UHMWPE背板铺层角度对陶瓷复合靶板抗弹性的影响

由于背板强度对陶瓷/纤维复合装甲的抗弹性能存在明显影响，采用12.7 mm穿燃弹(刚脆性)冲击实验研究了不同UHMWPE背板铺层角度对陶瓷/纤维复合装甲弹道冲击性能的影响.通过观测回收的弹芯、靶体陶瓷及纤维背板宏观破坏特征，分析了陶瓷/纤维复合装甲的耗能机理及抗弹性能.试验结果表明，陶瓷锥是陶瓷面板的主要破坏模式，其宏观裂纹主要有:径向、环向及与锥形裂纹；纤维背板变形模式为动态锥形鼓包及边界褶皱，其破坏失效模式有:剪切失效及层间剥离.并且，背板强度对陶瓷/纤维复合靶板的抗弹性能有明显影响，随着UHMWPE背板铺层角度的减小，背板强度以及陶瓷/纤维靶板整体结构刚度随之增大，靶板对弹芯的破碎作用越明显，冲击后剩余弹芯最大碎片质量减小，小碎块数量增多，弹丸碎块穿透靶板后剩余侵彻能力减弱，复合靶板整体抗弹性能增加，同时背板鼓包高度减小，锥形鼓包所形成的角度增大，纤维层合板的破坏失效模式从剪切失效向层间剥离转变.      

钢/Al2O3陶瓷/钢轻型复合装甲板抗弹性能

为优化设计钢/Al2O3陶瓷/钢轻型复合装甲板,结合薄板冲塞的极限速度方程与Florence模型建立了钢/Al2O3陶瓷/钢轻型复合装甲板的抗弹极限速度预测模型. 根据模型,分析了不同面板、背板及陶瓷厚度组合对钢/Al2O3陶瓷/钢轻型复合装甲板抗弹极限速度的影响,并通过7.62mm普通钢芯弹侵彻钢/Al2O3陶瓷/钢复合装甲板试样实验验证了该模型的正确性. 结果表明,钢面板厚度小于1.0mm时,复合板抗弹极限速度计算值和实验值之间的相对误差在15%以下,陶瓷芯与钢背板的厚度比保持在1.5～4.5之间比较合理.     

YAG透明陶瓷复合靶抗弹机理研究

透明陶瓷是兼具较好的力学和光学性能的新一代透明防护材料，在低面密度、高透过率、高防护能力的透明装甲方面有重要的应用前景. 为探究YAG透明陶瓷复合靶抗弹机理，本文基于弹道枪测试平台与高速摄影技术，获得了12.7 mm穿甲燃烧弹冲击YAG透明陶瓷复合靶的弹靶冲击瞬态作用过程，确定了透明陶瓷复合靶各层损伤特征与弹体的破坏形态，测定了背板背凸量. 在此基础上，利用AUTODYN动力学有限元模拟软件，建立了YAG透明陶瓷复合靶抗制式弹过程的有限元模拟方法，探究了典型结构透明陶瓷复合靶的抗弹机理，并分析了透明陶瓷与聚碳酸酯层厚度变化对其抗弹性能的影响规律. 研究结果表明，透明陶瓷复合靶依靠透明陶瓷面板的高强度破碎弹体以有效消耗弹体冲击动能，玻璃层消耗陶瓷锥的冲击能量，背板吸收残余动能，从而实现低面密度的透明防护；透明陶瓷面板的增加能够更为有效地破坏弹体，从而实现提高装甲防护能力的目的；聚碳酸酯在一定的厚度范围区间能实现复合靶较低面密度的高效防护作用.      

平头弹贯穿陶瓷/金属复合装甲的分析模型

利用能量法建立平头弹贯穿陶瓷/金属复合装甲的分析模型.假定在贯穿过程中弹丸的动能被弹体、陶瓷板和金属背板3部分吸收.该模型考虑了弹体的销蚀与墩粗变形,陶瓷板的压碎与剪切破坏以及金属背板在不同厚度下的破坏模式.在给定的弹靶条件下,可以预测靶板的弹道极限及弹体的残余速度.模型计算结果与相关实验数据吻合较好.     

