陶瓷基装甲抗枪弹机理研究现状

从陶瓷基装甲的特点出发,介绍了其抗弹性能的评定指标,讨论了弹靶撞击过程的划分,重点评述了抗弹机理的研究方法和陶瓷基装甲的耗能机制;并总结了影响陶瓷基装甲抗枪弹性能的4个主要因素:陶瓷厚度、约束条件、弹丸形状和撞击速度.     

陶瓷基复合装甲防12.7mm穿甲燃烧弹的靶试研究（Ⅰ）

基于对材料特性和防弹机理的认识,设计了由Al2O3陶瓷、616装甲钢和高强PE材料构成的陶瓷基复合装甲板,并用现役127.mm穿甲燃烧弹进行靶试考核,检验靶板设计思路,结果表明：防护面密度为128 kg/m2的靶板可防住该弹。     

一种钢-铝金属间隙装甲抗小口径穿甲弹的性能研究

为了研究间隙装甲的靶板间距和倾角对装甲抗弹性能的影响规律,设计了一种装甲钢-装甲铝间隙装甲,并进行了不同初速度15.5 mm穿甲弹侵彻该间隙装甲的试验,研究不同弹丸初速下,弹丸和弹靶的破坏形式和破坏机理,在数值模拟和试验结果具有较高的一致性前提下,进一步研究装甲倾角和靶板间距对装甲抗弹性能的影响规律。结果表明：在一定弹靶条件下,装甲倾角较小时(<20°),倾角效应为负效应,装甲倾角较大时(>20°),倾角效应为正效应;当靶板间距小于弹长时,间隙效应呈现负效应,装甲的抗弹性能下降6.7%～18.9%;靶板间距大于弹长时,随着装甲倾角的增大,间隙效应逐渐向正效应转变,装甲的抗弹能力提高25%。研究结果揭示了该钢-铝间隙装甲的抗弹性能,可以为间隙装甲的设计提供有效支持。     

不同侵彻速度下陶瓷复合装甲等效均质钢靶板的建立

利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对钨合金长杆弹侵彻陶瓷复合装甲与均质钢进行了数值仿真。重点分析了长杆弹垂直侵彻复合装甲全过程,研究了钨合金长杆弹体入射速度与弹体剩余动能、损失动能之间的关系。同时,拟合了长杆弹在不同入射速度侵彻均质钢靶下弹体剩余动能与靶板厚度之间的关系。并根据终点效应关系式,建立了弹体在不同入射速度下陶瓷复合装甲的均质钢等效靶板。分析结果表明,陶瓷复合装甲等效均质钢靶板厚度随弹体入射速度呈先增加后稳定趋势。研究结果对毁伤效能试验与战斗部设计等具有一定的参考价值和借鉴意义。     

穿甲子弹偏心入射陶瓷/钢复合靶板试验

设计并进行了7.62mm穿甲子弹侵彻陶瓷/低碳钢复合靶板的弹道试验,得到了极限速度及陶瓷锥底部半径等数据。分析了锥底半径与入射速度、面板及背板厚度的关系,着重分析了偏心入射时靶板的抗弹机理。结果表明:陶瓷锥可分为破碎区和粉碎区,粉碎区半径约为面板厚度与弹丸半径之和;当弹着点距离陶瓷面板边缘大于5mm时,靶板的抗弹性能变化不大,而弹着点位于距陶瓷面板边缘小于5mm的板边区时,抗弹性能明显降低,靶板的有效防护面积应扣除板边区。     

