陶瓷/钢复合装甲抗高速破片侵彻性能数值模拟

针对反舰武器爆炸产生的破片,舰船舷侧可以设置陶瓷/钢复合装甲进行防护。本文利用数值方法分析陶瓷/钢复合装甲抗高速破片侵彻性能,在验证数值方法的基础上,探究破片形状、破片初始速度、陶瓷与钢板不同厚度组合对陶瓷/钢复合装甲抗侵彻性能影响,分析破片侵彻陶瓷/钢复合装甲过程。结果表明,陶瓷/钢复合装甲抗FSP弹侵彻性能最差,在设计陶瓷/钢复合装甲时,可选FSP破片作为设计载荷;抗锥形弹侵彻性能最好,抗锥形弹的最优陶瓷/钢复合结构比钢板的弹道极限速度提高了224 m/s;随着侵彻速度增加,破片的剩余质量近似呈线性减小,弹靶之间的作用力峰值不断增加,作用力峰值出现时间不断提前,弹靶作用时间降低。     

Ballistic performance of ultra-high molecular weight polyethylene laminates against fragment-simulating projectiles北大核心CSCD

[目的]旨在探究破片侵彻作用下高强聚乙烯(UHMWPE)纤维增强层合板的毁伤响应过程、失效模式转变和能量吸收特性。[方法]采用有限元软件ANSYS/AUTODYN,建立UHMWPE层合板抗破片侵彻数值模型,分析UHMWPE层合板的失效模式转变和能量吸收特性。[结果]破片侵彻作用下UHMWPE层合板的动态响应过程大致可以分为剪切冲塞阶段和拉伸变形阶段。破片入射速度和靶板厚度会直接影响靶板的能量吸收特性。靶板厚度越大,剪切冲塞模式占比越大。在靶板厚度不变的情况下,随着破片侵彻速度的提高,剪切冲塞模式占比越来越大,最终趋于稳定。在破片弹道极限速度以上初始小范围内,靶板吸能随破片入射速度增大有所减小,随后破片速度继续增加会扩大靶板剪切冲塞破坏范围,导致靶板整体吸能量增加。[结论]基于所建立的数值模型能够较好地模拟破片侵彻作用下UHMWPE层合板的动态响应过程,可以为UHMWPE材料在弹道防护领域的应用提供参考。     

四棱锥结构尺寸对间隙装甲抗侵彻性能的影响

本文设计一种可使弹道偏转的含四棱锥/尼龙结构间隙装甲,并通过弹道冲击实验测试不同结构靶板的抗侵彻性能。实验表明,四棱锥靶板具有较好的弹道偏转效果。通过数值仿真的方法建立组合间隙靶板的有限元模型,研究四棱锥朝向、四棱锥的底边尺寸及坡度对间隙装甲抗侵彻性能的影响。结果表明：四棱锥为迎弹面的间隙装甲抗侵彻性能优于四棱锥为背弹面的间隙装甲;间隙装甲抗侵彻性能受弹体侵彻四棱锥的深度以及四棱锥坡度2个因素影响;四棱锥坡度i=6/7的间隙装甲抗侵彻性能最好。     

石墨烯增强铝基SiC复合材料抗侵彻机理试验与数值仿真

[目的]旨在研究新型轻质复合装甲板——石墨烯增强铝基SiC复合材料装甲靶板的抗侵彻失效机理。[方法]利用光镜与扫描电镜对石墨烯增强铝基SiC复合材料进行微观形貌观察;结合弹道枪试验,利用AUTODYN有限元软件建立1/2模型,破片质量为30 g,靶板厚度为43 mm,采用不同的本构模型描述材料,进行数值模拟仿真计算。[结果]结合弹道枪试验及仿真计算,得到石墨烯增强铝基SiC复合材料复合靶板抗侵彻的过程为:破片侵彻靶板时,靶板表层铝合金受破片挤压形成环形卷曲破口,破片继续向后挤压过程中,靶板不断侵蚀破片头部;且破片不断向后冲击剩余靶板形成变形锥,破片速度足够大时,贯穿靶板形成花瓣型破口。[结论]结合微观形貌观察及弹道枪试验,仿真计算结果显示:Johnson-Cook,Cowper-Symonds及Johnson-Holmquist 3种本构模型中,Johnson-Holmquist本构模型更适合描述石墨烯增强铝基SiC复合材料的抗侵彻机理。     

