聚脲涂层复合结构抗侵彻机理实验研究

为研究聚脲涂层复合靶板的抗侵彻性能,利用球形弹丸开展了相近面密度下的钢质靶板与喷涂聚脲涂层复合结构的弹道冲击实验,得到了钢靶与采用不同涂覆方式制备的聚脲涂层复合结构的抗侵彻性能,分析了失效模式和吸能机理。结果表明:冲击过程中,前聚脲涂层能有效缓冲弹体与钢靶之间的撞击载荷,使钢靶产生预变形,降低弹体的相对侵彻速度,延缓钢靶绝热剪切破坏的发生,提高复合结构的弹道极限;后聚脲涂层可与钢靶协调变形,形成冲塞质量块吸能,吸收弹体动能,在弹速较高时有较好的吸能能力。     

GFRP复合三明治板在高速弹体冲击下的弹道极限预测（英文）

研究了玻璃纤维复合三明治板在圆柱形平头弹体打击下的预测弹道极限的理论预测方法。建立了玻璃纤维复合三明治板的三阶段侵彻模型,包括侵彻面板阶段、侵彻复合材料夹芯层阶段和侵彻内板阶段。基于高速弹体侵彻下靶板的局部变形假设建立了理论关系,将弹体侵彻复合材料夹心层时视为刚体处理,面板和背板的侵彻阶段考虑了弹体的墩粗效应和靶板的绝热剪切效应。基于能量平衡原理,推导了复合材料三明治板的弹道极限,并将理论计算结果与实验结果进行对比和分析,研究了不同侵彻速度、弹体质量和夹心层厚度对弹道极限的影响。结果表明,理论计算结果与实验结果具有较好的一致性。     

爆炸冲击作用下铝蜂窝板失稳研究

基于非线性动力学软件AUTODYN,对铝蜂窝夹芯板在爆炸冲击载荷作用下的失稳过程进行三维数值模拟。通过建立不同参数规格的铝蜂窝夹芯板的实体模型,研究其前、后面板在TNT爆炸冲击作用下的动态响应及塑性阶段的失稳变形。计算结果表明:随着铝蜂窝板前、后面板厚度,夹芯层铝箔高度和厚度的增加,铝蜂窝板在爆炸冲击载荷下的最终残余变形量均明显减小,抵抗变形的能力增强;对于夹芯层胞元形状不同但相对密度相同的铝蜂窝板,因冲击载荷下单轴压缩"惯性效应"差异较小,其面板在爆炸载荷作用下的最终残余变形量差异不大。     

碳化硼陶瓷复合靶板抗侵彻性能实验研究

为研究碳化硼陶瓷的抗侵彻性能,开展了?12.7 mm钢球侵彻碳化硼陶瓷及复合靶板、12.7 mm长杆弹侵彻超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)约束碳化硼陶瓷复合靶板实验,讨论了碳化硼陶瓷的破坏模式,研究了约束方式对碳化硼陶瓷抗侵彻性能的影响。结果表明:在钛合金/UHMWPE背板约束作用下,弹丸与陶瓷的相互作用时间更长,产生更细的陶瓷粉末,大尺寸碎片含量减少,吸收的能量更多,陶瓷的抗侵彻性能进一步提高;背板在弹体和陶瓷锥的共同冲击下,造成钛合金的花瓣形卷边破坏,UHMWPE层合板伴随着较大范围的层间分层,形成"X"形隆起现象;采用纤维约束陶瓷,使碳化硼陶瓷板在子弹侵彻时能够保持完整,增强了对弹体的磨蚀作用,提高了抗弹性能,具有一定的抗多次打击能力。通过分析碳化硼陶瓷复合装甲的抗侵彻机理,为今后复合装甲的优化设计提供了参考依据。     

聚能侵彻体作用下钢-CFRP层合板的防护性能

碳纤维增强复合材料（carbon fiber-reinforced polymer,CFRP）具有优越的抗侵彻性能，正逐渐应用于舰船抗爆抗冲击防护设计。为了研究钢-CFRP层合板在聚能侵彻体作用下的防护性能，基于任意拉格朗日-欧拉方法建立聚能装药空中爆炸对钢-CFRP层合板破坏的数值模型，探究聚能装药的空中爆炸载荷特性及其对钢-CFRP层合板的毁伤机理。采用等面密度方法，设计了CFRP作为面板、背板和夹芯层时多种钢-CFRP层合板形式，通过侵彻后侵彻体头部降速以及层合板破口大小，讨论了CFRP敷设位置对层合板防护效果的影响，给出了较优的敷设形式。在此基础上，对层合板的厚度进行优化。结果表明：CFRP-钢-CFRP夹芯结构在聚能侵彻体作用下的防护效果最佳，较佳的厚度比为4.0∶1.4∶4.0。     

