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。     

高速破片侵彻下高分子聚乙烯层合板的弹道极限估算方法

为了得到弹道冲击下高分子聚乙烯（UHMWPE）层合板的弹道极限估算方法,提出四阶段吸能模型,分析3.3 g立方体破片高速侵彻不同厚度UHMWPE层合板的吸能过程,并在此基础上提出UHMWPE层合板在高速侵彻作用下弹道极限的估算方法,分析不同板厚UHMWPE层合板在弹道极限下不同吸能方式吸收能量的比例。结果表明：在弹道极限情况下,复合材料层合板的主要吸能方式为剪切破坏吸能、压缩破坏吸能、层合板的结构运动吸能和纤维拉伸变形吸能,且剪切破坏吸能、压缩破坏吸能和结构运动吸能在总吸能中的比例是随板厚的增加而增大,纤维拉伸变形吸能的比例则是随板厚的增加而减小;在高速侵彻作用下,UHMWPE弹道极限的估算方法与试验结果吻合良好。     

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。     

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.     

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。     

破片侵彻X型夹芯双层舱壁结构的数值分析

利用非线性瞬态动力学软件MSC/Dytran,对战斗部破片侵彻X型夹芯双层舱壁结构的过程进行数值模拟,分析在不同质量及初始速度下破片的剩余速度和舱壁结构的能量变化,总结了破片的剩余速度和舱壁结构的吸能随侵彻载荷参数变化的规律。最后在破片侵彻单层靶板剩余速度经验公式的基础上,运用等效厚度法对单层靶板剩余速度经验公式进行修正后,得到了破片侵彻双层舱壁结构的剩余速度公式,为双层舱壁结构工程化应用提供参考。     

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。     

新型舱壁结构抗侵彻性能的数值仿真

对加筋舱壁结构、平板夹芯舱壁结构以及蜂窝夹芯舱壁结构在高速破片侵彻作用下的抗侵彻性能进行数值仿真研究。分别对3种舱壁结构在侵彻作用下的动态响应进行分析,得到3种舱壁结构抗侵彻过程中的变形能,以及破片穿透3种舱壁结构后的剩余动能。计算结果表明:高速破片穿透加筋舱壁结构以及平板夹芯舱壁结构后仍具有较强杀伤力,因而需要改良舱壁结构,以更有效地抵御高速破片的冲击。蜂窝夹芯舱壁结构的抗侵彻性能高于加筋舱壁结构及平板夹芯舱壁结构。     

战斗部破片侵彻舰船横舱壁结构的数值分析

半穿甲型反舰导弹主要通过破片侵彻能力和爆炸冲击波能量对目标构成毁伤作用。通过对爆炸破片特性和舰船横舱壁结构破坏模式的分析,采用合适的材料模型和有限元仿真技术,对战斗部破片侵彻舰船横舱壁结构的过程和毁伤效应进行动态描述,分析横舱壁在高速破片侵彻下的破坏机理。考虑破片的可变形性,给出破片侵彻的能量变化和舱壁结构的吸能特性,获得侵彻速度与横舱壁结构吸能的关系曲线,并比较舱壁板和骨材的吸能情况随侵彻速度变化的规律,为侵彻载荷工况下现代舰船横舱壁的防护设计提供参考。     

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。     

高强聚乙烯/负泊松比复合结构抗侵彻性能快速预报研究

本文旨在利用代理模型技术实现高强聚乙烯-负泊松比效应复合结构抗侵彻性能的快速预报,首先对高强聚乙烯层合板抗弹片侵彻数值仿真方法进行验证,建立可靠的高强聚乙烯-负泊松比效应复合结构抗侵彻数值仿真模型,并构建了其弹道极限快速预报的代理模型;分析了不同的代理模型方法和采样方式对代理模型精度的影响规律。结果表明,相较多项式响应面和径向基函数代理模型,Kriging代理模型的预报精度最高,最大相对误差为18.1%,归一化均方根误差为8.8%,相关系数为0.85;正交设计试验方法较拉丁超立方采样方式更适合复合结构弹道极限速度预报,本文为侵彻载荷下结构动态响应快速预报研究提供了参考。     