陶瓷/金属复合靶板侵彻问题的数值模拟

利用大型非线性有限元程序LS—DYNA,对陶瓷／金属复合靶板的侵彻问题进行数值模拟,研究了陶瓷面板中锥形破坏区的形成过程．金属背板的弯曲及撕裂过程和弹体的墩粗变形及弹头消蚀过程．给出了背板背面中点和弹体尾部的位置坐标随时间的变化曲线,并将模拟结果与理论模型分析结果和实验结果进行了对比,发现三者吻合很好．文中还分析了不同陶瓷面板和金属背板厚度比对复合靶板抗弹能力的影响,结果表明,要提高靶板的抗弹能力,一定存在一个最佳的厚度比,这一结论对复合靶板设计具有参考价值．     

约束机制对陶瓷复合靶抗弹性能的影响

为研究三维约束对陶瓷复合靶抗弹丸侵彻性能的影响,设计几种约束状态下的陶瓷复合靶板结构进行模拟 研究.利用LS-DYNA对约束状态下靶体的抗弹性能进行数值分析,得到靶体破坏与弹丸侵蚀特征以及弹靶侵彻过程中的速度、加速度和内能变化曲线.计算结果表明:不同材质的背板约束机制不同,纤维板做背板能够发挥较好的支撑作用;陶瓷面板侧向约束复合靶抗弹丸侵彻能力大大优于非侧向约束陶瓷;纤维板做盖板陶瓷复合靶板有较优的抗弹性能.     

氧化铝陶瓷复合靶抗长杆弹侵彻的数值研究

采用有限元软件包 ANSYS/LS-DYNA ,对长杆弹侵彻氧化铝陶瓷复合靶的过程进行数值模拟分析。在研究中系统地考察了随着长杆弹着靶速度的改变对氧化铝陶瓷复合靶产生的侵彻影响。结果表明：陶瓷材料以其较高的硬度有效的使得长杆弹头产生较大的变形,从而阻止侵彻深度的增加。特定组成成分的陶瓷复合装甲只对一定速度范围内的侵彻体有较好的防御效果。     

陶瓷/芳纶纤维复合靶板防弹性能研究及结构改进

为了提高靶板防弹性能,提出一种由陶瓷和芳纶纤维复合材料构成的防弹结构。对陶瓷及芳纶纤维防弹性能有限元仿真分析的结果表明：陶瓷的弹孔面积大于纤维,陶瓷内部的形状比较粗糙而纤维则比较平滑,陶瓷吸能主要是通过自身的破碎和断裂及应力波的传递实现的,而纤维吸能则主要是通过自身的拉伸和延展将弹丸的动能转换为自身的弹性势能和断裂能。此外,基于陶瓷和芳纶纤维的抗侵彻原理,进行了复合靶板的结构设计,并利用NSGA-II算法对层间材料的厚度进行了优化,优化后复合靶板子弹的剩余速度降低了185 m/s,靶板的面密度降低了5.4 kg/m²,综合防弹性能得到了明显提高,为后续进行新型轻质防弹复合装甲的结构设计提供指导思路。     

橡胶复合靶板抗成型装药射流侵彻研究

为研究橡胶复合靶板对成型装药射流的干扰作用机理,分析了射流侵彻“三明治”结构橡胶复合装甲时应力波在多层介质中的传播,研究了背板上射流作用区域的质点运动规律.运用开尔文—亥姆霍兹流体不稳定性原理分析了橡胶复合靶板背板质点速度对射流的干扰作用.预测了倾角以及橡胶夹层厚度对复合装甲抗射流干扰的影响.通过X-光脉冲试验和剩余穿深试验获得了射流侵彻复合靶板后射流变形情况和射流剩余侵彻能力变化情况.证明了采用应力波原理和开尔文—亥姆霍兹不稳定性分析橡胶复合靶板对射流干扰作用机理的可行性与正确性.试验证明橡胶复合装甲具有优异的防护能力,可以作为一种新型防护装甲.     