金属蜂窝夹芯结构抗水下冲击性能

为揭示高强度水下爆炸冲击载荷作用下金属夹芯结构的抗冲击性能,在实验室开展小尺寸水下爆炸加载技术对金属蜂窝夹芯结构性能影响的实验研究。基于实验结果,开展了全尺寸数值模拟金属蜂窝夹芯结构在水下冲击载荷作用下的动态响应和抗冲击性能研究。结果表明,数值模拟、实验和理论模型计算的结果具有良好的一致性。由于蜂窝芯材相对密度对夹芯结构能量耗散方式和载荷传递机制的影响,结构动态响应、失效模式以及抗冲击性能随着冲击强度的变化表现出较为明显的不同。通过抗冲击参数分析,建立了反映金属蜂窝夹芯结构抗冲击性能的结构横向变形、固支反力、透射脉冲和塑性能耗随冲击强度和芯材相对密度变化的结构-载荷-性能量化关系。     

多层级夹芯结构的变形与能量吸收

采用数值模拟与理论分析相结合的方法研究了多层级波纹板夹芯结构在准静态压缩载荷下的变形规律与能量吸收性能,建立了结构临界失效载荷的计算公式,并与数值模拟结果进行了对比,理论预测与数值模拟结果吻合较好。分析了芯层厚度对二级芯层结构在压缩载荷下的变形模式及能量吸收性能的影响,并与一级结构进行了对比。结果表明:二级芯层结构的能量吸收性能显著优于一级芯层结构;随着结构芯层厚度增加,二级结构的比吸能和载荷效率增大;芯层厚度较小时二级单层结构的比吸能高于二级双层和三层结构,二级双层结构的比吸能略高于二级三层结构。     

一种长杆弹超高速贯穿陶瓷/金属复合靶板的简化模型

基于合理简化假设建立快捷实用的工程分析模型是研究复合靶板抗弹体冲击能力的重要方法。已有弹体冲击陶瓷/金属复合靶板理论模型的形式及计算过程复杂,并且缺少弹体超高速(弹体初速大于1 500m/s)贯穿复合靶板的实验验证。综合考虑弹体侵彻破碎陶瓷锥体过程中破碎陶瓷强度的下降、弹体初速对破碎陶瓷锥半锥角取值的影响,以及金属背板挠曲变形对弹体侵彻破碎陶瓷锥的影响,基于半流体动力学Alekseevskii-Tate(A-T)模型建立了预测弹体超高速贯穿陶瓷/金属复合靶板残余速度的简化分析模型。通过与实验数据以及基于LS-DYNA有限元分析软件开展的钨合金长杆弹(初速1 800~2 600m/s)贯穿Al_2O_3陶瓷/RHA钢复合靶板数值模拟结果对比,验证了简化分析模型、数值模型及其相应参数的正确性和适用性。进一步基于简化模型,在总厚度或总面密度一定的条件下,讨论了4种陶瓷面板(Al_2O_3、AlN、SiC、B4C)和两种金属背板(RHA钢、铝)复合靶板的弹道性能。     

多阶式层级梯度蜂窝结构的共面冲击响应

为改善蜂窝结构共面的力学性能,基于传统六边形蜂窝结构,建立了六边形层级蜂窝结构,并利用层级蜂窝代替传统六边形蜂窝部分胞元层,复合成一种新型多阶式层级梯度蜂窝结构。利用显式动力学有限元方法研究了层级梯度蜂窝的共面在不同冲击速度作用下的冲击响应特性和能量吸收能力。研究结果表明：层级梯度蜂窝的变形模式与塑性坍塌强度和冲击速度有关;层级梯度蜂窝冲击端和固定端在不同冲击速度作用下的名义应力-应变曲线均与其变形模式有关;不同的复合方式会导致层级梯度蜂窝具有不同的平台应力和比吸能,且在高速冲击时其平台应力比传统六边形蜂窝提高45.4%～63.8%,能量吸收提升10.8%～34.1%。相对密度会影响层级梯度蜂窝的能量吸收能力。     