连接方式对舰船舷侧复合装甲结构抗穿甲性能的影响

为探讨连接方式对舰船舷侧外设复合装甲结构抗穿甲性能的影响,采用均质钢板粘结或叠层接触前置复合材料板分别模拟舰船舷侧粘敷或铆接固定两种连接方式的外设舷侧复合装甲,并结合低速弹道实验,分析了两种连接方式下组合靶板的穿甲破坏模式和抗弹性能,得到了球头弹穿透叠层接触组合靶板的剩余速度理论预测公式。在此基础上,将该理论预测公式计算结果与实验结果进行了比较分析。结果表明:两种组合靶板中前置装甲板的穿甲破坏模式差异不大,但叠层接触组合靶板中钢质背板穿孔周围的蝶形变形范围及其变形程度均较粘结组合靶板中的钢质背板要大;叠层接触组合靶板的整体抗弹吸能要大于粘结组合靶板;弹丸穿透叠层接触组合靶板的剩余速度理论预测值与实验结果吻合较好。     

陶瓷基复合装甲防12.7mm穿甲燃烧弹的靶试研究（Ⅱ）

基于对材料特性和防弹机理的认识,设计了由（SiC＋Si）陶瓷、616装甲钢和高强PE材料构成的陶瓷基复合靶板,靶板防护面密度为118 kg/m2,尺寸为500 mm×500 mm×25 mm。利用现役12.7 mm穿甲燃烧弹考核靶板在6发弹打击下的防护能力,检验靶板设计思路。结果表明：靶板结构是可行的,可防住V25为818 m/s的现役12.7 mm穿甲燃烧弹。     

碳化硼基3DMC材料抗弹性能的初步探讨

通过7.62穿甲燃烧弹的射击考核,分析了碳化硼基3DMC材料的抗弹性能,发现其综合抗弹性能优于等厚度的某型号装甲钢,并具有抗击连续打击的能力,认为该材料可以独立用于装甲防护。     

一种防弹玻璃抗大口径穿燃子弹侵彻能力研究

为了研究一种防弹玻璃的抗侵彻机理,基于12.7、14.5 mm穿燃弹开展一种防弹玻璃的抗侵彻试验。通过分析侵彻后靶板的破环形貌,揭示了该型防弹玻璃对穿燃弹的抗侵彻机理。采用ANSYS/LS-DYNA软件对2种口径穿燃弹侵彻该防弹玻璃的过程进行数值模拟,对比分析装甲倾角对2种口径穿燃弹极限穿透速度的影响,以及穿燃弹初速度对剩余速度的影响,获得了该防弹玻璃的抗侵彻机理,并计算得到装甲防护系数。结果表明：弹丸初速度与极限穿透速度相同时,此时的弹道偏离角最大,随着弹丸初速度的增大,弹道偏离角减小;防弹玻璃PC背板的出孔裂缝长度与弹丸初速度成正比增长关系;弹丸初速度相同时,剩余速度随着穿燃弹口径的减小而减小,且随着初速度的增大,差值逐渐减小;通过工程算法得到该型防弹玻璃对12.7 mm穿燃弹的防护系数为0.74。     

30mm半穿甲弹斜侵彻陶瓷/钢复合装甲的弹着角效应研究

设计了30mm半穿甲弹斜侵彻陶瓷/钢复合靶的弹道试验,采用高速摄像记录了弹靶作用过程,研究了弹着角、弹丸位移以及背板变形挠度的图像测量方法,通过仿真验证了该方法的可行性与准确性.基于高速摄像序列图像对弹靶作用过程进行了测量分析,结合试验数据研究了弹着角对半穿甲弹侵彻效能的影响.结果表明:弹着角导致弹丸受靶板的不对称阻力作用,侧向力及侧向力矩使得弹丸在侵彻过程中不断偏转,表现为侵彻路径呈曲线;在相同速度条件下,随着弹着角的增大,侵靶时间延长,背板变形挠度减小,侵彻效能降低.     

