聚脲弹性体涂覆结构抗侵性能与层间作用机制研究

研究了聚脲弹性体涂覆钢板、涂覆纤维复合材料板抗破片侵彻性能以及涂层与底材层间作用机制.通过弹道试验加载3.3 g立方体破片撞击聚脲涂覆钢板、FRC板结构,获得无涂覆、迎弹面涂覆和背弹面涂覆3种涂覆类型结构的弹道极限,得到了不同涂覆方式下结构抗侵彻性能差异以及变形与失效特征.结果表明,聚脲弹性体涂层对涂覆结构抗破片侵彻性能的影响作用与涂覆底材自身的吸能机制相关;钢板吸能形式为局部变形与剪切冲塞,涂层对钢板耗能作用影响小,且能够有效提高结构抗侵性能,迎弹面涂覆效果优于背弹面;FRC板吸能形式主要为背部纤维的拉伸断裂与层间分离,背弹面涂层抑制纤维板吸能作用,大幅降低涂覆结构抗侵效率.      

中厚背水金属靶板抗钝头弹高速侵彻机制分析

为探讨中厚背水金属靶板抗高速钝头弹垂直侵彻机制,根据不同的受力状态及耗能机制,结合中厚背水靶板抗高速侵彻特点,将高速钝头弹垂直侵彻中厚背水金属靶板的过程分为压缩镦粗、剪切压缩和剪切扰动3个阶段.基于3阶段侵彻机制,建立了钝头弹高速侵彻中厚背水金属靶板的瞬时余速计算模型.采用该模型计算了质量为3.3g的立方体破片弹丸侵彻厚度为5mm背水钢板的瞬时余速,理论计算值与实验结果及相应的模拟计算结果均吻合较好.由于计算模型考虑了靶后水介质的动支撑作用和动能耗散等效应,对高速钝头弹侵彻中厚背水金属靶板的瞬时余速能进行更合理的预测,具有一定的理论价值和工程应用价值.     

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.      

铀钛合金破片侵彻特性的实验研究

为研究铀钛破片的冲击侵彻特性,基于弹道驱动试验平台,测试了钛质量分数为0.5%~1.0%的5种典型钛合金破片对10 mmA3钢板的侵彻性能,获得了5种不同质量分数钛的铀钛合金破片对钢靶板侵彻前后的速度、质量、动能变化数据. 实验结果表明,铀钛合金破片侵彻钢靶时发出明亮火光,靶板的破坏形式以冲塞为主,并伴随有延性扩孔现象. 此外,钛质量分数为0.9%的破片动能损失最小,钛质量分数为0.75%的破片对靶板造成的剪切破坏最大.     

两种数值算法在球形弹丸侵彻复合靶中的应用

分别采用有限元法(FEM)和有限元同光滑粒子耦合(FE/SPH)算法对球形弹丸侵彻复合靶板过程进行数值研究。采用14.5 mm滑膛枪发射直径6 mm的钢质球形弹丸侵彻不同组合的钢/铝爆炸复合靶,通过弹道实验对数值算法的有效性进行验证。讨论了2种数值算法描述实验现象和结果的适用性,分析了靶板的破坏模式、层数、面密度和组合方式对靶板弹道性能的影响。结果表明:FEM算法较FE/SPH耦合算法能更直观地再现靶板层间结合界面的拉伸破坏形貌,且对实验结果的定量描述比FE/SPH耦合算法更接近实验结果,Tie-Break模型能够有效地反映靶板层间结合强度的影响;在球形弹丸的侵彻作用下,面板和夹板发生剪切冲塞破坏,铝背板发生延性扩孔破坏,钢背板发生瓣状破坏;在面密度相同的情况下,钢/铝/钢3层靶板具有最佳的抗侵彻性能。     

两种数值算法在球形弹丸侵彻复合靶中的应用

分别采用有限元法(FEM)和有限元同光滑粒子耦合(FE/SPH)算法对球形弹丸侵彻复合靶板过程进行数值研究。采用14.5 mm滑膛枪发射直径6 mm的钢质球形弹丸侵彻不同组合的钢/铝爆炸复合靶,通过弹道实验对数值算法的有效性进行验证。讨论了2种数值算法描述实验现象和结果的适用性,分析了靶板的破坏模式、层数、面密度和组合方式对靶板弹道性能的影响。结果表明:FEM算法较FE/SPH耦合算法能更直观地再现靶板层间结合界面的拉伸破坏形貌,且对实验结果的定量描述比FE/SPH耦合算法更接近实验结果,Tie-Break模型能够有效地反映靶板层间结合强度的影响;在球形弹丸的侵彻作用下,面板和夹板发生剪切冲塞破坏,铝背板发生延性扩孔破坏,钢背板发生瓣状破坏;在面密度相同的情况下,钢/铝/钢3层靶板具有最佳的抗侵彻性能。     