爆炸破片侵彻钢/陶瓷/铝复合板的数值计算研究

陶瓷复合装甲具有优良的抗弹性能,合理设置复合靶板各层厚度有利于提高其抗弹性能。文章采用非线性动力学程序AUTODYN,模拟了直径为8mm的圆柱形破片对钢/陶瓷/铝复合靶板的侵彻过程,分析侵彻过程中靶板的破坏机理。通过一系列模拟,分析钢面板厚度、陶瓷层厚度以及铝背板厚度对复合靶板抗侵彻性能的影响,研究表明在面密度一定时,减小面板厚度,增加陶瓷和铝背板厚度对复合靶板的抗弹性能有明显提高。     

空中爆炸载荷下PVC泡沫夹芯板动态响应分析

基于Abaqus/Explicit,计算分析PVC夹芯板在空爆载荷作用下的动态响应,考察夹芯板上面板厚度、芯层高度及炸药当量对其抗爆性能的影响,并从能量吸收的角度分析不同工况下PVC夹芯板的吸能特性。数值结果表明夹芯板的动态响应对其结构配置比较敏感,增加上面板厚度及芯层高度可以明显减小下面板挠度,从而提高结构的抗爆性能。夹芯板的总体吸能量与上面板厚度密切相关,与芯层高度没有明显关联,减小上面板厚度可以提高结构的总体吸能量;在相同工况下,增加上面板厚度可以提高上面板吸能占比,增加芯层高度可以提高芯层吸能占比。在炸药当量较小时,夹芯板变形以上面板局部弯曲及芯层压缩为主;当炸药当量较大时,夹芯板变形以整体弯曲变形为主。研究结果对PVC夹芯板抗爆性能的优化设计具有一定的参考价值。     

空中爆炸载荷下PVC泡沫夹芯板动态响应分析

基于 Abaqus/Explicit,计算分析 PVC夹芯板在空爆载荷作用下的动态响应,考察夹芯板上面板厚度、芯层高度及炸药当量对其抗爆性能的影响,并从能量吸收的角度分析不同工况下 PVC夹芯板的吸能特性。数值结果表明夹芯板的动态响应对其结构配置比较敏感,增加上面板厚度及芯层高度可以明显减小下面板挠度,从而提高结构的抗爆性能。夹芯板的总体吸能量与上面板厚度密切相关,与芯层高度没有明显关联,减小上面板厚度可以提高结构的总体吸能量;在相同工况下,增加上面板厚度可以提高上面板吸能占比,增加芯层高度可以提高芯层吸能占比。在炸药当量较小时,夹芯板变形以上面板局部弯曲及芯层压缩为主;当炸药当量较大时,夹芯板变形以整体弯曲变形为主。研究结果对PVC夹芯板抗爆性能的优化设计具有一定的参考价值。     

陶瓷/液舱复合结构抗侵彻机理试验研究

为探讨EFP战斗部的防护方法,文章根据陶瓷材料和液舱结构的抗侵彻机理,提出在舰船防护液舱前增设抗弹陶瓷材料层抵御大质量弹丸的侵彻,设计了1/10缩尺的防护液舱结构模型,开展了3类陶瓷/液舱复合结构抗侵彻试验研究,分析了弹体、液舱前、后面板的破坏模式和侵彻过程以及复合结构的抗侵彻效能.结果表明:弹体主要发生墩粗-侵蚀破坏;液舱结构前面板的破坏分为剪切冲塞(花瓣开裂)、碟形变形、薄膜鼓胀和失稳凹陷四个阶段;后面板的破坏随板的厚度而变化:后板较厚时发生剪切冲塞,较薄时发生花瓣开裂;初始压力峰值远远大于空化载荷峰值,但空化载荷对结构的破坏起着主要作用.     

