空爆冲击波与破片群联合作用下聚脲涂覆陶瓷复合装甲结构毁伤特性

基于均质钢板、聚脲涂层材料、SiC陶瓷材料设计了4种聚脲涂覆复合装甲结构，采用装药驱动预制破片试验方法开展了近炸下复合装甲结构毁伤特性实验研究，提出了各组分的毁伤破坏模式，对比分析了4种防护装甲结构的防护性能，探讨了复合装甲结构的防护机理。结果表明:作用于目标结构的破片动能远大于冲击波能，聚脲涂覆复合装甲结构的防护效能明显优于多层均质钢装甲，增加陶瓷厚度较增加背板、前面板厚度对提高整体防护效能更有效，破片撞击将引起陶瓷块大面积损伤，严重影响了其对后续着靶破片的防护性能。     

舰船舷侧复合装甲结构抗动能穿甲模拟实验

以均质钢板前置复合材料板模拟舰船舷侧复合装甲结构,结合低速弹道冲击实验,分析了结构的 破坏模式和吸能机理,比较了复合材料板与均质钢板的抗弹性能。在此基础上,根据靶板破坏模式,得到了球 头弹穿透组合靶板的剩余速度预测公式,并与实验结果进行了比较。结果表明,复合材料板的面密度吸能远 大于均质钢板的;组合靶板中前置复合装甲板的破坏模式主要为纤维拉伸断裂,而钢质背板则由于前置复合 装甲板的影响,破坏模式主要为花瓣开裂破坏;将剩余速度理论预测值与实验数据进行比较,两者吻合较好。     

不同形状破片撞击7A04-T6高强铝合金板的数值仿真研究

为研究7A04-T6高强铝合金板受不同形状破片撞击的抗撞击性能、损伤特性及吸能规律,利用有限元软件ABAQUS/Explicit建立了3种典型形状破片侵彻两种厚度的单层及等厚度接触式双层7A04-T6高强铝合金靶板模型,分析了破片形状、靶板结构对靶板抗撞击性能、损伤特性、比能量吸收的影响规律及转变机制。研究发现:圆锥形破片撞击时弹道极限最高,其次为圆球形、圆柱形破片;对于圆球形、圆锥形破片撞击工况,薄靶和厚靶分层均降低其抗撞击性能;圆柱形破片撞击时,薄靶分层降低其抗撞击性能,厚靶分层将提高其抗撞击性能。靶板损伤特性、比能量吸收也受到破片形状和靶板结构影响,但不同因素的作用机制及影响程度并不相同。     

冲击波与破片对波纹杂交夹层板的联合毁伤数值研究

通过有限元软件LS-DYNA模拟了波纹杂交夹层板在冲击波与破片联合作用下的响应过程,研究了炸药当量、载荷类型和填充方式对波纹杂交夹层板变形与失效模式的影响,并与实体板、间隔板和波纹夹层板的抗联合毁伤性能进行了对比,讨论了波纹杂交夹层板的能量吸收特性。数值计算结果表明:与冲击波单独作用相比,破片群单独作用和冲击波与破片联合作用对结构造成的毁伤更为严重;当药量较小时,波纹夹层板和波纹杂交夹层板的抗联合毁伤性能优于实体板与间隔板,波纹杂交夹层板的抗联合毁伤性能从全填充、迎爆面填充到背爆面填充逐渐降低;当药量较大时,所有结构均产生破口失效;在能量耗散方面,冲击波单独作用时以波纹芯层吸能为主,破片群单独作用和冲击波与破片联合作用时以上面板吸能为主。     