钢、陶瓷和UHMWPE纤维层合结构抗破片侵彻最佳组合方式

研究钢、陶瓷和UHMWPE纤维3种材料板抗破片侵彻的最佳叠层方式.对同一结构圆柱形破片,采用弹道枪加载方式对钢、陶瓷和纤维为组元材料的5种等面密度复合结构进行等着速度侵彻试验,通过对比复合结构的贯穿情况,掌握组元材料的最佳组合模式为钢/UHMWPE纤维,并以极限面密度吸能为表征参量,进行了钢/UHMWPE纤维层合结构与Q235钢抗破片侵彻性能的对比试验.研究结果表明,钢/UHMWPE纤维层合结构的极限比吸收能是Q235钢板的3.55倍.      

不同头形刚性弹丸侵彻钢靶力学行为

采用Autodyn-3D平台对不同头部刚性弹丸侵彻钢靶动力学过程进行了数值模拟研究。结果表明,头部形状对弹丸贯穿钢靶力学行为和破坏模式有显著影响,平头弹丸贯穿钢板主要表现为先产生绝热剪切带,后演变为冲塞贯穿破坏,冲塞厚度随着速增大而减小;半球形弹丸贯穿钢板主要表现为缩颈断裂及扩孔破坏,缩颈造成的塞块尺寸随着速下降而减小;锥形弹丸贯穿钢板主要表现为先经压缩和扩孔,最终造成靶板花瓣式穿孔破坏。      

钨合金球侵彻多层等间隔硬铝靶实验研究

进行了钨合金球侵彻多层等间隔硬铝靶的实验研究。获得了钨合金球贯穿靶板层数与撞击速度的关系。通过对球撞靶速度、靶板破坏模式、球变形和冲塞的观测，给出了钨合金球的临界破碎条件，建立了球变形的近似计算式和贯穿靶板的理论计算公式。实验结果与理论计算值吻合较好。并对钨球和钢球破片侵彻多层间隔硬铝靶进行了对比分析。     

基于ANSYS/LS-DYNA分析平头弹侵彻间隙式双层靶的失效模式

侵彻问题一直在军用和民防领域扮演重要角色。近年来针对单层靶通过数值模拟手段得到了较为满意的成果,而针对间隙式双层靶的研究相对较少。基于有限元软件ANSYS/LS-DYNA,分别对平头弹撞击6 mm和12 mm厚的单层靶以及(2×6+24)mm间隙式双层靶进行数值模拟,采用RechtIpson公式处理剩余-初始速度,得到以上三种结构形式靶板的弹道极限,并与理论预期和实验结果进行比较;通过数值模拟,证实了平头弹撞击(2×6+24)mm间隙式双层靶最终的破坏模式为剪切冲塞和绝热剪切冲塞混杂失效,这与理论分析一致。     

聚脲涂覆钢板结构抗爆性能试验研究

研究聚脲不同涂覆方式下单钢板与箱体结构的抗爆性能.进行了15.7 kg/m2相同面密度条件下2.0,1.5与1.2 mm三种厚度钢板的无涂覆、迎爆面涂覆结构抗40 g TNT外爆载荷试验,相同钢板厚度条件下1.5 mm与1.2 mm两种厚度钢板的无涂覆、迎爆面涂覆与背爆面涂覆结构抗60 g TNT外爆载荷试验,以及3.0 mm厚钢板所组成箱体的无涂覆、迎爆面涂覆与背爆面涂覆结构抗140 g TNT内爆载荷试验,通过对比不同涂覆结构的变形与破坏行为,分析聚脲涂层对结构抗爆性能的影响.结果表明,等面密度时迎爆面涂覆聚脲不能提高钢板的抗爆性能,等钢板厚度时涂覆聚脲能够有效提高钢板与箱体结构分别在外爆与内爆载荷下的抗爆性能,且背爆面涂覆时效果优于迎爆面涂覆.      