聚脲/铝分层复合结构的抗爆性能研究

为研究聚脲/铝分层复合结构的抗爆性能，对在空爆载荷下的聚脲/铝结构进行了数值模拟，并与文献中的试验结果进行对比，验证数值模型的准确性。在此基础上研究了等质量条件下，复合结构层数、复合结构中金属铝的体积分数以及聚脲层位置对靶板中心点挠度的影响，分析爆炸过程中结构的能量吸收特点。结果表明：在等质量下，聚脲/铝分层复合结构存在最优的结构设计；在所讨论的结构中，除铝体积分数为90%的4层结构外，其他结构的抗爆性能均优于均质铝板，铝体积分数为10%的一层结构的抗爆炸性能最好；聚脲涂覆位置影响结构的抗爆性能，且聚脲涂覆在背爆面时抗冲击性能更优；铝板的内能吸收是复合结构能量吸收的主要部分，铝板的内能吸收比例随着铝体积分数的增加先减小后增大。研究结果可为聚脲/铝复合结构的抗爆设计提供参考。     

各向异性蜂窝夹芯材料的电磁传输性能分析算法研究

蜂窝夹芯结构作为天线罩最常用的透波材料, 其电各向异性特征对电磁传输性能具有不可忽略的影响. 本文基于各向异性蜂窝夹芯材料对电磁波水平极化和垂直极化分量的有效介电常数, 建立了多层蜂窝夹芯材料的等效传输线网络传输方程, 并给出了其传输系数的计算公式.该计算公式由于考虑了材料的三维各向异性特征, 不仅理论上可以计算多层各向异性介质板对任意方向入射电磁波的传输系数, 而且能够揭示出材料方向角对传输性能的影响规律.同时, 通过传输线网络等效, 其计算效率远高于有限元等方法.数值算例表明, 本方法能够有效地揭示蜂窝夹芯材料的各向异性对其传输性能的影响, 计算结果在入射角为0°–80° 时与有限元法符合很好. 关键词： 电磁传输性能 电各向异性介质 蜂窝夹芯材料     

碳纤维-泡沫铝夹芯板低速冲击响应

为研究夹芯结构的低速冲击响应,以碳纤维(T700)/环氧树脂复合材料层合板为上下面板,以闭孔泡沫铝为芯层,模拟夹芯板落锤冲击时的损伤演化过程。复合材料层合板采用三维实体单元建模,基于有限元软件ABAQUS中的用户子程序VUMAT,引入三维Hashin失效准则模拟复合材料的损伤破坏;采用二次应力准则,Cohesive单元模拟黏结层的层间失效;闭孔泡沫铝芯层采用3D Voronoi细观模型建模。分析复合材料夹芯结构在落锤冲击下的损伤起始、损伤扩展和最终破坏模式,通过锤头的接触力、位移、夹芯板的内能、后面板的最大位移研究夹层结构的能量吸收情况及抗冲击特性,得出了在质量保持不变的情况下,5种芯层相对密度和厚度的耦合关系中的最优设计是芯层相对密度15.0%,厚度为10 mm,为满足实际工程中的需求提供了设计依据。     

约束对陶瓷/钢复合靶板抗侵彻性能的影响

为探究施加约束对陶瓷破碎位移规律和陶瓷复合装甲抗侵彻性能的影响，采用光滑粒子流体动力学-有限元法（SPH-FEM）对柱状弹侵彻陶瓷/钢复合靶板进行了数值模拟，根据陶瓷复合装甲的破坏响应特性和弹体运动、受力变化，对侵彻过程进行了阶段划分，并在此基础上分析了自约束、侧向约束、面板约束3种约束方式对陶瓷破碎位移的影响，并对靶板防护性能进行了改进。结果表明：通过施加约束限制陶瓷锥的位移是充分发挥陶瓷复合装甲防护能力的关键，施加3种约束方式均能够减小破碎陶瓷的横向位移或纵向位移，从而在一定范围内有效提升陶瓷复合靶板的抗侵彻能力。     

分段PELE弹体冲击多层靶板数值分析

为了实现侵彻体对多层靶板的高效毁伤,采用数值模拟方法研究了分段式横向效应增强体(PELE)对4层金属靶的侵彻效应,获得了弹体侵彻速度和靶板厚度对弹体终点效应的影响。结果表明,分段PELE弹侵彻4层靶的靶后效果优于普通PELE弹。与金属杆相比,分段PELE弹侵彻多层靶后的弹孔直径更大。弹丸贯穿各层靶板后壳体的径向速度峰值随着靶板厚度的增加而增大,而壳体破碎长度并不随之线性变化。提高弹丸侵彻速度时,弹丸穿过第1层靶板后壳体破碎长度的变化趋势与径向速度峰值的变化相似,穿过第2层和第3层靶板后壳体破碎长度和径向速度峰值在侵彻速度为1.4km/s时达到极大值,随后下降,而穿过第4层靶板后壳体破碎长度和径向速度峰值随着初速度的增加而增大。     