爆炸复合金属靶抗侵彻性能分析

针对弹体侵彻爆炸复合金属靶的问题,提出了用固连．失效模型反映爆炸复合板层间结合的方法。利用非线性有限元程序LS-DYNA3D对爆炸复合靶的弹道侵彻过程进行了数值模拟。结合弹击实验分析了靶板的破坏机理和吸能方式。借助于数值模拟结果定性地分析了靶板层间结合强度和厚度分布对抗侵彻性能的影响。结果表明：采用该固连-失效模型可较好地模拟爆炸复合靶在弹体侵彻下的变形过程;较硬的面板对弹丸的破坏作用和较软的背板对弹丸能量的吸收作用将使得复合板的抗侵彻性能提高;面板与背板厚度比约为2：1时抗侵彻性能最好;界面结合强度的存在也将提高复合靶的抗侵彻性能。     

背板对氧化铝陶瓷薄板断裂锥形态的影响

采用弹道侵彻试验与有限元数值模拟相结合的方法,研究了背板条件对氧化铝薄板陶瓷/金属复合装甲在抗12.7 mm穿燃弹过程中形成的陶瓷锥角大小与形态的影响,并分析了陶瓷锥形成的过程与机理.结果表明:背板厚度对于陶瓷锥大小的影响尤为明显,当背板厚度增大时,主裂纹汇聚的交点越靠近弹靶接触面,此时拉剪裂纹的扩展起到了主要作用,当背板厚度与陶瓷厚度之比小于1时,厚度比每增大1/6,陶瓷锥锥角大小增加5%;当界面间波阻抗差值减小即背板材料波阻抗升高时,从界面反射的应力波减弱,从而减小了对陶瓷的损伤,陶瓷断裂锥锥角大小也随之减小.      

EFP侵彻陶瓷/金属复合靶实验运动网格法模拟

为高效地实现EFP弹丸成型、飞行及大炸高下侵彻氧化铝陶瓷/金属复合靶过程的数值模拟研究,采用JH-2模型描述99氧化铝陶瓷本构关系,运动网格法进行流场计算,流固耦合算法实现EFP对复合靶板的侵彻作用.该方法解决了EFP在大炸高下形成及侵彻靶板过程计算总网格数过多问题,获得了侵彻过程中陶瓷的损伤演化和分布以及在A3钢背板中的侵彻深度.结果表明:数值模拟所得EFP头部速度值与实验值基本一致,尾部速度值略高于实验值,EFP的长径比略高于实验值;在背板中的残余侵深比实验结果略高,但差别不大;EFP在钢背板中的残余侵彻深度随陶瓷厚度的增加而减小,残余侵深与陶瓷厚度之间基本呈线性关系.     

破片侵彻钢/陶瓷/钢复合板的特性分析

为了从理论角度分析钢/陶瓷/钢复合板抵御爆炸破片的侵彻能力,将钢/陶瓷/钢复合靶板简化为由单层的薄板(钢面板)与陶瓷/钢复合靶板组合而成,建立了破片侵彻复合板过程的理论分析模型。结合Florence模型推导了弹体穿透钢/陶瓷/钢复合靶板的剩余速度公式。采用非线性动力学计算程序AUTODYN模拟了圆柱形破片对钢/陶瓷/钢复合靶板的侵彻过程,模拟结果与理论计算结果吻合较好,推导得到的理论公式具有一定的工程实用性。     

圆筒型陶瓷-钛合金-芳纶三单元层复合靶板结构抗弹性能数值模拟及其内在机理

针对53式7.62 mm口径穿甲燃烧弹对圆筒型陶瓷-钛合金-芳纶三单元层复合靶板结构的侵彻过程,本文开展了抗弹性能数值模拟研究.模拟结果表明,弹体垂直入射将造成陶瓷块开裂破碎,最终撞击在钛合金单元层上形成凹坑,复合靶板穿深与试验所测结果吻合良好,相对误差仅为9.4%;陶瓷、钛合金、芳纶三个单元层消耗的能量所占百分比分别为83.77%,13.77%,2.46%.在此基础上,通过设置0°~70°系列不同初始时刻入射姿态角θ₀,发现弹体侵彻过程中陶瓷单元层耗散的能量占复合靶板耗散总能的比值始终最大.进一步分析陶瓷单元层可知,随着θ₀的增大,陶瓷单元层受力峰值总体呈减小的趋势.且入射姿态角不同,弹靶作用模式也存在差异.对陶瓷单元层进行耗能分析,可知其与质量损失变化大体一致.但初始时刻入射姿态角为30°时,由于弹靶作用过程以弹身接触靶板为主,靶板质量损伤大但能量获取相对较少.      

