12.7mm动能弹斜侵彻复合装甲的数值模拟研究

通过弹道枪实验对斜置角度为0°～60°的陶瓷复合装甲进行了弹道极限测试,分析了靶板斜置角度对穿燃弹的弹道极限和钢芯质量变化、破坏形态的影响。利用数值模拟的方法对上述实验结果进行验证计算,鉴于数值计算结果与实验结果较好的一致性,进一步研究了陶瓷复合靶板斜置角度对穿燃弹钢芯穿靶偏移角和等效Q235钢靶厚度的影响。结果表明,随陶瓷复合靶板斜置角度的增大:弹道极限近似指数型提高;在相同弹道极限速度下,穿燃弹对Q235钢靶板的极限穿深和对斜置陶瓷复合靶板的极限穿深的等效厚度的比也随之增大;同时,钢芯完整度逐渐降低,穿靶偏移角反向增大。     

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。     

多孔钛合金夹芯层陶瓷/UHMWPE复合结构的抗侵彻性能

陶瓷/纤维复合装甲的纤维背板由于其刚度较低,无法为陶瓷面板提供足够的支撑,削弱了陶瓷面板对弹丸的侵蚀作用。为了增强复合装甲的整体结构刚度,在陶瓷/纤维复合装甲中加入了金属夹芯层材料,通过试验和数值模拟研究了夹芯复合装甲对12.7 mm穿燃弹的抗弹性能。试验结果表明,穿燃弹弹芯表现出脆性断裂的失效模式,复合材料装甲表现出多种失效模式,包括夹芯层的花瓣形扩孔,UHMWPE (ultra-high molecular weight polyethylene)层压板的分层和凸起变形。建立了三维数值模型来分析整个弹道响应的演变,通过试验结果验证了模拟的准确性。模拟结果表明,12.7 mm穿燃弹的被甲会对陶瓷造成损伤,同时陶瓷会侵蚀弹芯的尖卵形头部,使弹芯头部变钝从而削弱弹芯对UHMWPE背板的侵彻能力。残余弹体的动能大部分由UHMWPE层吸收,UHMWPE层压板的失效模式会随着层数的增加由剪切失效转变为拉伸失效占主导地位。此外,作为夹芯层的多孔TC4板能够为陶瓷面板提供支撑,提高陶瓷面板的吸能效果以及弹体的侵蚀作用,并且12 mm孔径的TC4夹芯层能够提供更大的刚度支撑,使整体复合结构的吸能效率...     

复合装甲抗侵彻性能的数值分析

用数值分析的方法分别对金属、陶瓷、纤维增强复合材料组成的层合板和由陶瓷球填充的金属四边形蜂窝夹芯结构在冲击载荷作用下的抗侵彻性能进行了模拟计算.其中冲击载荷由12.7mm 直径的刚性穿甲弹模拟.研究了不同构型靶板在侵彻过程中对动能量的吸收机理,分析了两种复合靶板各组分材料的吸能特性,并比较了不同靶板的弹道极限速度V50.研究结果表明:在相同面密度条件下,层合复合靶板中具有最强抗弹性能的陶瓷层与纤维层的最佳比例是2.22,其与4340钢均质靶板相比质量减轻了33%;蜂窝填充陶瓷结构的靶板中灌注环氧树脂后其弹道极限速度提高了13%.     

装甲钢/UHPC复合靶体抗侵彻性能试验与数值模拟研究

装甲钢/超高性能混凝土（UHPC）复合防护结构在重点工程中抵抗弹体的高速侵彻作用具有广泛的应用前景。为评估该复合结构的抗侵彻性能,对两种复合靶体开展侵彻试验与数值模拟研究。首先,开展了12发30 mm口径30CrMnSiNi2A弹体372~646 m/s速度侵彻复合靶试验。随后通过一系列静动态力学性能试验标定装甲钢材料的本构模型参数,并建立三维有限元模型对上述试验开展数值模拟分析。通过对比试验和数值模拟得到的弹体侵彻深度、残余弹体长度和装甲钢板的失效模式,验证了装甲钢本构模型参数的可靠性。进一步基于弹道效益系数对复合靶抗侵彻性能进行了定量评估。最后,确定了不同装甲钢板厚度复合靶体的临界贯穿速度,并对弹体侵彻复合靶的弹、靶失效模式进行了讨论。     

长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃/侵彻特性

界面击溃/驻留效应可以有效提高装甲陶瓷的抗侵彻能力。为研究长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃及侵彻特性,开展了长杆弹撞击装甲陶瓷实验研究。同时,基于裂纹扩展理论建立了考虑界面击溃/驻留效应的长杆弹侵彻装甲陶瓷计算模型,以定量描述界面击溃/驻留效应对装甲陶瓷抗侵彻性能的影响。不同弹靶条件下的界面击溃/侵彻转变速度、界面驻留时间、侵彻速度与侵彻深度的理论计算值与实验结果具有较好的一致性,表明计算模型可靠。在此基础上,分析了弹体及陶瓷材料对界面击溃/驻留及侵彻过程的影响规律。研究结果表明:随着弹体撞击速度的提高,陶瓷表面由界面击溃向侵彻转变。考虑界面击溃/驻留效应的长杆弹侵彻装甲陶瓷理论模型,可以较好地反映不同弹体撞击速度对应的弹靶作用模式。弹体材料的屈服强度和密度越高,界面驻留时间越短,弹体侵彻靶体的能力越强;陶瓷的屈服强度越高,界面击溃/驻留效应越显著,靶体的抗侵彻能力越强。考虑界面击溃/驻留效应的长杆弹侵彻装甲陶瓷理论模型揭示了部分界面击溃作用机理,可为陶瓷复合靶的设计提供参考。     