高强聚乙烯层合板抗侵彻性能

以世界上较为通用的破片模拟弹作为高强聚乙烯层合板的防御对象,利用高速摄影技术得到了破片的具体侵彻过程,并通过弹道试验,得到了弹道极限和剩余速度的试验值。试验后的靶板变形模式和吸能机理表明:高强聚乙烯层合板在弹道极限附近的防护效率最高。根据试验结果拟合得到了不同面密度下的靶板弹道极限和剩余速度的经验公式,并比较了经验公式和经典公式计算值与试验结果,前者与试验结果吻合较好。     

近距空爆载荷下钢板/聚脲复合结构动响应特性仿真

[目的]为探讨聚脲涂层对钢板抗爆性能的提升机制,掌握背涂聚脲层对钢板动响应特性的影响规律,对钢板/聚脲复合结构的抗爆动响应过程进行仿真研究。[方法]采用LS-DYNA软件对钢板/聚脲复合结构在近距空爆载荷作用下的变形/失效过程及吸能机制进行数值仿真,并与文献试验结果进行对比,验证数值仿真方法的合理性和准确性。在此基础上,进一步分析前侧钢板层与背侧聚脲层的厚度配比及强度配比对结构变形/失效及能量吸收的影响。[结果]结果表明:背侧聚脲层在抗爆过程中存在二次崩落现象,其崩落碎片动能在后侧聚脲层总吸能中占主导地位;随着钢板-聚脲厚度比值的增加,前侧钢板层的最大塑性变形先减小后增大;随着强度比值增大,钢板的最大塑性变形和聚脲的吸能占比均单调减小。近距空爆载荷作用下,由于崩落而形成的碎片动能是后侧聚脲层的主要吸能方式;总面密度不变时,钢板/聚脲复合结构存在抗爆性能最优的厚度配比;强度比值的增大会降低聚脲层的吸能占比,同时提升结构的整体抗爆性能。[结论]研究结果可为钢板/聚脲复合结构的抗爆防护设计提供参考。     

钢/玻璃钢组合结构对高速弹丸的抗侵彻特性

为探究钢与玻璃钢的组合结构形式对舰船舱壁复合装甲结构抗穿甲性能的影响,采用均质钢板前置和后置玻璃钢来分别模拟舰船舱壁外设及内设复合装甲结构,结合高速弹道冲击实验,分析、比较2种结构形式组合靶板的穿甲破坏模式和抗弹吸能能力。在此基础上,利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA开展高速立方体弹丸侵彻组合靶板的数值模拟计算,分析组合靶板的侵彻过程,并与实验结果进行比较。结果表明,数值计算结果与实验结果较为吻合;2种组合靶板中复合装甲板的破坏模式均主要为钢板的剪切冲塞破坏和玻璃钢的纤维剪切断裂,后置组合靶板中玻璃钢背层伴随有纤维的拉伸破坏;前置组合靶板的抗弹吸能能力要稍大于后置组合靶板。     

聚脲涂层舷侧板架抗撞性能试验研究

针对船舶舷侧结构抗碰撞问题,开展有无聚脲涂层舷侧板架落锤试验研究。以某型舰船结构为依据建立舷侧板架有限元模型,利用瞬态动力学软件MSC/Dytran对模型进行数值仿真并确定落锤高度及试验工况。在此基础上,制作模型板架进行有无聚脲涂层舷侧板架落锤冲击试验,分别获得有涂层和无涂层舷侧板架在碰撞冲击载荷作用下的损伤变形、破口大小及碰撞力,对比研究聚脲材料的抗撞防护性能。结果表明,聚脲涂层的存在能够加强舷侧板架的耐撞防护性能。     

聚脲涂层舷侧板架抗撞性能试验研究

针对船舶舷侧结构抗碰撞问题,开展有无聚脲涂层舷侧板架落锤试验研究。以某型舰船结构为依据建立舷侧板架有限元模型,利用瞬态动力学软件MSC/Dytran对模型进行数值仿真并确定落锤高度及试验工况。在此基础上,制作模型板架进行有无聚脲涂层舷侧板架落锤冲击试验,分别获得有涂层和无涂层舷侧板架在碰撞冲击载荷作用下的损伤变形、破口大小及碰撞力,对比研究聚脲材料的抗撞防护性能。结果表明,聚脲涂层的存在能够加强舷侧板架的耐撞防护性能。     