约束应力对AD95陶瓷弹击损伤特征的影响

采用53式7.62 mm穿燃弹侵彻不同约束应力下AD95陶瓷复合靶,观察了回收靶板的弹击损伤形貌,分析了弹靶作用过程和约束应力对AD95陶瓷弹击损伤特征的影响规律.结果表明,随着约束应力的增大,陶瓷面板损伤减小,完整性提高;当约束应力达到193 MPa时弹靶之间出现界面击溃现象.约束应力条件下弹击后4 mm厚陶瓷面板上存在两种同轴锥形裂纹,所构成的两个锥形体之间是陶瓷粉碎区;约束应力提高了陶瓷动态强度,抑制了陶瓷粉碎区的生长,延长了弹靶作用中dwell的持续时间,快速消耗了弹丸动能,减小了靶板损伤.     

陶瓷靶抗侵彻特性的数值模拟研究

研究增韧对氧化铝陶瓷抗侵彻性能的影响.采用AUTODYN软件和JH-2模型参数对10%ZrO2增韧Al2O3陶瓷(简称ZTA陶瓷)和AD95陶瓷复合靶抗长杆弹侵彻性能,进行了系列数值研究,并与45号钢的抗侵彻性能进行了对比.研究结果表明,长径比一定的长杆弹对复合靶的侵彻存在一个最佳的冲击速度;在高速冲击下,两种陶瓷复合靶的防护系数均大于1,陶瓷材料能够有效提高装甲的抗长杆弹侵彻能力;不同工况下ZTA陶瓷抗长杆弹侵彻能力优于AD95陶瓷.     

两种长杆弹侵彻半无限厚装甲钢靶研究

采用海37 mm弹道炮发射次口径钨合金和钨纤维增强非晶复合长杆弹进行了高速侵彻装甲钢靶试验,并借助三维非线性动力有限元程序ANSYS LS-DYNA对1.0~2.6 km/s速度条件下两种长杆弹侵彻半无限厚装甲钢靶问题进行了数值模拟,分析了弹体材料和速度对其侵彻性能的影响,并对其毁伤机理进行了初步分析.实验与数值计算结果均表明钨纤维增强非晶复合长杆弹的侵彻性能优于钨合金长杆弹;实验侵彻过程中,钨纤维增强非晶复合长杆弹产生了自锐现象,而钨合金长杆弹则是形成了蘑菇头;数值模拟结果表明两种长杆弹的破坏模式随入射弹速的变化而变化.     

陶瓷复合靶板抗长杆弹侵彻的数值模拟分析

采用LS-DYNA非线性有限元程序对长杆弹垂直入射陶瓷/金属靶板的侵彻过程进行了数值模拟分析.重点研究了弹体入射速度在600~1400 m/s情况下,陶瓷面板侧向约束的影响,发现侧向约束板存在最佳厚度,此时靶板的防护系数最高.     

夹层对陶瓷/装甲钢复合结构应力波传播及抗弹性能影响

选取陶瓷/装甲钢复合结构为研究对象,开展霍普金森压杆试验(SHPB),研究夹层材料对复合结构应力波传播与能量耗散的影响;采用12.7 mm穿甲燃烧弹对不同夹层复合结构进行靶试验证,开展夹层材料对复合结构抗弹性能的研究. 结果表明:在陶瓷/装甲钢复合结构中引入合适的夹层材料作为过渡层,对应力波衰减起到一定改善作用;能显著提高复合结构的抗弹性能.     

长杆弹对陶瓷复合装甲斜侵彻的数值模拟

该文结合某型陶瓷复合装甲的侵彻实验,利用三维非线性动力有限元程序LS—DYNA3D,建立高速钨质长杆弹对多层陶瓷复合装甲侵彻的有限元分析模型,描述了侵彻全过程的有关物理和力学现象,并与实验进行对比,数值结果与实验结果吻合,对进一步研究复合装甲防护及弹体侵彻性能具有一定的参考价值。