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。     

叠层顺序对双层A3钢薄板抗侵彻性能的影响

在轻气炮上进行了卵形头、平头及半球形头杆弹正撞击等厚接触式双层靶的实验,得到了这几种 结构的剩余速度-初始速度曲线及弹道极限速度,研究了叠层顺序对靶体抗侵彻性能的影响。实验表明:叠层 顺序对双层靶体抗侵彻性能的影响与弹体头部形状密切相关。对于平头和半球形头弹,厚板在前、薄板在后 的靶体的弹道极限速度高于相反叠层顺序的靶体的弹道极限速度;但是对于卵形头弹,薄板在前、厚板在后的 靶体的弹道极限速度高于相反叠层顺序的靶体的弹道极限速度。叠层顺序对靶体弹道极限速度的影响主要 通过改变靶板的失效形式和靶板间的作用力实现。     

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。     

含装甲钢和陶瓷板的钢纤维砼复合靶的抗侵彻实验研究

为考察装甲钢板和陶瓷板的抗侵彻特性,在钢纤维混凝土靶中分别加入两种不同厚度的装甲钢板和陶瓷板振动成型。在57mm轻气炮上进行了小尺寸射弹侵彻钢纤维砼复合靶试验,测量了不同速度的射弹在不同靶中的侵彻深度。研究表明,当装甲钢板的厚度在5mm范围内,射弹速度超过400m/s时,装甲钢板的厚度对侵彻深度的影响不明显。对含陶瓷板的钢纤维砼,当射弹超过一定速度时,射弹弯曲断裂。通过分析给出了射弹残余弹长与射弹的密度、射弹的动态屈服强度和垂直撞击陶瓷板的速度的函数关系,理论结果与实验数据基本一致。     

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。     

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...     

穿甲燃烧弹侵彻陶瓷复合装甲和玻璃复合装甲的FEM-SPH耦合计算模型

为了提高小口径穿甲燃烧弹侵彻陶瓷复合装甲和玻璃复合装甲（透明装甲）的仿真分析精度,本文将传统的FEM（finite element method）-SPH（smooth particle hydrodynamics）耦合计算模型中穿甲燃烧弹弹芯的有限元模型和JC（Johnson-Cook）材料模型分别替换为SPH模型和JH2（Johnson-Holmquist-ceramics）材料模型,提出了新型FEM-SPH耦合计算模型。研究表明,新型FEM-SPH耦合计算模型可以有效模拟弹芯碎裂现象,减少SPH粒子和有限元耦合计算量,进而显著提高仿真模型的计算精度和计算效率,并给出了新型FEM-SPH耦合计算模型的有限元/粒子尺度和建模尺寸的优选结果。     

Q235钢板对半球形头弹抗侵彻特性

利用轻气炮进行了半球形头杆弹正撞击单层板和等厚接触式三层板的实验, 得到了这两种结构靶体的初始-剩余速度曲线以及弹道极限。采用ABAQUS/EXPLICIT数值模拟软件对杆弹撞击金属板的过程进行了数值模拟研究, 通过对比数值模拟和实验结果, 验证了数值模拟材料模型和参数的有效性。研究了靶体结构对抗侵彻特性的影响, 并分析了弹体对靶体的撞击过程。研究结果表明:多层板的弹道极限高于等厚单层板。单层板主要失效模式为剪切, 而多层板的主要失效模式为整体的蝶形变形和局部的盘式隆起。对于多层板, 靶板具体的失效模式与其在靶中位置相关。     

Optimization of two component ceramic armor for a given impact velocity

Using Florence’s model a problem of two-component ceramic-faced lightweight armors design against ballistic impact is solved. Approximate analytical formulas are derived for areal density and thicknesses of the plates of the optimal armor as functions of parameters determining the properties of the materials of the armor components, cross-section and mass of an impactor, and of the expected impact velocity.     

钨球侵彻防弹衣加红松木复合靶的研究

为研究钨球对防弹衣加人体等效靶的侵彻性能,利用12.7 mm弹道枪对钨球侵彻三级软体防弹衣加25 mm厚红松靶开展了实验研究;在此基础上,利用LS-DYNA3D软件对侵彻过程及破坏机理进行了分析,并研究了钨球质量变化对弹道极限及靶板能量吸收的影响;依据量纲分析建立了钨球侵彻防弹衣加红松木复合靶的穿靶能量公式,推导了钨球的弹道极限公式。研究结果表明:0.17、0.21、0.44 g的小钨球侵彻防弹衣加红松木复合靶的弹道极限分别为742.3、692.9、570.1 m/s;侵彻过程中,防弹衣以基体开裂、纤维断裂和拉伸分层破坏为主,纤维层面内出现类似“十”字型的损伤,松木靶以剪切和冲塞剥落破坏为主;随着钨球质量的增加,弹道极限呈幂函数形式降低,靶板的能量吸收率逐渐降低;钨球穿靶能量公式及弹道极限公式的计算结果与实验结果吻合良好,可分别用于计算不同侵彻速度下的穿靶能量和不同质量钨球的弹道极限。