超高分子量聚乙烯纤维增强层合厚板抗高速钝头弹侵彻的理论模型

结合超高分子量聚乙烯纤维增强塑料(UFRP)层合厚板抗高速侵彻的特点,将整个侵彻过程分为开坑镦粗、剪切压缩和拉伸变形3个阶段。通过改进开坑镦粗阶段的计算方法和拉伸变形阶段的计算过程,基于能量守恒原理建立UFRP层合厚板抗高速钝头弹侵彻的弹体侵彻深度和靶板弹道极限的计算模型,并给出相应的计算流程图。通过采用该模型计算相关文献试验工况下的弹体侵彻深度和层合厚板弹道极限,发现计算值与文献试验结果均吻合较好。改进后的模型考虑了弹丸初速度对开坑镦粗阶段侵彻深度的影响,能够对高速钝头弹侵彻UFRP层合厚板的弹体侵彻深度和层合厚板的弹道极限进行合理的预测,并可降低试验成本。     

超高分子量聚乙烯纤维增强层合厚板抗高速钝头弹侵彻的理论模型北大核心CSCD

结合超高分子量聚乙烯纤维增强塑料(UFRP)层合厚板抗高速侵彻的特点,将整个侵彻过程分为开坑镦粗、剪切压缩和拉伸变形3个阶段。通过改进开坑镦粗阶段的计算方法和拉伸变形阶段的计算过程,基于能量守恒原理建立UFRP层合厚板抗高速钝头弹侵彻的弹体侵彻深度和靶板弹道极限的计算模型,并给出相应的计算流程图。通过采用该模型计算相关文献试验工况下的弹体侵彻深度和层合厚板弹道极限,发现计算值与文献试验结果均吻合较好。改进后的模型考虑了弹丸初速度对开坑镦粗阶段侵彻深度的影响,能够对高速钝头弹侵彻UFRP层合厚板的弹体侵彻深度和层合厚板的弹道极限进行合理的预测,并可降低试验成本。     

破片侵彻双层横舱壁剩余速度预报研究

文中对破片侵彻单层体单元靶板过程进行数值模拟研究,根据动态响应结果统计出破片侵彻靶板后的直径和靶板冲塞块厚度,从而建立破片墩粗率和靶板冲塞比关于破片直径和靶板厚度的关系;其次,结合数值仿真计算结果,对破片侵彻单层靶板剩余速度半经验公式中的参数进行计算,提出了破片侵彻双层横舱壁结构剩余速度预报公式,对公式的可靠性进行了验证.     

冲击波和破片联合作用下I型夹层板毁伤仿真

基于非线性有限元软件LS-DYNA,通过在TNT炸药底部布置预制破片模拟战斗部爆炸产生的冲击波与破片联合作用载荷,计算3种TNT炸药当量下I型夹层板的毁伤响应,分析冲击波单独作用及冲击波与破片联合作用下I型夹层板失效模式的差异,研究夹层板芯层配置以及上、下面板厚度配置对其失效模式的影响,并与等效实体板的抗毁伤性能进行对比。同时,从吸能的角度分析不同载荷工况下I型夹层板的吸能特性。数值仿真结果表明:在冲击波与破片联合作用下,结构的毁伤程度远大于冲击波单独作用时;当载荷强度较小时,I型夹层板的抗毁伤性能优于等效实体板;载荷强度、载荷类型(冲击波单独作用或冲击波与破片联合作用)及上、下面板厚度配置对I型夹层板的失效模式有较大影响;从吸能特性来看,在冲击波单独作用下,上面板和芯层是主要的吸能构件,而在冲击波与破片联合作用下,上面板和下面板是主要的吸能构件。     

六层金字塔点阵夹芯板结构在水下近距爆炸载荷下的冲击实验

为研究多层金字塔点阵夹芯板结构在水下近距爆炸载荷下的抗爆性能,加工制作了六层金字塔点阵夹芯板结构模型,通过水下爆炸实验,揭示了多层金字塔点阵夹芯板结构的变形模式,并对模型结构进行数值仿真,分析了夹芯板结构的吸能情况。上面板呈整体下沉变形模式;金字塔点阵夹芯结构存在动态屈曲变形模式;屈曲芯层之间的夹层板呈波浪褶皱变形;下面板呈平台变形模式,靠弯曲和拉伸变形吸能。实验结果表明:夹芯结构的第1层和第6层破坏较为严重,同时由于夹芯层的吸能作用,对下面板起到了一定的缓冲防护作用。