空爆载荷下功能梯度泡沫铝夹层板动响应数值仿真

[目的]为了提高轻质泡沫铝夹层板的抗爆性能,[方法]通过采用有限元软件AUTODYN,对功能梯度泡沫铝夹层板在空爆载荷作用下的动态响应开展研究。在功能梯度泡沫铝夹层板的芯层高度及重量不变的情况下,分析讨论芯层不同排列顺序对夹层板上、下面板中心处速度、塑性变形和各部件吸能的影响。[结果]结果表明:夹层板上面板中心点处最大速度随迎爆面一侧芯层密度的增大而减小;芯层密度从迎爆面到背爆面依次为高—低—中排列顺序的夹层板的抗爆性能最好;芯层吸收了大部分能量,并且在迎爆面一侧密度小的排列组合其吸能特性最好。[结论]数值分析结果可为泡沫铝夹层板的芯层优化设计提供参考。     

舰船装甲防护结构抗弹道冲击的研究进展

高速破片群是舰船生命力的重要威胁,长期以来受到各国海军重视,在抗弹防护方面已开展了广泛的研究。参照舰船装甲防护的发展历程,论文回顾舰船依靠自身金属结构抗弹防护的研究成果,评述非金属材料在舰船抗弹防护领域的研究及应用现状,介绍近年来在使用复合装甲结构提高抗弹性能方面的研究进展,并对今后舰船装甲防护结构的研究及发展方向作了展望。     

舰船用轻型陶瓷基复合装甲的抗弹性能研究

针对舰船用复合装甲特殊要求,设计出了不同结构的陶瓷基复合装甲,对其在某型号弹种的弹道冲击下的防护能力展开试验研究;比较了不同结构形式的装甲以及船体钢的抗弹性能,并进行了复合装甲防护能力的评价,着重分析了不同结构形式复合装甲的抗弹机理.试验结果表明,陶瓷层是复合装甲中的关键组成部分,同时复合装甲中的其他组成部分也对整体的防护能力有着重要影响,装甲结构形式的合理性也是陶瓷基复合装甲具备良好抗弹性能的基础.     

基于交流阻抗技术的涂层性能评价方法

[目的]船舶表面使用涂层涂覆是常见的船舶防腐方法,涂层防腐性能的好坏直接反映船舶表面的腐蚀程度。尽管涂层涂覆作为船舶上有效的防腐技术已经应用了几十年,但始终缺少对涂层防腐性能进行快速有效检测的方法。[方法]通过建立合理的涂层体系等效电路模型,采用交流阻抗检测技术对试验涂层进行盐雾老化和紫外老化涂层性能试验,并利用Matlab数据处理软件对试验结果进行计算分析。[结果]从而得出涂层体系中各等效元件的参数来评估涂层的性能,并制定涂层老化失效电化学评定标准。[结论]盐雾老化和紫外老化涂层性能实验结果表明,基于交流阻抗技术及相应的电化学评价参数能够快速准确地对涂层性能进行综合评价。     

破片模拟弹侵彻陶瓷/船用钢复合靶板的理论分析模型研究

简要回顾了陶瓷/金属复合靶板的研究现状.根据船用钢的吸能特点和船用陶瓷轻型复合装甲的特殊性,将10 g破片模拟弹侵彻陶瓷/船用钢的过程分为两个阶段,分别计算了破片模拟弹的侵蚀变形能和船用钢背板的隆起-碟型变形吸能,并将后者分为径向弯曲变形能、径向膜托伸变形能及周向弯曲变形能等,给出了各种能量的计算公式,建立了计算弹道极...     

舱室防护装甲对战斗部破片群的防护效能评估

本文针对两方面问题开展了研究:对于给定的防护装甲,如何定量表征与计算其对某一战斗部的防护效能;如何针对防护的目标对象,依据防护效能要求设计防护装甲和抗爆结构.提出了防护装甲的防护效能通过穿透破片的分布密度进行定量表征以及四级防护等级划分的方法,分析论证了破片数随质量分布采用Weibull分布模型的合理性和适用性,推导了考虑自然破片形状系数和靶板材料强度的通用侵彻公式,建立了计算穿透破片分布密度模型以及依据防护等级求解防护装甲厚度模型.以"捕鲸叉"及"飞鱼"反舰导弹战斗部为实例,分别计算了按劳氏军规设计的防护装甲的防护效能,以及达到不同防护等级的防护装甲厚度.所建立的评估方法及模型,可用于重要舱室防护结构防护效能的定量评估,并对舰船舱室抗爆结构设计具有应用参考价值.     

