步枪弹对带软硬复合防护明胶靶标的侵彻机制研究

为研究步枪弹对带软硬复合防护明胶靶标的侵彻机制,采用有限元分析软件ANSYS/ LS-DYNA建立步枪弹侵彻复合靶标的数值模型。通过该模型模拟了侵彻过程中的钝性冲击现象和明胶瞬态响应,并进行了试验验证。研究结果表明：步枪弹侵彻陶瓷板过程中消耗了弹头大部分能量;明胶内瞬时空腔呈现椭球形基本形态,空腔最大凹陷深度和膨胀速度分别为25.6 mm和35.7 m/s;压力波在明胶内以球面波形式向外传播,在弹着点处峰值压力最大,且压力幅值随着传播距离的增大而不断减小;弹头速度先有一段明显的下降过程,而加速度绝对值则先增大,随后它们都逐渐衰减至0 m/s和0 m/s²;陶瓷板的破坏主要是由拉应力和压应力的反复作用造成的;数值计算结果与试验结果的一致性较好,验证了数值模拟模型的准确性。     

步枪弹高速侵彻弹道明胶数值分析

步枪弹侵彻软组织目标过程中的翻滚和破碎效应对终点杀伤效果具有显著影响。为了揭示步枪弹侵彻明胶的运动规律和断裂机制,采用非线性动力学分析软件ANSYS-LSDYNA对步枪弹侵彻明胶的作用过程进行了数值模拟。通过与试验回收弹头比较可知,数值方法可真实再现弹头在明胶中的变形断裂行为。研究结果表明,基于刚体假设的弹头运动模型无法准确模拟发生变形的断裂弹头在明胶中的运动规律,基于节点分离的拉格朗日算法可准确模拟弹头断裂过程中铅芯的破碎飞散。弹头的断裂过程是损伤自变形后由被甲受拉伸一侧外表面向内表面和受压一侧传播的过程,辊沟和膛线划痕对弹头的断裂过程具有重要影响,初始裂痕出现在辊沟处,与被甲母线成一角度,并沿辊沟和膛线划痕传播扩展。     

步枪弹侵彻明胶靶标的数值模拟

为更好揭示步枪弹与明胶的相互作用过程及作用机理,采用显式有限元方法对侵彻过程进行了数值模拟,通过与实验数据对比验证了模型的有效性和准确性。对弹头在明胶中的受力、明胶中等效应力分布及入射攻角对明胶创伤效应的影响进行了分析。数值结果表明：在窄伤道段明胶阻力增长缓慢,随着弹头的迅速翻滚明胶阻力急剧增长,并导致弹头破碎;明胶中的最大等效应力层始终分布在瞬时空腔的内壁,随着空腔膨胀其影响区域不断扩大,并导致空腔内壁的明胶单元破坏失效;攻角的微小变化对弹头在明胶中的翻滚位置及速度衰减规律影响较大,但随着攻角的增加这种影响逐渐减弱。     

长杆弹撞击装甲陶瓷的界面击溃效应数值模拟

利用动力有限元软件AUTODYN模拟了长杆弹撞击装甲陶瓷的界面击溃效应及其影响因素。在验证计算模型、参数及算法可靠的基础上,模拟研究了长杆弹头部形状、盖板、陶瓷预应力等对界面击溃效应的影响规律。结果表明:平头、球形和锥形头部形状长杆弹界面击溃/侵彻转变速度有显著差异;增加盖板及对陶瓷施加预应力均可减小陶瓷的损伤破坏程度,提高陶瓷的界面击溃/侵彻转变速度,提高装甲陶瓷抗弹能力。利用动力有限元软件AUTODYN模拟了长杆弹撞击装甲陶瓷的界面击溃效应及其影响因素。在验证计算模型、参数及算法可靠的基础上,模拟研究了长杆弹头部形状、盖板、陶瓷预应力等对界面击溃效应的影响规律。结果表明:平头、球形和锥形头部形状长杆弹界面击溃/侵彻转变速度有显著差异;增加盖板及对陶瓷施加预应力均可减小陶瓷的损伤破坏程度,提高陶瓷的界面击溃/侵彻转变速度,提高装甲陶瓷抗弹能力。     

