抵御小口径火炮弹道侵彻装甲防护模拟实验研究

为研究舰艇结构在小口径火炮弹道冲击下的响应以及各种舰用装甲结构抵御小口径火炮弹道冲击的有效性,以典型的小口径火炮战斗部为模拟对象,根据弹道冲击的相似理论,分别设计了模拟实验的弹体和6种靶板结构,并进行了弹道冲击实验研究。模拟实验结果表明,普通舰艇结构不能抵御小口径火炮弹道侵彻,必须设置专门的防护装甲;采用陶瓷/钢/纤维增强复合材料组合装甲结构抵御小口径火炮时,装甲防护结构比均质钢装甲减轻约60%;陶瓷材料能改变背板的破坏形式和破坏程度,大大增加背板的吸能量,此外,陶瓷对弹体的侵蚀、钝化及碎裂能大大降低弹体的侵彻能力。     

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。

     

空爆冲击波与破片群联合作用下聚脲涂覆陶瓷复合装甲结构毁伤特性

基于均质钢板、聚脲涂层材料、SiC陶瓷材料设计了4种聚脲涂覆复合装甲结构,采用装药驱动预制破片试验方法开展了近炸下复合装甲结构毁伤特性实验研究,提出了各组分的毁伤破坏模式,对比分析了4种防护装甲结构的防护性能,探讨了复合装甲结构的防护机理。结果表明:作用于目标结构的破片动能远大于冲击波能,聚脲涂覆复合装甲结构的防护效能明显优于多层均质钢装甲,增加陶瓷厚度较增加背板、前面板厚度对提高整体防护效能更有效,破片撞击将引起陶瓷块大面积损伤,严重影响了其对后续着靶破片的防护性能。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。

     

高速3D-DIC测试技术在装甲钢贯穿试验中的应用

数字图像相关（digital image correlation, DIC）技术作为一种非接触、非干涉的全场无损光学量测技术,可获取材料表面的动态变形信息和破坏过程。为了评估装甲钢的抗弹性能并探索高速三维数字图像相关（3D-DIC）技术在钢板贯穿试验测试中的应用,基于氢氧爆轰驱动弹道枪开展了7发15 mm口径可变形弹体以不同速度（255～568 m/s）冲击不同厚度（5、8和10 mm）高强高硬装甲钢板的试验,并结合帧率为144 000 s⁻¹的高速3D-DIC测试技术获取了靶板的离面位移和应变时程。随后,基于前期标定并验证的装甲钢本构模型参数,对上述试验进行了数值模拟。通过对比弹体残余速度和长度验证了有限元分析方法的可靠性。进一步通过对比试验与数值模拟得到的靶背离面位移时程曲线和不同时刻靶背的应变云图,验证了高速3D-DIC测试结果的准确性。最后,对比分析了靶板最大离面位移与弹体冲击速度和装甲钢板厚度的关系。高速3D-DIC测试技术的应用可为相关试验测试提供参考,靶板最大离面位移分析结果可为屏障类防护结构的分析验证和优化设计提供试验依据。

     

Effect of air gap and order of plates on ballistic resistance of two layered armor

The high velocity normal impact of a three-dimensional rigid conical impactor penetrating into a two-layered ductile armor with an air gap is studied using a simplified model for an impactor–armor interaction. The goal of the study is to investigate analytically the dependence of the ballistic resistance of the armor on the order of the plates in the armor and on the width of an air gap between the plates. It is found that the ratio between the values of a single parameter depending on the material properties of the plates determines this dependence in both cases. This parameter characterizes the properties of the material of the plate; for the most widely used models of impactor–armor interaction, it is the ratio of the distortion pressure to the density of the plate.     