五模点阵环状结构对碰撞冲击应力波的调控研究

为研究五模点阵环状结构对于碰撞冲击应力波的调控效果,基于坐标变换理论和增材制造技术,设计制作了五模点阵环状结构试验模型,通过冲击试验及仿真发现,五模点阵环状结构内环迎冲面的应变峰值明显小于内环背冲面,应力在五模点阵环状结构中有明显分叉趋势,可以有效降低迎冲面的应力集中。相较于等质量实心圆环,五模点阵环状结构内环迎冲面应变峰值降低了53%,内环背冲面应变峰值升高了18%。计算并分析五模点阵胞元的频散曲面发现,频散曲面等值线法向量的方向分布可以准确反映材料中的能流方向,在此基础上研究了胞元结构对能流特性的影响。相关结论可为潜艇抗冲击防护提供一定参考。     

中高速弹体侵彻下泡沫铝夹芯结构抗侵彻性能实验研究

为研究泡沫铝夹芯结构各组成部分在中、高速弹体侵彻下的抗侵彻性能及破坏机理,分别开展泡沫铝芯材(I)、前面板与芯材(II)、芯材与后面板(III)以及泡沫铝夹芯结构(IV)4种靶板在中、高速弹体侵彻下的弹道冲击试验。分析夹芯结构的破坏模式、侵彻过程和抗弹性能。结果表明:在中、高速弹体侵彻下,泡沫铝芯材发生了胞壁的绝热剪切和撕裂破坏,存在前面板的泡沫铝芯材还发生了胞壁压实坍塌;前面板发生绝热剪切破坏,弹速较低时,弹孔周围将产生明显的碟形弯曲变形,板厚较大、弹速较高时弹孔边缘存在开坑唇边;后面板发生了局部碟形弯曲-贯穿破坏,板厚较小时,后面板还产生了花瓣开裂。泡沫铝芯材吸能较小,泡沫铝和面板组成的夹芯结构吸能明显提高。面板的存在提高了靶板的抗弹性能,前面板对靶板的抗弹性能影响大于后面板的影响。同一种形式的靶板在高速弹体侵彻下的抗弹性能明显优于中速弹体侵彻下的抗弹性能。     

Q235钢板对高速弹的抗侵彻特性研究

为探究钢板在典型防御目标弹丸侵彻下的抗弹性能及破坏模式,开展系列弹道实验,并结合有限元分析软件Ansys/LS-DYNA,探讨弹体初速、入射角度及靶板厚度对靶板抗弹性能的影响,对比分析不同条件下的破坏模式。结果表明,在改变单一因素的条件下,弹体初速越大、入射角越大、钢板厚度越大,钢板吸能越高,抗侵彻能力越强。     

Q235钢板对高速弹的抗侵彻特性研究

为探究钢板在典型防御目标弹丸侵彻下的抗弹性能及破坏模式,开展系列弹道实验,并结合有限元分析软件Ansys/LS-DYNA,探讨弹体初速、入射角度及靶板厚度对靶板抗弹性能的影响,对比分析不同条件下的破坏模式.结果表明,在改变单一因素的条件下,弹体初速越大、入射角越大、钢板厚度越大,钢板吸能越高,抗侵彻能力越强.     

中高速弹体侵彻下泡沫铝夹芯结构抗侵彻性能实验研究

为研究泡沫铝夹芯结构各组成部分在中、高速弹体侵彻下的抗侵彻性能及破坏机理,分别开展泡沫铝芯材(I)、前面板与芯材(II)、芯材与后面板(III)以及泡沫铝夹芯结构(IV)4种靶板在中、高速弹体侵彻下的弹道冲击试验.分析夹芯结构的破坏模式、侵彻过程和抗弹性能.结果表明:在中、高速弹体侵彻下,泡沫铝芯材发生了胞壁的绝热剪切和撕裂破坏,存在前面板的泡沫铝芯材还发生了胞壁压实坍塌;前面板发生绝热剪切破坏,弹速较低时,弹孔周围将产生明显的碟形弯曲变形,板厚较大、弹速较高时弹孔边缘存在开坑唇边;后面板发生了局部碟形弯曲-贯穿破坏,板厚较小时,后面板还产生了花瓣开裂.泡沫铝芯材吸能较小,泡沫铝和面板组成的夹芯结构吸能明显提高.面板的存在提高了靶板的抗弹性能,前面板对靶板的抗弹性能影响大于后面板的影响.同一种形式的靶板在高速弹体侵彻下的抗弹性能明显优于中速弹体侵彻下的抗弹性能.