自然老化软质防弹衣对明胶靶标的防护性能试验研究

目的 为了研究自然老化防弹衣对人体的防护能力，开展手枪弹对有防护明胶靶标的钝击效应试验。方法 通过高速摄影拍摄钝击过程中明胶靶标内瞬时凹陷情况，以此判断自然老化是否影响防弹衣的防护性能。结果 试验结果表明，10年自然老化防弹衣防护下的明胶靶标内平均瞬态最大凹陷深度为23.32 mm，平均最大直径为70.08 mm；新软质防弹衣防护下的明胶靶标内平均最大凹陷深度为28.76 mm，平均最大直径为66.59 mm。结论 10年自然老化对软质防弹衣的抗弹性能没有显著影响。文中的研究给自然老化软质防弹衣安全使用寿命的延长提供了参考。     

手枪弹侵彻有防护仿生人体躯干靶标试验研究

为了更好地研究钝击损伤机理,建立了"明胶-胸廓"仿生人体躯干,进而搭建了同步测试系统,开展手枪弹侵彻有防护人体靶标的试验研究。将压力传感器埋设在心脏和左肺部位,获得了人体典型位置受到枪弹钝击时这两个部位的动态压力特性;钝击心脏部位时心脏处的压力峰值达到了2.40 MPa,左肺处为1.30 MPa;弹着点在右肺部位时,传播至心脏和左肺的压力峰值分别为0.39 MPa和0.25 MPa;弹着点在肝脏部位时,传播至心脏和左肺的压力峰值大小相近,约为0.10 MPa。高速摄影拍摄到的侵彻过程表明,软质防弹衣会产生很大的瞬态凹陷,随后在人体靶标弹性能的作用下凹陷深度和范围又逐渐减小。被击中的防弹衣背部产生一个高度约3 cm的塑性鼓包。该研究可为钝击伤评估和防弹衣改进提供参考。     

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...     

超高分子量聚乙烯纤维复合材料的应用及其抗侵彻性能研究

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维因在比强度上的巨大优势引起科研技术人员的广泛关注(其密度约为0.97g/cm3,而抗拉强度可达GPa量级)。研究表明,以UHMWPE纤维作为主要组分的复合板在侵彻防护领域具有极大的应用潜能,其防护效率明显优于现有陶瓷、轻金属等抗侵彻材料。介绍了UHMWPE纤维的基本性质、发展现状及其抗侵彻机理,概述了以UHMWPE纤维为主要组分的复合材料在抗侵彻领域中的应用,指出了UHMWPE纤维复合材料发展中有待解决的问题。     

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.     

基于犰狳外壳仿生的SiC-超高分子量聚乙烯柔性防护板的试验测试和有限元模拟

个体防护装甲的发展对提高单兵作战能力具有重要意义,基于仿生研究可以为设计高性能装甲提供新的思路。犰狳外壳由六边形鳞片紧密拼接而成,采用分层结构设计,具有很好的柔性和防护能力。本文借鉴犰狳外壳的几何排列模式,采用SiC陶瓷片模仿硬质壳层,超高分子量聚乙烯(UHMWPE)热压板模仿软质壳层,按1∶1厚度比例设计制备仿生复合鳞片,将仿生鳞片紧密排列后封装制成一种新型柔性复合防弹插板。为了验证该种防弹插板的防弹性能并研究其破坏特征,进行弹道极限V0试验测试,结合有限元模拟分析其抗7.62 mm手枪弹侵彻的能力。结果表明:该柔性防弹插板不仅满足防弹性能要求,且具备较好的柔性,可为今后新型防弹插板的设计和优化提供参考。      