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。     

钨合金长杆弹侵彻陶瓷层合板的数值模拟

用自编计算程序给出了长杆弹侵彻陶瓷层合板的数值模拟。其中层合板的面板和背板均为装甲钢,中间为3层氧化铝陶瓷。装甲钢和长杆弹材料的本构关系采用Johnson-Cook模型,将Mohr-Coulomb盖帽模型与Bodner-Partom模型相结合来描述氧化铝陶瓷的失效和流动过程。为了提高有限元的计算精度,使用了一致质量矩阵迭代法,破坏网格的处理采用了网格侵蚀法。数值模拟的最终穿深计算结果与实验一致。     

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。     

带攻角平头弹侵彻不同厚度芳纶层合板的数值模拟

为研究攻角对不同厚度芳纶层合板抗平头弹侵彻性能的影响,构建了三维有限元计算模型,首先通过对比实验结果验证了其可靠性,然后基于该数值模型,进一步计算了0°～30°攻角范围内,4、8和16 mm靶板的弹道响应,从子弹剩余速度、靶板能量吸收率、极限弹道速度与穿孔能量阈值4个方面,综合评估了芳纶层合板的抗侵彻性能。结果表明：攻角的影响与靶板厚度及子弹入射速度有关,随着攻角的增大,靶板的极限速度和穿孔能量阈值均有所降低,降低的程度随厚度的增加而减小;入射速度接近芳纶层合板弹道极限速度时,子弹剩余速度随着攻角增大而增大,但速度远高于弹道极限速度时,子弹剩余速度随着攻角增大而减小;攻角对芳纶层合板弹道性能的影响机理随靶板的破坏模式不同而改变。

     

材料强度对层板抗弹性能和损伤特性的影响

根据纤维增强复合材料宏细观结构特征,基于ABAQUS软件平台,建立了层合板高速冲击损伤三维有限元分析模型.该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层,采用三维粘弹性本构,结合Hashin失效准则模拟单层板面内损伤,利用该模型,深入研究了复合材料层板的抗弹性能和损伤特性,数值分析结果与实验结果吻合良好,证明了该方法的合理有效性.通过数值分析,详细探讨了材料强度参数对层板抗弹性能和损伤特性的影响规律,获得了一些有价值的结论.     

陶瓷/液舱复合结构抗侵彻数值分析

为研究陶瓷/液舱复合结构抗侵彻机理,在前期弹道冲击实验结果基础上,运用LS-DYNA进行了数值模拟,再现了陶瓷/液舱复合结构在弹体冲击下的破坏过程和破坏模式,得到与实验一致的结果。结果表明:弹体撞击结构后,结构内产生的冲击波以撞击处为圆心、以球形向前传播,并在结构内来回反射振荡;弹体在水中运动时,水中形成空泡且不断扩展,弹体头部水域形成高压区域;弹体发生墩粗和侵蚀破坏,在低速冲击下,弹体破坏主要发生在穿透陶瓷和前面板过程中,在高速冲击下,弹体破坏主要发生在水中运动阶段,最终形成类似“饼状”的严重变形;前、后面板发生局部破坏和整体变形,在高速弹体撞击下,后面板将发生花瓣开裂。     

Interface defeat of ceramic armor

界面击溃效应(interface defeat)是射弹撞击陶瓷材料过程中,陶瓷表面产生的特有现象.国内外学者在近30年来对陶瓷界面击溃效应开展的大量研究工作表明界面击溃效应中射弹界面驻留(dwell)时间的增加以及界面击溃/侵彻转变速度的升高能够大量消耗弹体动能、有效提高装甲陶瓷的抗弹性能.本文主要从实验、理论和数值模拟三方面介绍国内外学者开展的工作,包括陶瓷界面击溃效应的宏观与微观力学机制及其研究方法等.针对现今对界面击溃效应研究的不足, 提出了关于未来研究方向的建议.     

装甲陶瓷的界面击溃效应

界面击溃效应(interface defeat)是射弹撞击陶瓷材料过程中,陶瓷表面产生的特有现象.国内外学者在近30年来对陶瓷界面击溃效应开展的大量研究工作表明界面击溃效应中射弹界面驻留(dwell)时间的增加以及界面击溃/侵彻转变速度的升高能够大量消耗弹体动能、有效提高装甲陶瓷的抗弹性能.本文主要从实验、理论和数值模拟三方面介绍国内外学者开展的工作,包括陶瓷界面击溃效应的宏观与微观力学机制及其研究方法等.针对现今对界面击溃效应研究的不足, 提出了关于未来研究方向的建议.      

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。