破片高速侵彻中厚背水钢板的剩余特性

为探讨破片高速侵彻中厚背水钢板的剩余特性,通过弹道实验,分析了弹体和靶板的破坏模式,比较了破片侵彻垂直和倾斜背水钢板后的瞬时余速和运动轨迹, 以及由此引起的初始冲击波的压力特性。结果表明,破片在高速侵彻下,头部产生了严重的镦粗变形,钢板背后水介质的动支撑作用不容忽视;背水钢板的破坏模式主要为剪切冲塞破坏,背弹面穿孔存在绝热剪切效应;破片穿透背水钢板初期,会产生空泡和射流,空泡大小和射流强度与破片入水初速有关,而空泡形状和射流方向则受背水钢板的倾斜角度影响;破片穿透背水钢板后,在水中的运动轨迹会发生偏转,偏转方向与破片入水初速有关;由于水介质的动支撑作用和动能耗散效应,破片穿透背水钢板后的动能损失要大于穿透背空钢板的情形;水中初始冲击波的压力特性应考虑稀疏波的影响;相同初速下,破片侵彻垂直背水钢板引起的初始冲击波的峰值压力较侵彻倾斜背水钢板要大。     

钨球对高硬度钢斜侵彻效应

为研究高硬度钢板抗不同着角钨球的侵彻性能及破坏模式,通过弹道枪进行了?8 mm、?11 mm钨合金球形破片以0°、20°、40°着角撞击厚度为6 mm、8 mm的高硬度钢板试验,得到了极限贯穿速度v₅₀;分析了钨球轴向径向变形及靶板失效模式与撞击速度的关系,发现高硬度钢板失效模式主要为压缩开坑破坏和沿厚度方向剪切破坏。采用有限元方法对试验进行了模拟,验证了数值模型及参数的合理性,并运用数值模拟方法研究了撞击着角对靶板吸能模式影响,结合试验数据,修正已有极限贯穿速度计算公式。结果表明:随侵彻着角增大,极限贯穿速度提高,且着角越大,极限贯穿速度增长越快;随着角增大,靶板吸能模式逐渐由压缩开坑向剪切冲塞过渡,且着角大于50°时,剪切冲塞耗能将超过压缩开坑耗能;修正后极限贯穿速度计算公式适用范围更广、精度更高,具有较好工程应用价值。     

结构间隙对夹芯式复合装甲结构抗侵彻性能的影响

采用由厚度为8 mm的前置钛合金板、面密度为60 kg/m2的高强聚乙烯纤维增强复合材料层合板抗弹芯层、厚度为8 mm的后置钢板构成的夹芯式复合装甲，模拟舰船舷侧复合夹芯舱壁结构。根据面板与芯层间是否设置20 mm的间隙，将复合装甲结构定义为无间隙式、后间隙式及前后间隙式。为研究以上3种结构在55 g圆柱体弹高速冲击下的抗弹性能及破坏机理，开展了系列弹道实验，分析了钛合金板、高强聚乙烯纤维增强复合材料层合板芯层及钢质面板的破坏模式，探讨了结构间隙对复合装甲结构抗弹性能的影响。结果表明:前置钛合金板的破坏模式为剪切冲塞，靶板背弹面产生脆性断裂并伴随碎块崩落现象；聚乙烯纤维增强复合材料板的破坏模式及钢质背板的变形范围受间隙的影响较大，前置钛合金板受间隙影响较小；相同载荷侵彻下，间隙的存在有利于提高复合装甲结构的抗弹性能。     

球形破片侵彻下钢/铝复合靶板的失效模式与吸能机理

为研究复合靶板自身结构对其防护性能的影响，针对面密度相同的两层钢/铝、三层钢/铝/钢爆炸复合板以及均质钢板，采用系列弹道实验和LS-DYNA3D非线性有限元程序分析了复合靶板在球形破片侵彻作用下的失效模式和吸能机理，讨论了靶板层数、厚度和界面结合情况对失效模式的影响。研究结果表明:较其他因素而言，界面结合状态对靶板失效模式的影响最明显，当界面结合良好时，各层靶板均发生剪切冲塞破坏，而当结合界面发生拉伸失效时，较薄的背板以延性扩孔破坏为主；随着靶板总厚度的增大，靶板更易发生剪切冲塞破坏；当靶板的面密度和总厚度分别相等时，三层复合靶板的防护性能优于双层靶板。     