聚脲弹性体复合结构抗弹道冲击性能试验

采用7.62 mm口径弹道枪装置,对聚脲弹性体和硬铝合金板组成的涂层和三明治两种复合结构进行300~450 m/s速度范围的冲击试验,并分别从聚脲层和复合结构整体的单位面密度动能耗散、结构破坏模式和耗能机制等方面上进行了研究分析.从单位面密度动能耗散的角度分析,层状涂覆结构具有最优的抗爆性能,单一铝板次之,夹层结构表现最差;结构破坏方面,复合结构中聚脲层的存在会使铝板中的弹道在出口一侧出现收缩现象,会减小铝板的变形区域;聚脲层作为背板时可一定程度上减少铝屑飞溅,防止二次毁伤.     

爆炸载荷作用下玻璃钢/硬质聚氨酯泡沫夹层结构抗冲击性能实验研究

为分析玻璃钢/硬质聚氨酯泡沫组成的单夹层方板、双夹层方板以及单夹层方板单面喷涂聚脲结构在爆炸载荷作用下的动力响应及抗爆性能,进行了等面密度的3种结构靶板的爆炸冲击波毁伤效应试验,获得了3种结构靶板在爆炸载荷作用下的破坏模式,并比较了3种结构的抗冲击性能.研究发现,靶板的面板破坏模式以固支边界断裂裂纹、四角弯折裂纹和应力集中处剪切裂纹为主,芯层形成了明显的压溃区、裂纹聚集区、脱粘破坏和拉伸裂纹破坏.等面密度设计的双夹层方板和迎爆面喷涂聚脲的单夹层方板破坏程度和残余变形比单夹层结构更大;背爆面喷涂聚脲的单夹层方板破坏程度比单夹层结构更大,但背爆面板残余变形明显减小.      

7.62 mm步枪弹正冲击30CrMnSiA钢板破坏效应试验

采用Φ25口径弹道滑膛炮发射7.62 mm步枪弹头对经过某热处理工艺的4.1 mm厚30CrMnSiA钢板进行了正冲击弹道破坏效应试验.冲击速度为600～890 m/s.随着冲击速度的增加,通过试验分别观察到靶板的破坏模式依次经历隆起和盘形凹陷的塑性变形、花瓣型破坏以及冲塞型破坏3种模式.弹道极限速度在662 m/s左右.试验结果分析表明,对靶板的冲击效应主要体现在弹头内强度较高的钢芯上,但当冲击速度提高到一定程度之后,被甲的质量效应开始表现出来,形成继钢芯冲塞靶板之后的二次冲塞;冲击之后的弹头钢芯头部镦粗,且其镦粗程度随弹头冲击速度的提高逐渐降低,一般不发生质量侵蚀现象.     

高密度活性破片碰撞双层靶毁伤效应

 采用弹道碰撞实验,对高密度冷压成型和烧结硬化PTFE/Al/W活性破片正碰撞双层间隔铝板毁伤效应问题进行研究。实验结果表明,在高速碰撞条件下,活性破片对前靶的作用主要体现为动能贯穿破坏,与前靶相比,后靶毁伤更为严重,表现为更大的穿孔尺寸和毁伤面积,并伴随有显著的隆起及裂纹等结构破坏。引入裂纹扩展理论,分析了碰撞速度及靶板厚度对活性破片动能侵彻和爆炸作用联合毁伤效应的影响,从机理上揭示了后靶结构毁伤行为和效应。     

钨合金球形破片侵彻DFRP靶板的试验研究

为研究钨合金球形破片对DFRP靶板的侵彻规律,利用弹道枪动加载设备,研究了两种质量的钨合金球形破片对不同厚度DFRP靶板的侵彻. 根据弹道试验结果,获得了弹道极限速度和靶板面密度的关系,并利用量纲分析法得到了弹道极限速度的经验关系式,其预测值与试验结果吻合较好;分析了DFRP靶板在钨合金球体高速撞击下的主要破坏模式及细观吸能机制,并且获得靶板面密度和钨合金球形破片的初始撞击速度对弹道吸能的影响规律.      

立方形破片对钢靶的穿甲威力研究

利用14.5 mm弹道枪通过六射弹弹道极限法,结合LS-DYNA数值计算法研究了8 g立方形钢破片和3 g、8 g立方形钨合金破片垂直侵彻Q235钢靶板的v50弹道极限速度,并分析了三种类型破片在v50弹道极限速度附近的穿甲机理、穿甲威力等。结果表明,三种破片在侵彻靶板时具有相同的穿甲机理,两种类型的钨合金破片具有良好的穿甲效果。在冲击比动能相差不大的情况下,贯穿5 mm靶时,破片材料的密度是影响穿甲威力的主要因素;而贯穿10 mm靶时,破片的密度和质量共同决定着破片的穿甲威力。