步枪弹侵彻明胶的表面受力模型

为研究步枪弹侵彻明胶的平移、翻滚规律,提出了弹头侵彻过程中的表面受力模型即迎风面上的每个微元受到动态压力和材料阻力的作用。通过对弹头表面压力的数值积分,可得到弹头所受的合力和合力矩。在此基础上利用4阶龙格-库塔法求解由刚体质心运动方程和欧拉运动方程组成的弹头运动方程,得到了弹头侵彻明胶时位移、姿态随时间的变化规律。以7.62 mm步枪弹侵彻明胶的实验对表面受力模型进行了间接验证,弹头质心位移和平面投影角度的实验数据和理论预测值误差较小,表明该模型可用于预测刚性步枪弹的表面受力,从而适用于预测弹头侵彻明胶的平移、翻滚规律。     

典型小口径枪弹侵彻明胶压力波特性实验研究

为了研究典型小口径枪弹侵彻明胶时所产生压力波的传播特性,实验采用4℃,10%浓度配比,尺寸为30cm×30cm×30cm的明胶靶标。利用高速摄影和压力测试系统同步测试,获得了某5.56mm步枪弹在100m射距下侵彻明胶块的高速摄影图像和压力波曲线,揭示了小口径枪弹侵彻明胶过程中所产生的压力变化特性,结果表明,弹丸在高速侵彻明胶过程中失稳、能量瞬间转换产生了对人体致伤起重要作用的峰值压力和瞬时空腔,其后伴随着空腔的膨胀和收缩产生了脉动压力峰值。     

不同厚度比陶瓷/金属复合装甲抗弹性能

为支撑陶瓷复合装甲的结构设计,研究不同厚度比陶瓷/金属复合装甲的弹道防护性能。通过陶瓷/金属复合结构抗侵彻性能弹道实验及数值模拟研究,完成有限元-光滑粒子流体动力学耦合计算模型的校验;模拟长杆弹撞击陶瓷复合装甲过程,分析装甲陶瓷与金属背板厚度比对界面击溃效应影响,获取不同厚度比陶瓷/金属复合装甲抗弹性能。研究结果表明：陶瓷复合装甲存在两种主要防护机制;当弹体速度小于1 000 m/s,随着陶瓷厚度从15 mm增加至25 mm,复合装甲的界面击溃驻留时间能够提高一倍以上,期间弹体耗能最高可达50%;当弹体速度大于1 000 m/s时,侵彻阶段的耗能占据弹体动能损失的主导,期间最高耗能可达85%;当金属与陶瓷的厚度比为2∶1时,复合结构使弹体具有较长的界面驻留时间,并实现较高的弹道防护效能。     

步枪弹对复合防护人体上躯干冲击有限元分析

对高速步枪弹撞击带复合防护人体上躯干冲击响应进行了有限元建模和数值计算分析,以CT扫描获取人体上躯干建模源图像,建立了包括皮肤、肌肉、胸廓骨骼结构、主要内脏器官和纵膈在内的人体上躯干有限元模型;根据步枪弹高速侵彻特点,建立了软硬复合防弹衣有限元模型,利用显式非线性有限元方法对高速步枪弹撞击带软硬复合防护衣的人体上躯干的冲击响应进行数值计算,获得了皮肤、胸骨、心脏、肺脏、肝脏以及胃的动态冲击响应情况。计算结果与实验结果的对比验证了有限元计算模型的正确性,数值计算结果定量揭示了人体上躯干靶标动力响应特性和软硬复合防弹衣后人体钝性损伤时压力传递机制,为冲击效应与损伤评估提供了基本数据,为数值模拟步枪弹高速钝击有软硬复合防护的人体靶标作用效应提供了一种有效方法。     

手枪弹对带软防护的明胶靶标侵彻机理与实验研究

为揭示杀伤元与有防护目标的相互作用机理,基于弹头侵彻防护特点,分析手枪弹侵彻时软防护破坏形式。结合高应变率下超高分子量聚乙烯纤维本构模型,并引入明胶弹性模型,建立手枪弹侵彻带软防护的明胶靶标运动模型。选取9 mm全铜弹（均一硬质结构）和92式5.8 mm手枪弹（钢芯铅柱被甲结构）为杀伤元,对运动模型进行数值计算和实验验证。结果表明,该运动模型能够准确描述手枪弹侵彻带防护的明胶靶标运动过程,可为有防护目标杀伤机理和防护性能研究提供理论参考。     