高速弹体对钢筋混凝土靶的侵彻/贯穿效应实验研究

为了研究高速弹体对钢筋混凝土靶的侵彻/贯穿效应,以100 mm口径滑膛炮作为发射平台,驱动10 kg级卵形弹体以820～1195 m/s速度撞击强度为31.0～43.6 MPa的钢筋混凝土靶,获得了弹体侵彻/贯穿钢筋混凝土靶的终点弹道实验数据,并对弹体的侵彻/贯穿深度、靶板侧面自由面效应、弹体的变形进行了详细分析。结果表明:弹体的侵彻/贯穿深度为2.2～2.8 m,部分经验公式预估的侵彻/贯穿深度与实验结果吻合较好;当靶面相对尺寸较小且弹速较高时,靶板侧面自由面效应比较明显;当弹速达到1195 m/s时,弹体开始由刚体向半流体转变。     

破片模拟弹侵彻船用钢靶板的计算模型

为研究破片模拟弹侵彻钢板的过程,将模拟弹冲击钢装甲的侵彻过程分为初始接触、弹体侵入、剪切冲塞和穿甲破坏4个阶段进行理论分析。当靶板剩余厚度的剪切冲塞抗力小于延性扩孔抗力时,靶板的破坏模式完全转变为剪切冲塞;剪切塞块速度与剩余弹体速度相同时,推导出破片模拟弹侵彻钢靶板的能量转化及剩余速度公式,与实验及有限元分析结果吻合较好。研究结果对于破片侵彻钢靶板威力设计具有一定实用价值。     

激光辐照下蜂窝夹芯复合材料结构传热及热烧蚀分析

结合蜂窝结构传热机制与复合材料烧蚀机制，研究了蜂窝夹芯复合材料结构在激光辐照条件下的热响应。针对典型蜂窝单元，建立了细观导热及烧蚀理论模型。基于有限元软件热分析模块和二次开发程序构建了蜂窝夹芯结构的高温传热数值模型，考虑了热物性参数的非线性变化、树脂热解和纤维烧蚀过程。采用连续激光作为加载热源，设计并开展了大气环境中蜂窝结构的热烧蚀实验，获得了蜂窝结构的动态烧蚀特征。结果表明，蜂窝夹芯复合材料结构在激光功率密度为102 W/cm2量级时具有良好的抗烧蚀能力，数值模型能够较为准确地模拟激光加载蜂窝结构过程中的烧蚀温度和树脂、纤维的烧蚀情况，并获得较为真实的烧蚀形貌。     

高速弹体非正侵彻混凝土靶的弹道偏转实验研究

利用二级轻气炮,进行了980~1870m/s速度范围内小尺寸弹体非正侵彻半无限混凝土靶实验,详细测绘了弹道轨迹及特征参数,重点研究了高速非正侵彻的弹道特性,并根据侵彻机理进行了侵彻过程分区。研究结果表明:与中、低速条件下的弹道不同,高速弹体非正侵彻半无限混凝土靶的侵彻弹道偏转更为明显,表现为典型的“J”形弹道,弹体终点姿态变化很大,弹道末端的偏转角可达130°。     

锥头弹丸撞击下固支金属厚靶的侵彻与穿透的理论研究(英文)

研究了在不同速度的刚性锥头弹丸撞击下固支金属厚靶的侵彻和穿透性能。假定靶板的变形是局部化的,且冲击能量仅通过侵彻过程吸收,同时假定弹体在侵彻过程中表面所受靶体的平均压力是由基于空穴膨胀理论的靶体材料弹塑性变形所引起的静态阻力以及速度效应引起的动阻力两部分组成,认为侵彻过程中靶体对弹体的静阻力要进行自由表面效应修正,而且动阻力是瞬时侵彻速度的函数。获得了锥头弹丸在侵彻和贯穿过程中的弹道极限速度和残余速度的公式。将理论预测与实验结果进行比较,发现两者符合得很好。     

焊接薄壁弹体侵彻多层钢筋混凝土靶实验研究

为研究焊接薄壁侵彻弹体的技术可行性,进行了有限元数值仿真,并参考数值仿真结果设计了一组对比实验,利用100mm口径滑膛炮作为发射平台,开展了焊接薄壁弹体侵彻多层钢筋混凝土靶实验。通过实验对比分析了4种不同焊接薄壁弹体的结构响应和靶板破坏情况,优选出了较佳的头部焊接工艺和位置,并对尾部连接方式的强度进行了考核。研究结果可为焊接薄壁弹体的结构设计提供参考。