手枪弹侵彻明胶靶标特性的实验研究

为揭示手枪弹对人体的致伤机理,利用压力和高速摄影综合测试系统实验研究手枪弹侵彻明胶过程中压力波和瞬时空腔的特性。实验中选用4℃,10%浓度配比,尺寸为350 mm×250 mm×175 mm的明胶块作为靶标,9 mm92A手枪弹作为杀伤元,在15 m射距下测量压力波数据和空腔图像。通过对数据进行处理和分析得出以下结论:1压力波形成两个尖峰状波峰,同步枪弹形成的相似,第一波峰是高速撞击明胶靶标所致,第二波峰是手枪弹快速翻滚释放能量所致,且第二波峰高于第一波峰,最大幅值约为12 MPa;2 4000μs时刻瞬时空腔达到最大直径约为73 mm,之后开始收缩并再次膨胀,9 600μs时刻空腔达到第二次最大直径约为64 mm,比第一次下降了约12%;3手枪弹形成的瞬时空腔直径呈半正弦衰减,符合经验公式D=A·ΔE·sin(ωt),求得系数为:A_1=0.05;A_2=0.04;ω=900。     

抗破片侵彻钢/芳纶纤维叠层复合结构优化设计方法

针对抗破片侵彻用新型钢/芳纶纤维叠层复合结构优化设计,基于4 mm钢板+12 mm芳纶纤维叠层复合结构、5 mm钢板+10 mm芳纶纤维叠层复合结构抗7.5 g FSP型破片弹道极限速度试验分析,进行了同工况下破片侵彻叠层复合结构的数值仿真计算;在验证数值仿真模型基础上,开展了7.5 g与10.0 g破片对4 mm、5 mm钢板叠加6~16mm芳纶纤维板组合成复合结构侵彻数值仿真,获得了相应的弹道极限速度;根据试验现象和数值仿真结果进行了钢/芳纶纤维叠层复合结构抗破片侵彻机理分析;根据此类复合结构的防护特点,以结构最小面密度为目标函数,建立了适用一定破片质量和撞击速度范围的结构参数优化设计模型;采用所提方法进行了抗撞击速度为1100 m/s的10.0 g破片侵彻的钢/芳纶纤维复合结构实例设计,通过试验验证了优化设计方法的合理性和实用性。     

超高分子量聚乙烯纤维/水性聚氨酯复合材料层压板抗软钢芯弹侵彻性能及其损伤机制

选用碳纳米粒子(CNPs)原位改性和未改性的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维作为增强纤维,水性聚氨酯(WPU)作为树脂基体,采用缠绕-复合-热压工艺制备单向(UD)正交结构的UHMWPE纤维/WPU复合材料层压板。基于X射线计算机断层扫描(CT)技术,研究UHMWPE纤维/WPU复合材料层压板在7.62 mm×39 mm软钢芯弹以弹速为(720±10) m/s侵彻下的弹道响应。结果表明,UHMWPE纤维的CNPs原位改性提高了CNPs-UHMWPE纤维/WPU复合材料层压板抗单发侵彻性能,但会降低其抗多发打击的能力。对于未被穿透的层压板,其被侵彻过程可分为三个阶段,依次为剪切冲塞、断裂破坏和剩余子层的塑性变形,且每个阶段的厚度比依次为11.51%、44.40%和44.09%;层压板的分层响应主要发生在第二阶段,并集中在弹着点附近;每发弹丸侵彻导致层压板的破坏区域包含在以弹着点为圆心、直径约为70 mm的圆内。      

基于压力传感器阵列的轻武器杀伤效应测试系统

轻武器杀伤效应是评价轻武器性能和指导轻武器设计的重要技术指标.为了研究和科学评价轻武器的杀伤效应,设计了埋设有压力传感器阵列的模拟靶标.利用高速摄影机和压力测试系统同步测试,获得了某型号手枪弹在50 m射距下侵彻带有防护材料的模拟靶标的高速摄影图像和压力波曲线,揭示了某型号手枪弹在侵彻带防护模拟靶标的过程中产生的压力变化特性.实际测试结果表明,弹丸在侵彻带防护的模拟靶标的过程中,对防护材料产生的冲击波,可瞬间向模拟靶标传递并转换产生对人体致伤起重要作用的峰值压力.通过对压力传感器阵列所获取的压力曲线进行分析,可以科学评价轻武器的杀伤效应.     

