反应装甲与陶瓷复合装甲集成技术研究探讨

为了得到抗弹性能较好的装甲,将反应装甲与陶瓷复合装甲集成。由长杆弹侵彻复合装甲的理论和撞击反应装甲时的动量定理,得出计算模型。据此模型进行了侵彻深度的数值计算,并证明相同面密度的集成装甲的抗弹性能明显优于陶瓷复合装甲。根据此计算模型对集成装甲进行优化设计,以得到较轻和抗弹性能较好的装甲。     

铝质舰体轻型复合装甲试验研究

以纤维增强复合材料（FRP）层合板前置铝板模拟铝质舰体轻型复合装甲结构,对采用不同增强纤维FRP层合板有间隙复合装甲结构进行7.62 mm制式尖头弹打靶试验。基于FRP抗弹机理的分析,着重讨论了入射角度和增强纤维种类对组合装甲结构抗弹性能的影响,对铝质舰体设置轻型复合装甲以抵御小口径武器攻击的可行性进行评估。     

舰用轻型复合装甲结构及其抗弹实验研究

采用纤维增强复合材料(简称FRC)板前置船体结构钢(简称C型钢)板模拟舰用轻型复合装甲结构,对有间隙和无间隙复合装甲结构以及不同纤维增强复合材料防弹板进行了打靶实验研究,实验测试了不同纤维增强复合材料防弹板以及有间隙和无间隙复合装甲结构抗弹丸穿甲的吸能量。结果表明:FRC板较C型钢板有明显的抗弹优势;弹丸速度和形状对FRC板的抗弹性能有较大影响;基体种类和基体含量对FRC板的抗弹性能有一定影响;FRC板与C型钢板之间间距的增大将有利于组合靶板综合抗弹能力的提高。     

纤维背板结构对B4C陶瓷复合装甲抗侵彻破碎特性的影响

以碳化硼陶瓷作为前置抗弹面板，以碳纤维T300、UHMWPE和Kevlar高性能纤维板的不同组合作为其复合背板，利用12.7 mm穿甲燃烧弹对不同结构的陶瓷/复合背板进行弹道冲击实验，通过回收破碎的弹体与陶瓷碎块，进行多级筛分称重，分析不同背板对应的陶瓷复合装甲的碎块分布规律与抗弹性能。研究表明：在陶瓷与纤维背板之间添加一层碳纤维板可以显著改善复合装甲的抗弹刚度梯度，提高整个抗弹靶板的结构刚度，进而改善弹体与整个面板之间的应力波传播形式，延长陶瓷锥体形成后与陶瓷面板脱离的时间和应力波在整个陶瓷面板内传播的作用时间，从而降低陶瓷面板内部拉伸波造成的拉伸断裂，延长弹体的驻留现象。利用Rosin-Rammler分布模型对陶瓷与弹体的碎块形式进行表征，结果表明：分别将一半厚度的UHMWPE纤维板和Kevlar纤维板替换为碳纤维背板，其陶瓷面板的半锥角分别增大了2.05%和4.20%，碎裂区整体平均特征尺寸分别下降了16.92%和42.96%；加入高抗弯强度的碳纤维作为复合装甲的中间过渡层后，背板的破坏形式改变，充分利用了纤维背板的高抗拉强度，从而提高整体复合装甲的抗弹性能。     

结构间隙对夹芯式复合装甲结构抗侵彻性能的影响

采用由厚度为8 mm的前置钛合金板、面密度为60 kg/m2的高强聚乙烯纤维增强复合材料层合板抗弹芯层、厚度为8 mm的后置钢板构成的夹芯式复合装甲，模拟舰船舷侧复合夹芯舱壁结构。根据面板与芯层间是否设置20 mm的间隙，将复合装甲结构定义为无间隙式、后间隙式及前后间隙式。为研究以上3种结构在55 g圆柱体弹高速冲击下的抗弹性能及破坏机理，开展了系列弹道实验，分析了钛合金板、高强聚乙烯纤维增强复合材料层合板芯层及钢质面板的破坏模式，探讨了结构间隙对复合装甲结构抗弹性能的影响。结果表明:前置钛合金板的破坏模式为剪切冲塞，靶板背弹面产生脆性断裂并伴随碎块崩落现象；聚乙烯纤维增强复合材料板的破坏模式及钢质背板的变形范围受间隙的影响较大，前置钛合金板受间隙影响较小；相同载荷侵彻下，间隙的存在有利于提高复合装甲结构的抗弹性能。     

陶瓷/金属复合装甲冲击响应的三维SPH法分析

采用自编三维SPH程序对弹体侵彻陶瓷/金属复合装甲问题进行了数值模拟.为了描述金属和陶瓷材料非线性变形及损伤特性,在程序中嵌入Johnson-Cook和Johnson-Holmquist Ⅱ本构模型及Mie-Gruneisen状态方程.SPH计算得到的典型位移随时间变化曲线与实验结果吻合较好.通过数值模拟合理再现了弹体...     