低侵彻陶瓷枪弹的侵彻性能研究

为研究低侵彻陶瓷枪弹在机舱中的侵切性能,进行了低侵彻陶瓷枪弹对飞机舱壁、飞机舷窗和明胶靶的侵彻试验研究。建立低侵彻陶瓷枪弹侵彻靶板的力学模型,对低侵彻陶瓷枪弹弹头破碎进行了理论分析。通过低侵彻陶瓷枪弹侵彻铝靶的数值模拟验证弹头破碎理论分析的正确性。研究结果表明,低侵彻陶瓷枪弹侵彻结束后,弹头全部破碎,未穿透飞机舱壁和舷窗,对明胶靶的侵彻深度为210~260 mm,满足低侵彻陶瓷枪弹在机舱中的使用要求。陶瓷壳体最大应力始终在所受载荷边缘区域,是侵彻过程中陶瓷壳体最容易破坏的区域。     

轻型陶瓷/金属复合装甲抗弹机理研究

为探讨轻型陶瓷复合装甲抗弹机理,采用弹道冲击试验研究了高速破片冲击下轻型陶瓷/金属复合装甲的冲击响应,对弹体、陶瓷面板及金属背板的破坏现象进行了物理描述和唯象分析,指出了陶瓷面板和金属背板的破坏模式,分析了陶瓷/金属复合装甲的弹道吸能机理及抗弹性能。结果表明,锥形碎裂是陶瓷面板的主要破坏模式,其宏观裂纹主要有：径向、环向及与初始表面法线方向约65°夹角向外扩展的锥形裂纹;此外还会形成与背表面法线间的夹角约为65°的倒锥形断裂面。背板的变形范围、破坏程度及破坏模式均与船用钢靶板有较大区别,当弹速低于靶板弹道极限时,背板变形模式为隆起-碟型变形,当弹速大于靶板弹道极限时,随着陶瓷面板相对厚度的增加,金属背板的破坏失效模式有：剪切冲塞失效、碟型变形-剪切-花瓣型失效、碟型变形-花瓣型失效;弹体动能主要耗散在弹体和背板的破坏与变形;弹道极限速度附近,弹体和金属背板破坏吸能量会由于陶瓷面板的相对厚度不同而不同,但他们的总吸能量可占弹体初始冲击动能的90%以上,而陶瓷面板碎裂及反冲击方向喷射的动能小于弹体初始冲击动能的10%。     

陶瓷复合装甲抗14.5mm穿燃弹侵彻性能

大口径反装甲杀伤武器在战场上发挥着越来越重要的作用,对装甲材料和结构设计提出了更高要求.为探究陶瓷复合装甲在14.5 mm穿燃弹侵彻作用下的抗弹机理与抗弹性能,设计一种铺层顺序为陶瓷/纤维/金属/柔性芯材/金属的复合装甲结构,采用试验研究方法分析厚度匹配、底板材料和柔性芯材3个因素对其抗弹性能的影响.结果表明:陶瓷面板...     

连结状况对陶瓷复合装甲抗弹性能的影响

连结状况对陶瓷复合靶板抗弹性能的影响,从应力波角度分析.并在试验基础上,采用LS-DYNA程序数字模拟7.62mm穿甲子弹不同工况下侵彻陶瓷复合装甲,分析不同粘结剂和不同粘结层厚度的影响.背板波阻抗大于或接近陶瓷面板,有利于提高复合靶板的整体抗弹性能.波阻抗较大的材料,有利于压缩波的透射.合适的粘结层厚度能使陶瓷保持完整性,延缓陶瓷锥的形成,并扩大背板塑性变形区.     

弹丸垂直侵彻陶瓷/金属复合靶板的简化模型

根据薄板在冲击载荷作用下的动力响应理论，利用能量法建立了陶瓷／金属复舍靶板抵抗小型穿甲弹侵彻的理论分析模型．在给定的靶板条件下，该模型可以模拟在冲击载荷作用下的复合靶板的弹道极限速度，并分别对铝板和钢板做背板的复合靶板进行了试验验证；同时，在相同的面密度下，比较了不同背板的抗弹效果，实验结果和数值结果吻合较好．     