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%。     

非侵彻条件下猪体和明胶靶内压力衰减试验研究

为研究某小口径弹丸非侵彻条件下机体内的压力传递,采用压力动态采集系统,通过某小口径弹丸以不同撞击速度对长白猪和明胶靶标进行非侵彻防护射击试验,得到了靶内不同位置处的压力值。试验结果表明：弹丸速度越大,靶内产生的压力峰值越高,且压力峰值随距撞击点距离呈指数衰减;长白猪体内的压力衰减速度大于明胶靶标中的压力衰减速度;皮肤的吸能能力与撞击速度有很大的关系。该试验结果对伤员的救治、建立损伤标准及枪弹设计改型具有重要意义。     

一种新型井间地震爆炸震源弹的研制与测试

采用数值模拟方法计算了两种不同装药结构的89型震源弹在10.0、21.0 mm和32.0 mm不同间隙下对套管的侵彻伤害程度,并对满足技术要求的方案进行地面模拟侵彻套管和震源枪模拟井试验。结果表明:在10.0 mm间隙下,数值模拟计算侵彻深度比试验结果深1.7 mm;在21.0 mm和32.0 mm间隙下,数值模拟和试验的侵彻深度相同,说明了数值计算结果与试验结果吻合性较好。新设计的震源弹在震源枪身形成平均直径为22.3 mm的孔眼,满足向地层迅速释放爆炸能量、激发地震波且不损伤套管的要求。     

Kevlar-129纤维复合材料抗侵彻性能数值模拟

采用AUTODYN有限元软件,数值模拟了不同初速度下FSP破片对10 mm厚Kevlar-129纤维复合靶板的侵彻过程,获取了不同初速度下破片侵彻靶板后的剩余速度,计算了芳纶复合靶板的弹道极限,并将该值与弹道测试试验数据进行了对比.此外,研究了破片侵彻纤维复合靶板深度与破片初速度的关系.结果显示,Kevlar-129纤维复合材料弹道极限的数值模拟值与弹道实验测试值相吻合;破片初速度小于320m/s时,破片剩余速度随着破片初速度的增加而减小;破片初速度大于320m/s时,破片剩余速度随着破片初速度的增加而增大;破片初速度小于靶板的弹道极限时,破片侵彻靶板的深度随着破片初速度的增长呈二次函数增长.     

高速钝头弹侵彻中厚金属靶板的机理研究

根据侵彻过程中的不同受力状态,将高速钝头弹对中厚金属靶板的侵彻过程划分为简单压缩阶段、压缩剪切阶段和绝热剪切阶段,每个侵彻阶段都呈现出不同的吸能模式。基于三阶段侵彻机理,建立了钝头弹侵彻中厚金属靶板的弹道极限和剩余速度计算模型;利用侵彻模型计算了3.3g立方体和9.7g圆柱体侵彻4mm、6mm和10mm船用钢的剩余速度,计算值与试验值有较好的吻合。三阶段侵彻模型考虑了试验中出现的发热、发光等现象的吸能,并对金属靶板的抗弹能力和钝头弹的侵彻能力进行了预测,可以降低试验成本,具有一定的理论价值和工程应用价值。     