长杆弹撞击陶瓷靶的一种数值模拟方法

陶瓷材料具有高强度和低密度等特点，抗弹性能优越，被广泛用于各类装甲中。长杆弹撞击陶瓷靶时会发生径向流动、质量显著侵蚀而无明显侵彻的界面击溃现象，是陶瓷抗侵彻性能研究中具有重要研究价值的特殊现象。利用有限元软件AUTODYN建立了长杆弹撞击陶瓷靶的二维轴对称计算模型，采用Lagrange和光滑粒子流体动力学（smooth particle hydrodynamics, SPH）算法，模拟了柱形钨合金长杆弹撞击带盖板的碳化硅陶瓷，通过改变长杆弹的撞击速度，得到了界面击溃、驻留转侵彻和直接侵彻3个不同现象。讨论了不同建模算法、边界条件以及材料参数对模拟结果的影响。通过网格收敛性验证和与实验结果进行拟合，综合验证了计算模型中算法、边界条件和参数设定的可靠性。结果表明，在建模中若同时使用SPH算法和Lagrange算法，需要考虑粒子和网格大小对于模拟结果的影响。针对长杆弹撞击陶瓷靶的界面击溃模拟，不建议对陶瓷材料采用SPH粒子建模。相关建模和参数选择方法对后续陶瓷抗侵彻/界面击溃的数值模拟具有重要的指导意义。     

子弹撞击碳化硼陶瓷复合靶试验与数值模拟研究

碳化硼陶瓷具有高硬度、低密度的特性，在装甲防护领域有广泛的应用前景，碳化硼陶瓷及其复合靶的冲击破坏特性是装甲防护领域近期的焦点问题之一。本文中基于剩余穿深方法，开展了碳化硼及复合靶抗12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻的试验研究。建立了碳化硼陶瓷复合靶抗弹数值模拟模型，根据试验研究结果验证数值模拟方法的可靠性。在此基础上，开展了12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻碳化硼陶瓷复合靶的数值模拟研究，重点研究了靶板配置、背板厚度及种类对复合靶抗弹性能的影响。结果表明:靶板面密度相同的情况下，随着陶瓷厚度的增大，陶瓷复合靶的抗弹性能提高；陶瓷厚度相同时，陶瓷复合靶抗弹性能提升的效率随其面密度的增大而下降。陶瓷/PE (polyethylene)结构适合抵抗低速弹体的侵彻破坏，陶瓷/铝结构适合抵抗高速弹体的侵彻破坏。     

舰船舷侧复合装甲结构抗动能穿甲模拟实验

以均质钢板前置复合材料板模拟舰船舷侧复合装甲结构,结合低速弹道冲击实验,分析了结构的 破坏模式和吸能机理,比较了复合材料板与均质钢板的抗弹性能。在此基础上,根据靶板破坏模式,得到了球 头弹穿透组合靶板的剩余速度预测公式,并与实验结果进行了比较。结果表明,复合材料板的面密度吸能远 大于均质钢板的;组合靶板中前置复合装甲板的破坏模式主要为纤维拉伸断裂,而钢质背板则由于前置复合 装甲板的影响,破坏模式主要为花瓣开裂破坏;将剩余速度理论预测值与实验数据进行比较,两者吻合较好。     

弹靶尺寸对陶瓷/金属复合装甲防护性能的影响

利用Autodyn软件开展数值模拟工作,对陶瓷/金属复合装甲的防护性能与弹靶尺寸的关系进行研究。首先,建立二维轴对称SPH-Lagrange模型,并利用实验数据验证模型有效性;在此基础上对不同几何参数的弹靶撞击进行数值模拟,分析靶板厚度、靶板平面尺寸、子弹长度等对氧化铝陶瓷/铝合金复合装甲弹道极限速度的影响规律。然后,通过量纲分析,提出装甲弹道极限速度与弹靶几何参数的量纲一关系式,并在数值模拟结果的基础上建立一个装甲弹道极限速度的经验公式。     

RESEARCH DEVELOPMENTS OF SMOOTHED PARTICLE HYDRODYNAMICS METHOD AND ITS COUPLING WITH FINITE ELEMENT METHOD

拉格朗日型的有限元法和光滑粒子法在模拟材料大变形问题时各存优缺点, 而有限元与光滑粒子耦合算法实现了在小变形区域采用有限元法计算, 在局部的大变形区域采用光滑粒子法计算, 有效地综合了有限元法计算效率高和光滑粒子法能够自然地模拟材料大变形问题的特点.重点论述了有限元法、光滑粒子法以及有限元与光滑粒子耦合算法的研究现状及应用进展, 并讨论了各方法中需要进一步解决的问题.最后通过算例对3种方法的计算精度和计算效率进行了分析, 供研究人员参考.     