复合装甲抗侵彻性能的数值分析

用数值分析的方法分别对金属、陶瓷、纤维增强复合材料组成的层合板和由陶瓷球填充的金属四边形蜂窝夹芯结构在冲击载荷作用下的抗侵彻性能进行了模拟计算.其中冲击载荷由12.7mm 直径的刚性穿甲弹模拟.研究了不同构型靶板在侵彻过程中对动能量的吸收机理,分析了两种复合靶板各组分材料的吸能特性,并比较了不同靶板的弹道极限速度V50.研究结果表明:在相同面密度条件下,层合复合靶板中具有最强抗弹性能的陶瓷层与纤维层的最佳比例是2.22,其与4340钢均质靶板相比质量减轻了33%;蜂窝填充陶瓷结构的靶板中灌注环氧树脂后其弹道极限速度提高了13%.     

W/ZrNiAlCu亚稳态合金复合材料破片对RHA靶的侵彻释能特性

为研究W/ZrNiAlCu亚稳态合金复合材料破片对RHA靶板的侵彻释能特性，采用高速摄影弹道枪侵彻实验和能量方程、Avrami-Erofeev方程理论分析的方法，对破片的侵彻释能过程、侵彻规律、释能规律进行了研究。结果表明，破片在撞击并贯穿靶板的过程中激发了材料的燃烧反应，在靶板前方和后方产生了明显火光，随着撞击速度增加，火光范围增加、亮度提高；破片撞击速度、冲塞体速度的关系符合采用能量法推导的包含质量损失的破片侵彻公式，破片理论弹道极限速度为987.1 m·s?1；在实验速度范围内，材料反应效率随着冲击压力的增加而增加，与实验现象吻合。     

超高强度平头圆柱形弹体对低碳合金钢板的高速撞击实验

为分析不同组分低碳合金钢板抗超高强度低碳合金钢弹体的高速撞击性能及破坏模式,以两种典型防弹特种钢SS、AS以及常见的Q235A钢为研究对象,通过静态拉伸、静态压缩及动态压缩测试,获得静态拉伸和压缩性能参数以及1 000~6 000 s-1应变率范围内的力学行为,分析了材料组分与力学性能的相关性。采用弹道枪加载撞击方法,获得了两种超高强度合金钢平头圆柱形弹体对3种钢板(14.5~15.9 mm厚)的弹道极限速度,通过分析获得了不同工况下的极限比吸收能,讨论了合金钢板在弹体高速撞击下破坏模式的差异,分析了材料力学性能与破坏模式的相关性。研究表明:3种合金钢板抗弹体撞击性能与材料屈服强度正相关,但其性能间的差异远小于屈服强度间的差异;在超高强度合金钢平头圆柱形弹体的高速撞击下,3种钢板的失效机制与其力学性能密切相关,Si和Mn含量高的AS钢呈硬脆性特征,其断裂失效主要取决于材料的剪切强度,而Si和Mn含量较低的SS钢和Q235A钢具有良好的塑性,其断裂失效主要取决于材料的压缩强度和剪切强度。     

Direct extraction of rate-dependent traction–separation laws for polyurea/steel interfaces

Polyurea coatings on steel form tough, flexible and chemically resistant surfaces, making them ideal for a variety of applications. An important issue for polyurea coatings in some cases is their adhesion to steel under various loading conditions in aggressive environments. In this paper, adhesion was examined using steel/polyurea/steel sandwich specimens and interfacial fracture mechanics. The mode 1 and mode 2 interfacial fracture behaviors were characterized by two independent traction–separation laws. The traction–separation laws were measured directly by recording the J-integral and the end-opening displacement in the directions normal and tangential to the steel/polyurea interface. In each case, the traction was initially nonzero, increased with increasing separation, reached its peak value and then decreased with further increasing opening. Strong rate-dependent effects were found for both modes of fracture and were attributed to the interfacial behavior. Porosity introduced during the processing of the polyurea affected the traction–separation laws and associated fracture mechanisms.     