仿生柔性防护装具的设计及防弹性能测试

依据仿生学原理,借鉴硬骨鱼鳞的微观结构及叠加模式,设计并制备了6套仿生柔性防护装具。使用了两种复合鳞片,分别为SiC陶瓷-超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合防护鳞片和Al₂O₃陶瓷-UHMWPE复合防护鳞片。对柔性防护装具进行侵彻测试,分析了复合鳞片类型、覆盖角度和子弹侵彻位置对柔性鳞片防护装具防弹性能的影响。结果表明,新型柔性鳞片状防护装具均能成功抵挡速度为(445±10) m/s的手枪弹(铅芯)侵彻,垫层材料的凹陷深度为5~20 mm。SiC-UHMWPE复合鳞片防护装具的防弹性能显著优于Al₂O₃-UHMWPE复合鳞片防护装具。此外,柔性防护装具的防弹性能均随着鳞片覆盖率的增加而提高。本研究成果为新型柔性防护装具的设计提供理论依据和科学指导。      

考虑攻角的长杆弹斜穿透中厚铝靶机理

攻角对长杆弹斜侵彻有重要影响,该文通过大量数值模拟研究了攻角对长杆弹斜穿透中厚铝板的影响机理。基于实验验证的有限元模型,开展了变速度和攻角的多工况数值模拟,得到了侵彻过程中弹体的减加速度大小、速度方向以及整体弯曲的变化规律,分析了侵彻速度、倾角和攻角对侵彻阻力、弹体弯曲和弹道偏转的影响。结果表明:带攻角斜侵彻时,负攻角对弹体弯曲的影响明显大于正攻角,且弹体弯曲随着侵彻速度的增大而减小;随着斜侵彻速度的增大,攻角引起弹体甩尾和弹道偏转越明显,此时带攻角的斜侵彻过程的能量损耗机理明显不同于正侵彻和无攻角的斜侵彻。     

数值模拟金属靶抗侵彻中的网格密度影响研究

在数值模拟中,有限元网格的数量对计算结果和计算成本都有较大的影响。采用MSC.Patran建立了弹体侵彻金属靶板的计算模型,并利用MSC.Dytran对所建模型进行了计算;结合相关的理论,对不同网格密度划分的有限元模型的计算结果进行了分析,并和实验进行了对比,得到了数值模拟弹体侵彻金属装甲中靶板的最佳网格数量。当网格无因次量μ=0.10时,所得到的数值模拟结果与实际吻合得较好：当厚度方向的网格数取为12个时,文中所采用的模型能较好地模拟弹体对靶板的侵彻效果。     

蜂窝铝夹芯板抗侵彻性能研究

为探究蜂窝铝夹芯板的抗侵彻性能。对?6 mm钨球侵彻蜂窝铝夹芯板进行试验研究,得到弹道极限速度为169 m/s;为进一步比较侵彻蜂窝铝夹芯板抗侵彻规律,使用LS-DYNA进行数值模拟,将不同形状破片侵彻蜂窝铝夹芯板与间隔铝靶进行分析比较,并通过数值模拟与改进后的De Marre公式对2A12等效靶厚度计算结果进行对比分析,结果为：抗球形破片侵彻最差,夹芯层可增加靶板约18%的强度;数值模拟的等效2A12铝靶厚度为1.30 mm,理论计算为1.33 mm,相对误差在5%以内,可满足工程计算要求。研究结果可为反卫星和反航天目标战斗部的设计提供参考。     

蜂窝铝夹芯板抗侵彻性能研究EI北大核心CSCD

为探究蜂窝铝夹芯板的抗侵彻性能。对?6 mm钨球侵彻蜂窝铝夹芯板进行试验研究,得到弹道极限速度为169 m/s;为进一步比较侵彻蜂窝铝夹芯板抗侵彻规律,使用LS-DYNA进行数值模拟,将不同形状破片侵彻蜂窝铝夹芯板与间隔铝靶进行分析比较,并通过数值模拟与改进后的De Marre公式对2A12等效靶厚度计算结果进行对比分析,结果为:抗球形破片侵彻最差,夹芯层可增加靶板约18%的强度;数值模拟的等效2A12铝靶厚度为1.30 mm,理论计算为1.33 mm,相对误差在5%以内,可满足工程计算要求。研究结果可为反卫星和反航天目标战斗部的设计提供参考。