12.7 mm弹侵彻不同强度钢靶的数值模拟

针对12.7 mm弹侵彻不同强度钢靶时可能出现子弹保持完整或发生破碎的情况,过去的数值模拟仅限于模拟单一模式的子弹侵彻行为。为了克服这种数值模拟的局限性,开展了模型算法、网格尺寸对模拟结果影响的研究,并将模拟结果与实验结果进行了对比,提出了一种能够用于模拟子弹保持完整或破碎的弹靶模型。研究结果表明,为模拟子弹保持完整状态,子弹和靶板应分别采用基于Lagrange算法的有限元法和光滑粒子算法,而且子弹网格尺寸和靶板粒子间距之比应至少保持在5.3左右,否则弹头会产生与实验结果不符合的异常变形。但是,在模拟子弹发生破碎侵蚀时,该比例的网格/粒子尺寸比会引起计算中止。为了克服该问题,进一步建立了一种弹体表面采用大尺寸网格、内部采用细化小尺寸网格的有限元/光滑粒子法耦合弹靶模型。计算结果表明,改进的弹靶模型可模拟子弹保持完整或者发生破碎的情况。     

一种新型SPH-FEM耦合算法及其在冲击动力学问题中的应用

为了充分发挥光滑粒子流体动力学方法(smoothed particle hydrodynamics,SPH)在处理大变形和有限元(finite element method,FEM)问题时计算精度高的优势,提出了一种新型SPH-FEM耦合算法.该耦合算法在大变形区域使用SPH粒子离散,其余区域使用有限元离散.在耦合界面...     

含复合铠装层的非黏结柔性立管轴对称载荷响应

针对新型含复合材料铠装层的非黏结柔性立管,推导了各向异性复合材料拉力铠装层在内、外压和轴拉力作用下的控制方程,且考虑了载荷作用下可能出现的层间间隙,建立了非黏结柔性立管的轴对称载荷响应模型。采用循环验证算法求解,获得了管道的抗拉刚度、抗扭刚度、层间压力、层间间隙等重要参数。建立了有限元仿真模型,验证了理论模型的可靠性。算例研究表明:层间间隙出现在螺旋层与圆筒层之间,不考虑间隙时,抗拉刚度的预测值较高;相较于传统的钢质铠装层柔性管,复合铠装层管的抗拉刚度以及抗扭刚度均更大,且抗拉刚度随着管外压力增大而降低程度更小,复合铠装层在柔性立管的应用中能够达到铠装层的刚度性能要求。     

不同撞击速度下穿燃弹侵彻陶瓷/铝合金复合靶板时弹芯破碎失效特性研究

为了研究12.7 mm穿燃弹以不同速度撞击陶瓷/铝合金复合靶板时弹芯的破碎及失效特性,开展了12.7 mm穿燃弹以434.5～844.6 m/s速度撞击SiC陶瓷/6061T6铝合金复合靶板的弹道试验,分析了弹靶的失效模式。弹芯在侵彻靶板后会产生不同尺寸的碎片,使用回收箱收集弹芯碎片并用不同孔径筛网对其进行筛分、称重,得到了不同撞击速度下弹芯碎片的质量分布,并对不同部位的弹芯碎片断口形貌进行了宏观和微观观测分析。研究结果表明:背板失效模式为碟形变形-剪切穿孔-花瓣形失效,试验后的弹芯碎片累积质量分布符合Rosin-Rammler幂率分布规律,且随着着靶速度的增大,小质量碎片质量增加;弹芯在冲击过程中等效直径较大碎片（大于8 mm）失效模式为拉伸脆性断裂,而等效直径小于2 mm的碎片上存在局部塑性剪切断裂。     

SPH-FEM接触算法在冲击动力学数值计算中的应用

为了充分发挥光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)易于处理大变形以及有限元(Finite Element Method,FEM)计算精度和效率高的优势,论文基于无网格粒子接触算法,在有限元节点处设置背景粒子,通过接触力的方式计算SPH粒子和有限单元之间的接触问题...     

基于复合面/背板的平板装药防护性能

采用实验和数值模拟方法研究了橡胶复合板作为爆炸反应装甲面、背板时的防护性能,分析了两种反应装甲结构的防护机理,并与面密度相同的钢反应装甲进行了对比。实验结果表明:爆炸反应装甲面板或背板为橡胶复合板时的防护性能优于钢反应装甲,其中橡胶复合板作为背板时效果最优。数值模拟结果表明:橡胶复合板在爆炸驱动下外层钢板速度相比于钢反应装甲飞板提高16%,橡胶复合板的界面效应及其飞板间隙可以有效减小逃逸射流的长度。