高速杆式弹侵彻下蓄液结构的防护能力

为提高蓄液结构的防护能力,开展蓄液结构弹道侵彻实验,通过改变其前、后面板厚度配比,研究前、后面板不同厚度匹配对蓄液结构破坏模式、压力载荷特性及防护能力的影响。结果表明:弹丸初速是影响入射波压力峰值大小的主要因素。固定前、后面板总厚度不变时,随着前、后面板厚度比的增大,前面板破坏模式由剪切冲塞-薄膜鼓胀-凹陷变形转变为剪切冲塞-薄膜鼓胀直至剪切冲塞破坏,后面板破坏模式由隆起-碟形破坏转变为薄膜鼓胀-花瓣开裂破坏。前、后面板破坏模式是相互影响的,前、后面板厚度匹配关系决定了其相应破坏模式的发生。前面板薄后面板厚的蓄液结构吸收冲击动能更多,抗侵彻能力也更强。     

电炮加载下芳纶蜂窝夹芯板的动力响应

研究了方形钛-芳纶蜂窝夹芯板在电炮驱动的高速聚酯飞片撞击加载下的动力响应,给出了面板和蜂窝芯层在不同冲击速度下的变形及失效模式。采用VISAR(velocity interferometer system for any reflector)测速技术测量了后面板中心点的速度时程,分析了芳纶蜂窝夹芯板的动态响应过程,讨论了冲击速度对夹芯板动力响应和抗冲击能力的影响。研究结果表明,低波阻抗的芳纶蜂窝破碎行为阻断了应力波向后面板的传播途径,破碎的蜂窝和塑形大变形的前面板吸收了高速冲击的大部分能量,充分发挥了钛合金的高强度和芳纶蜂窝的缓冲吸能特性,提高了夹芯板整体的防护能力。     

陶瓷/液舱复合结构抗侵彻数值分析

为研究陶瓷/液舱复合结构抗侵彻机理,在前期弹道冲击实验结果基础上,运用LS-DYNA进行了数值模拟,再现了陶瓷/液舱复合结构在弹体冲击下的破坏过程和破坏模式,得到与实验一致的结果。结果表明:弹体撞击结构后,结构内产生的冲击波以撞击处为圆心、以球形向前传播,并在结构内来回反射振荡;弹体在水中运动时,水中形成空泡且不断扩展,弹体头部水域形成高压区域;弹体发生墩粗和侵蚀破坏,在低速冲击下,弹体破坏主要发生在穿透陶瓷和前面板过程中,在高速冲击下,弹体破坏主要发生在水中运动阶段,最终形成类似“饼状”的严重变形;前、后面板发生局部破坏和整体变形,在高速弹体撞击下,后面板将发生花瓣开裂。     

多孔金属夹层板在冲击载荷作用下的动态响应

借助两种有限元软件ABAQUS和LS_DYNA, 模拟和分析了两种厚度不同的泡沫铝合金夹层板(三明治板)、方孔蜂窝形夹层板和波纹形夹层板在冲击载荷下的动态响应. 4种夹层板的单位面积密度相同,冲击载荷分别用泡沫铝子弹与不锈钢子弹模拟. 讨论了泡沫金属夹层板和格构式夹层板在不同冲击载荷作用下的变形机制,重点在于对夹层板的吸能特性及板内各部分吸能变化规律的探讨.研究结果表明: 在泡沫子弹冲击下,夹层板主要是通过自身变形来消耗子弹动能,并转化为自身内能. 厚度为22\,mm的泡沫金属夹层板吸收能量最多,底面变形最小,是结构性能最优的夹层板;在刚性子弹高速冲击穿透过程中,格构式夹层板的吸能性能比单位面积密度相同的泡沫金属夹层板的吸能性能更好. 波纹形夹层板的能量吸收能力在4种板中最高.