一种由金属陶瓷单元构成的间隔装甲抗射流侵彻性能研究

为了获得由金属陶瓷复合单元构成的间隔装甲的抗侵彻性能,基于180 mm大口径聚能装药,开展了侵彻试验和仿真研究。通过分析靶板的破坏情况以及仿真中射流与靶板的相互作用过程,揭示了复合装甲对射流的干扰机制。采用剩余穿深等效准则,获得了不同着角下复合装甲的等效靶厚度。研究结果表明：斜侵彻条件下,金属陶瓷复合单元能够通过向射流头部施加不对称作用力,以及利用孔壁形成切割作用2种方式削弱射流的侵彻能力。同时,防护系数计算结果显示,在45°着角条件下,由金属陶瓷复合单元构成的间隔装甲具有良好的抗弹性能,可达到试验用聚能装药极限侵彻能力的1/4。     

7.62 mm穿甲子弹斜侵彻复合装甲仿真研究

为研究7. 62 mm子弹对斜置陶瓷复合装甲的毁伤效应,针对典型7. 62 mm穿甲子弹结构,利用ANSYS/LSDYNA动力学软件对穿甲过程进行了数值模拟,并通过弹道枪试验对不同斜置角度复合装甲进行了防御性能测试,最后分析了子弹的破坏形式及斜置角度对毁伤效能的影响规律。结果表明:7. 62 mm子弹对陶瓷复合靶板的毁伤效能随靶板斜置角度的增加逐渐降低,回收的子弹式样的剩余质量逐渐增加,同时钢芯的质量侵蚀由垂直侵蚀向轴侧倾斜方向侵蚀过渡;且随斜置角度的增加,穿甲子弹的偏转角度先增加后减小,其对复合靶板的极限穿透速度呈指数型增加,其中穿甲子弹对陶瓷复合装甲的极限穿透斜置角度为0°~15°。试验结果与数值模拟结果具有较好的一致性。     

弹丸旋转速度对侵彻运动靶板影响

以35 mm穿甲弹为研究对象,采用JC本构模型,利用ANSYS LS-DYNA动力学分析平台,对不同旋转速度下弹丸侵彻运动装甲钢板进行了模拟研究,从弹丸侵蚀和弹靶作用两方面分析了侵彻效应的相关规律。研究结果表明旋转速度对弹丸侵彻性能具有一定影响：靶板在超音速及亚音速运动条件下,弹丸旋转速度的提高对侵彻性能的影响呈现先提高后降低的趋势;而对于低速运动状态下的靶板,弹丸侵彻性能对弹丸的旋转速度敏感度较低,无相关影响趋势。该研究结果对于不同弹靶交汇条件下提高弹丸侵彻毁伤目标能力具有一定参考意义。     

陶瓷/薄钢板复合结构靶板抗高速侵彻性能研究

为探讨陶瓷/薄钢板复合结构靶板(ceramic/thin steel targets,CS靶板)的抗高速侵彻机理,通过弹道试验,分析了3 mm厚SiC陶瓷层和0.6 mm厚钢板层的CS靶板的破坏模式和抗侵彻性能,并与面密度基本相同的纯钢板进行了比较。在此基础上,基于能量守恒原理,建立了CS靶板抗高速侵彻的理论预测模型,并与试验结果进行了对比。结果表明,CS靶板中前陶瓷层的存在,使得后钢板层的破坏模式由剪切冲塞转变为花瓣开裂,大大提升了后钢板层的抗侵彻吸能效率,从而使得CS靶板的整体抗侵彻性能高于等面密度的纯钢板,CS靶板的整体抗侵彻效率较等面密度纯钢板提升15%以上;弹体穿透CS靶板后的剩余速度理论预测值与试验结果吻合较好,相对误差均在5%以内,验证了理论模型的合理性和有效性。     

不同夹层结构复合装甲的抗弹性能研究

研究了在高速动能弹打击下,不同夹层结构所构成的复合装甲的抗弹性能.采用有限单元法及MSC软件MSC.PATRAN和LS-DYNA进行数值模拟.首先,从夹层构形方面建立3层间隙装甲模型,中间层分别为平板夹层、波纹夹层和蜂窝夹层;通过不同配置,分别研究并对比了平板夹层、波纹夹层和蜂窝夹层构形的抗弹性能.分析结果表明,可以从改善夹层构形、厚度配比等方面来提高复合装甲的抗弹性能.     

