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.      

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。     

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.     

不同速度下B4C陶瓷/铝合金轻型复合靶板抗侵彻行为研究

陶瓷复合装甲由于其本身高硬度、低密度的特点被广泛应用于高机动性武装载体上，其主要威胁弹体为12.7 mm穿甲燃烧弹。该弹种在侵彻陶瓷轻型复合靶板时弹芯会发生脆性破碎失效行为，弹丸着靶速度的不同会导致弹芯破碎程度的变化，从而直接影响侵彻结果。利用12.7 mm穿燃弹以区间速度498.9～769.2 m/s撞击B₄C/铝合金轻型复合靶板的试验，对靶板与弹芯的损伤模式与侵彻行为进行多尺度分析，并利用LS-DYNA软件进行相应数值模拟。研究结果表明：6061-T6铝合金背板主要失效形式为花瓣形撕裂穿孔并伴随永久性隆起形变，试验得到的弹芯碎片的平均特征尺寸随着侵彻速度的增大而减小，证明在高速侵彻过程中弹芯损伤更为严重；弹芯头部的应力远大于其他位置的应力，弹体从头至尾部方向峰值逐渐降低；对弹芯造成损伤的主要为陶瓷抗弹面板，主要损伤位置为陶瓷粉碎区；背板在侵彻过程中主要对陶瓷起支撑与缓速作用，对弹体的体积与形变无明显影响；陶瓷/铝合金复合装甲的能量吸收能力随着侵彻速度的增大而提高。     

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.     

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。     

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.     

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.     

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.     

Numerical Simulation on Ceramic/Metal Armours Impacted by Deformable Projectile

Numerical simulation for the dynamic response of ceramic/metal armours impacted by deformable projectile is carried out with LS-DYNA3D.The simulated penetration processes are shown. The mushrooming of the projectile is displayed. A distinct conoid shaped zone of fragmented ceramic is observed. A significant bending of the backing plate is revealed. Simulation results match fairly well with the experimental values and the theoretical analysis results. The accuracy of the numerical simulation is validated.     

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.      

SiC/Al层状复合材料的弹道冲击动态响应

本文设计并制备了两种不同结构的多层SiC/Al合金复合材料,对其进行了弹道冲击测试。其中结构A为具有两层陶瓷板和一层金属内衬板;结构B为具有三层陶瓷板和两层金属内衬板。具有三层陶瓷板的结构B,相对于具有两层陶瓷板的结构A,在弹道冲击作用下,表现出较好的结构完整性。弹道冲击后,作用于结构A的弹体质量损失大,但是其长度损失小。对于结构B,单层陶瓷板厚度较小,但是对弹体的磨蚀作用强于结构A。陶瓷/金属层状复合材料作为一个整体,金属内衬板自身也吸收一部分冲击动能,从而导致了向后的变形,同时也产生阻力对断裂锥和弹体进行减速。此外,弹－靶结合瞬间产生巨大的热量,导致弹体发生部分熔蚀,也是弹体质量和长度损失的原因之一;同时金属内衬板也发生部分熔化。     

陶瓷复合靶侵彻问题的数值模拟研究

在质点网格法的基础上,提出了质点映射算法,给出了在欧拉算法下脆性材料累积损伤破坏的数值方法. 将陶瓷材料的JH-2损伤本构模型嵌入自主开发的MMIC-2D欧拉型爆炸与冲击问题数值模拟程序中,利用该程序对钨杆侵彻陶瓷复合靶板问题进行了数值模拟,获得了靶板的动态破坏过程图像,并分析了盖板和侧向约束对抗侵彻能力的影响. 数值模拟结果与实验结果吻合较好,验证了算法的有效性.     

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.