酸盐系电解液中对尺寸为200mm×200mm×1mm的LY12铝合金样品进行表面处理,采用扫描探针显微镜和纳米金刚石压头观察并测定了样品表面中心区域和边缘区域陶瓷层的微观形貌、弹性模量、硬度及抗擦伤性能的差异。结果表明:铝合金微弧氧化陶瓷层的弹性模量和硬度平均值不仅较Al2O3的理论值有较大差距,且样品平面内陶瓷层的形貌和性能也不均匀,中心区域陶瓷层的微孔密度大而孔径小,同时陶瓷层的厚度、弹性模量、硬度以及临界载荷平均值分别较边缘区域减小约25.0%、27.7%、25.6%和8.50%。     

仿生鳞片式拼接柔性防护结构防弹性能研究

目的 根据仿生学原理,借鉴鳞甲类生物柔性拼接模式,设计出由碳化硼陶瓷和超高分子量聚乙烯(UHMWPE,PE)背板复合而成的仿生鳞片式拼接柔性防护结构,以提高防护装备的灵活性和抗多发弹性能。方法 首先通过高温热压成形工艺制备出复合鳞片,然后采用95式5.8 mm钢芯弹进行侵彻试验,最后结合有限元仿真对侵彻过程中的弹击损伤机制和能量耗散形式进行分析。结果 弹丸侵彻导致复合鳞片的陶瓷层发生了严重的碎裂现象,PE背板发生了类圆状凹陷变形,但未被穿透;单次弹击损伤范围被限制在弹击鳞片及其相邻鳞片附近,未形成大面积损伤,表现出优异的抗多发弹性能;弹丸的能量通过弹击鳞片扩散到与其相邻的鳞片上,降低了弹丸对弹击鳞片的损伤,提高了柔性结构的极限抗单发弹性能。结论 仿生鳞片式拼接柔性结构能够有效抵御95式5.8 mm钢芯弹的侵彻,具备柔性的同时还具有优异的抗多发弹性能,可应用于新一代单兵及武器装备的小口径枪弹防护装甲。     

超高分子量聚乙烯复合材料抗多发弹性能试验研究

为研究防弹衣用软质超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料在多发弹打击下的防护效能变化,通过弹道试验对多发弹打击下复合材料的抗弹性能和结构损伤以及弹丸变形破坏特征进行试验研究,分析弹靶作用机制。结果表明:软质UHMWPE防弹材料经多发弹打击后,其抗弹性能明显下降且分散性变大;弹道冲击条件下,铅芯弹丸和靶材的高应变率材料力学行为、弹丸变形机制、靶材结构对弹丸的应力积累机制等均是影响防护材料抗弹性能优劣的根本因素,是其机理研究的关键。     

应力状态在球形弹丸撞击6061-T6铝薄靶弹道行为数值预报的作用

针对部分金属材料延性断裂、应力三轴度及Lode参数同时相关问题,将两个含Lode参数影响的断裂准则写入有限元程序ABAQUS,用于1.6 mm厚6061-T6铝合金靶板在7.9 mm直径球形弹丸撞击下断裂行为及弹道极限数值预报。为揭示应力状态影响,用两种不考虑Lode参数影响的断裂准则进行有限元计算,并与试验对比。结果表明,引入Lode参数可提升6061-T6铝合金靶板断裂行为及抗侵彻性能的数值预报效果。     

纤维增强复合材料装甲防护性能影响因素分析研究

本文从树脂基体、增强材料以及成型工艺等多方面采用正交试验设计开展了舰船防护用纤维增强复合材料研究工作,分析了各因素对复合材料装甲材料防护12.7 mm穿燃弹性能的影响,找出了较优的树脂配方、增强纤维以及成型工艺参数。     

蜂窝点阵-陶瓷复合装甲在联合载荷下的动态力学行为EI北大核心CSCD

为了探究具备抗多发弹打击的蜂窝点阵-陶瓷复合装甲在冲击波与破片联合载荷下的防护性能,改善当前防护装甲基于破片或爆炸冲击波单一载荷开展结构设计的不足。通过泡沫铝-弹丸复合弹模拟联合载荷,采用有限元模拟,研究蜂窝点阵-陶瓷复合装甲在联合载荷作用下的结构动态响应与毁伤机理,明确速度差和预变形两种协同作用机制;进一步研究联合载荷中爆炸冲击波与破片抵达先后顺序与抵达时间差对复合装甲防护性能的影响。最终,进行参数化研究,讨论蜂窝点阵-陶瓷复合装甲中,不同子结构关键几何参数对防护性能的影响规律,评估不同子结构的防护贡献,为最优防护性能设计提供指导。     

N形装甲板抗穿甲弹侵彻性能数值模拟

面向军用车辆弹道防护需求,针对一种由孔板、斜板和基板组成的N形结构装甲板,进行了其抗7.62 mm穿甲弹侵彻性能的数值模拟分析。在验证数值模拟方法有效性的基础上,仿真了子弹对N形装甲板的侵彻过程并分析了其特殊的抗弹机理;研究了弹着点位置对装甲板抗弹性能的影响,结果表明,弹着点位置的不同会导致穿甲弹的侵彻路径和剩余速度的差异;通过对比贯穿3种构型孔板后弹体的偏转角度和完整性,发现锥形孔板对弹体姿态的改变和破坏更大;通过多组仿真得到了锥形孔N形装甲板的弹道极限。结果表明,与等质量均质钢板相比,锥形孔N形装甲板的弹道极限提高了12.5%。     

航天器结构材料抗高速碰撞能力的评价

研究了LY12－M、LF6、TA6、30CrMnSi-M、30CrMrSi-T受2.6～7km／s高速弹丸GCr15碰撞形成的弹坑体积和弹丸动能之间的线性关系。提出了用材料密度与布氏硬度（ρ.HB）作为评价材料抗高速碰撞能力的标准。材料的ρ.HB值越大，其抗高速碰撞能力越强。在同时考虑抗高速碰撞性能和量要求时选择作为航天器结构材料的优劣次序是TA6、LF6、LY12－M、30CrMnSi－T、30CrMnSi－M。     

影响陶瓷装甲抗弹性能的主要因素

根据陶瓷复合装甲的抗弹原理,综述了陶瓷材料性能、陶瓷面板的形状和尺寸、陶瓷装甲的结构形式等主要因素对陶瓷装甲抗弹性能的影响,通过对这些因素的提高和优化来提高装甲的抗弹性能。     

陶瓷/纤维复合装甲抗弹丸侵彻性能的试验与数值模拟研究

本工作研究了由碳化硼(B4C)/碳纤维(CF)/超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)组成的复合装甲对抗7.62 mm穿甲燃烧弹的抗侵彻性能.通过实验和数值模拟,系统地研究了陶瓷复合装甲各层对弹丸的作用机理.首先将模拟与实验结果进行比较,验证了模拟方法的可靠性.在此基础上,开展了陶瓷复合装甲的陶瓷面板的材料/厚度数值模拟研究,分别采用氧化铝(Al2 O3)、碳化硅(SiC)、碳化硼(B4 C)作为陶瓷面板,研究了不同厚度陶瓷板的吸能效率,结果表明,以B4 C陶瓷作为面板,当其厚度为10 mm时所得复合装甲的防弹性能最佳.