陶瓷基复合装甲防12.7mm穿甲燃烧弹的靶试研究(Ⅲ)

基于对材料特性和防弹机理的认识,设计了由600D腈纶、无纺布、Al2O3陶瓷和高强PE材料构成的陶瓷基复合靶板,靶板防护面密度ρA为92 kg/m2,尺寸为300 mm×300 mm×35 mm,用现役12.7 mm穿甲燃烧弹考核了靶板防护能力,尤其是探讨了PE在背面不受约束情况时中弹后的行为.结果表明:靶板结构是可行的,可防住V25为810 m/s的现役12.7 mm穿甲燃烧弹,PE层有优良的防二次效应的性能,而靶板结构有较大的改进空间.在靶试和讨论分析的基础上,给出了靶板结构改进的设计方案.     

聚能射流侵彻下舰船钢与均质钢的等效关系

基于剩余穿深理论,依据聚能射流对钢靶板侵彻毁伤作用机理,推导出2种等效模型,并结合数值模拟建立了聚能射流侵彻下某舰船装甲钢与603钢靶板的等效关系。结果表明:当舰船钢厚度较小时,舰船钢与603装甲钢的等效厚度比约为1;当舰船钢厚度较大时,两者等效厚度比约为1.13。由此等效关系可给出用于战斗部考核性穿靶试验中相应均质靶板的确定厚度,从而为用603装甲钢靶代替该舰船钢进行聚能射流威力考核试验提供依据,达到了简化、经济、方便、有效的目的。     

层叠型缓冲靶板对弹载测试仪的保护作用研究

使用空气炮模拟火炮发射时的高过载环境对弹载测试仪进行测试时,弹丸撞击靶板会产生尖峰脉冲对测试仪造成严重的损伤,为提高测试仪的存活性,展开对缓冲靶板层叠方式(不同材质的靶板相互叠加的叠层结构)的研究。通过撞击动力学理论描述弹丸对靶板的压缩和侵彻行为,并结合动量守恒和能量守恒定律计算出靶板参数和传递到靶板上的冲量的关系。使用ANSYS/LS-DYNA建立弹丸正侵彻靶板模型,弹丸速度为200 m/s、质量为5.5 kg,仿真结果表明：3层总厚度450 mm的泡沫铝+泡沫铝+橡胶组合方式能有效消除尖峰脉冲并缩短弹丸对靶板的作用时间,加速度均值约为7 000g,脉宽为2.8 ms。受条件限制,空气炮试验采用弹丸质量为5.5 kg、速度为150 m/s,并将缓冲靶板的单层厚度减小到100 mm,结果表明：在泡沫铝+泡沫铝+橡胶组合方式下,弹丸结构和测试仪功能完好,加速度均值约为27 000g,脉宽为0.55 ms。     

UHMWPE纤维织物复合靶板抗弹性能研究

为研究不同织物结构的高性能纤维材料复合时的抗弹性能,采用超高分子量聚乙烯(Ultra-high Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE)纤维单向无纬(Unidirectional,UD)布及2维(2D)织物制备UD布/2D织物复合靶板,并根据GA141-2010标准对其进行靶试试验。结果表明:UD布/2D织物的复合结构能够有效抵御7.62 mm手枪弹侵彻,且2D织物部分在弹丸侵彻之后纤维并未被严重破坏,将其与UD布复合后,有利于抵御多发弹的侵彻。     

无攻角弹体斜侵彻多层间隔混凝土靶板特性

为了能清楚地了解无攻角弹体斜侵彻多层间隔混凝土靶板的特性,采用LS-DYNA3D动力有限元软件对弹-靶作用过程进行了一系列数值模拟研究,描述了斜侵彻过程中的基本现象,分析了弹体X、Y两个方向的加速度变化规律,揭示了靶板间距、层数对抗弹性能的影响。研究表明,在总厚度一定的情况下,靶板间距的减小或者层数的增加均会降低靶板的抗弹性能,但当靶板层数较多时,抗弹性能随靶板层数的增加变化不大。所得结论对防御工事、地下掩体的构建具有参考价值。