Tc复合弹对陶瓷/A3钢复合靶穿甲效应的试验研究

为提高弹丸对陶瓷复合装甲的侵彻威力,在30 mm制式弹弹头部采用增韧Tc材料,并与制式弹进行对比。采用DOP试验方法,结合冲击动力学理论和陶瓷材料特性,研究了2种不同结构弹丸对陶瓷/A3钢复合靶的穿甲效应,重点分析对比弹头材料、结构对陶瓷/A3钢复合靶的穿甲效应的影响。在相同条件下,对制式弹和Tc复合弹对A3钢板的侵彻孔径、深度,以及侵彻后弹芯剩余质量进行了对比分析。采用ANSYS/LS-DYNA进行模拟仿真,模拟结果与试验结果基本吻合,结合仿真结果,从弹芯剩余质量上对弹丸的侵彻能力进一步分析,Tc复合弹对弹芯保护的效果明显,为陶瓷材料应用于其他战斗部提供依据。     

TC复合弹对多层A3钢靶穿甲效应的试验与仿真

为提高弹丸的侵彻威力,在30 mm制式弹弹头部采用增韧TC材料,并与制式弹进行对比,采用DOP试验方法,对2种不同结构弹丸侵彻多层A3钢靶的试验结果进行分析研究。运用冲击动力学理论公式,计算TC复合弹和制式弹在冲击接触钢板瞬间的冲击压力并进行对比。重点分析对比弹头结构、材料对多层A3钢靶的穿甲效应的影响。在相同条件下,对制式弹和TC复合弹对A3钢板的侵彻深度、孔径,以及侵彻后弹芯剩余质量进行了对比分析。运用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对侵彻过程进行模拟仿真,并与试验结果对比。结合数值模拟的结果,分别从余速和弹芯剩余质量上进一步分析TC复合弹的侵彻能力。结果表明,TC弹头对弹芯的保护效果明显,为陶瓷材料应用于其他战斗部提供了依据。     

基于人体解剖结构的单兵防护后损伤评估

为评估人体靶标在穿戴防弹衣情况下,枪弹钝击或穿透防弹衣时对人体造成的损伤严重度,基于真实人体切片数据构建了穿戴防弹衣的数字化人体模型,采用高速摄影机拍摄枪弹侵彻有防护明胶靶标过程,获得明胶靶标内部瞬时空腔的演化数据,并建立瞬时空腔简化模型。采用简明损伤定级标准（AIS）评价单个组织器官的损伤情况,分别基于最大简明损伤评分（MAIS）和新损伤严重度评分（NISS）损伤评估算法给出钝击和穿透防弹衣情况下人体相应部位的损伤评分结果,并进行死亡率预测。开发了人体易损性评估软件,获得了某枪弹以不同速度钝击和穿透穿防弹衣人体时,对人体造成的损伤严重度评分值。研究结果表明：当某枪弹以速度638 m/s射击穿防弹衣人体胸部时产生钝击损伤,人体损伤评分结果为MAIS=3、NISS=27,死亡率预测结果为12.88%;当某枪弹以速度714 m/s 射击穿防弹衣人体胸部时,枪弹穿透防弹衣直接侵彻人体组织,人体损伤评分结果为MAIS=5、 NISS=75,死亡率预测结果为97%。     

船用轻型陶瓷复合装甲抗弹性能实验研究

为探讨舰艇抵御高速破片弹遭侵彻的装甲防护结构,设计船用钢装甲和3种陶瓷复合装甲结构,并采用弹道冲击实验,研究其在高速破片冲击下的抗弹性能。结果表明:高速破片穿透普通舰艇结构后仍具有较强杀伤威力,必须为舰艇设置专门防护装甲抵御高速破片的冲击;高速破片冲击下,船用钢装甲的破坏模式为延性扩孔和剪切冲塞的组合形式;增加陶瓷面板后,钢背板的冲击响应类似于低速卵形弹冲击下的薄板穿甲,变形范围和变形程度大大增加,其变形失效模式有蝶形变形和花瓣开裂型穿甲,此外陶瓷对弹体的侵蚀、钝化及碎裂能大大降低弹体的侵彻能力,碎裂陶瓷锥的运动还将吸收部分弹体动能,降低弹体剩余速度,并和剩余弹体共同冲击背板;陶瓷复合装甲的单位面密度吸能量较船用钢提高35%以上,其结构质量较船用钢装甲轻25%以上。