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...     

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。     

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/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.     

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。     

复合抗弹结构设计及隔热性能验证

超高分子量聚乙烯纤维增强塑料(UFRP)层合板具有良好的抗侵彻性能,但受温度影响明显,其热损伤的临界温度仅为147℃。为了避免火灾产生的高温使UFRP层合板失去抗弹性能,设计了以船用钢为前/后面板,SiO_2气凝胶毡为隔热层,UFRP层合板为抗弹层的复合抗弹结构。在A60耐火等级标准条件下,对复合抗弹结构的有限元模型进行瞬态热分析,探索了复合抗弹结构内部的温度分布与SiO_2气凝胶毡隔温层厚度的关系。根据有限元仿真结果,近一步对SiO_2气凝胶毡隔热层厚度为20 mm的复合抗弹结构单元开展耐火试验。结果表明:SiO_2气凝胶毡具有良好的隔热性能,在A60耐火等级标准条件下,保持复合抗弹结构中UFRP层合板抗弹性能完好所需的SiO_2气凝胶毡隔热层厚度至少为20 mm。     

复合抗弹结构设计及隔热性能验证

超高分子量聚乙烯纤维增强塑料(UFRP)层合板具有良好的抗侵彻性能,但受温度影响明显,其热损伤的临界温度仅为147℃.为了避免火灾产生的高温使UFRP层合板失去抗弹性能,设计了以船用钢为前/后面板,SiO2气凝胶毡为隔热层,UFRP层合板为抗弹层的复合抗弹结构.在A60耐火等级标准条件下,对复合抗弹结构的有限元模型进行瞬态热分析,探索了复合抗弹结构内部的温度分布与SiO2气凝胶毡隔温层厚度的关系.根据有限元仿真结果,近一步对SiO2气凝胶毡隔热层厚度为20 mm的复合抗弹结构单元开展耐火试验.结果表明:SiO2气凝胶毡具有良好的隔热性能,在A60耐火等级标准条件下,保持复合抗弹结构中UFRP层合板抗弹性能完好所需的SiO2气凝胶毡隔热层厚度至少为20 mm.     

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.     

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。     

轻型陶瓷/金属复合装甲抗弹分析模型研究

为探讨轻型陶瓷复合装甲结构设计,在弹道冲击响应特性试验研究与分析的基础上,针对薄金属背板支撑的陶瓷复合装甲,以金属背板发生碟型变形-剪切-花瓣型失效为分析对象,建立了陶瓷/金属复合装甲侵彻过程的近似解析模型。模型考虑了弹体的侵蚀失效及陶瓷碎片脱离弹头表面,向侧向和反冲击方向的运动,得到了陶瓷/金属复合装甲中金属背板的动态冲击响应及失效,陶瓷/金属复合装甲的弹道极限速度计算公式和弹体的剩余速度计算方法,模型分析结果与试验结果吻合良好。     

复合材料吸声系数的理论计算及性能分析

不同噪声环境中的降噪需求不同,为根据噪声频谱合理设计复合吸声材料,基于穿孔板及多孔吸声材料的吸声原理,提出了改进的声-电类比法,推导出复合吸声材料吸声系数的理论计算公式.利用该种计算方法,通过数值仿真深入分析复合吸声材料内外层穿孔率,多孔材料厚度,空腔变化对吸声性能的影响,分析表明第1层板穿孔率及多孔材料厚度影响较大.最后用声学实验对计算结果进行验证,表明改进的声-电类比法有效.     

舰船复合材料防护结构的选择与优化

为选择与优化舰船复合材料防护结构,根据陶瓷材料的密度小、强度大、硬度高、抗冲击性能良好等特征,建立以金属为面板的金属/陶瓷复合材料和以陶瓷为面板的陶瓷/金属复合材料结构模型,研究复合材料层合板在爆炸冲击载荷下的抗冲击性能,陶瓷/金属复合材料的抗爆炸冲击性能远远优于金属/陶瓷复合材料的抗爆炸冲击性能。在此基础上,考虑复合材料层合板在防护结构中的位置,讨论不同结构参数对防护结构爆炸冲击性能的影响。研究结果表明,当复合材料层合板设置在空舱外板时,舰船的抗爆炸冲击性能相对较优。     

NaOH含量对AZ91D镁合金微弧氧化膜层微观结构和耐蚀性的影响

在由15 g/L Na2SiO3、12 g/L NaAlO2、3 g/L Na2B4O7、5 mL/L C3H8O3、5 g/L C6H5Na3O7及1~4 g/L NaOH组成的硅铝复合电解液中,利用微弧氧化技术在AZ91D镁合金基体上制备了一系列陶瓷膜层.利用扫描电镜、膜层测厚仪分别研究了陶瓷膜层的微观结构及厚度;采用全浸泡实验和交流阻抗实验测试了膜层在3.5%NaCl溶液中的耐蚀性能.结果表明：随着NaOH含量的增加,微弧氧化过程中的起弧电压和终止电压均呈线性下降;膜层的耐蚀性随着NaOH含量的增加先提高后降低,膜厚的变化趋势与其耐蚀性的变化趋势基本一致;NaOH含量的变化主要影响膜层内部致密层的耐蚀性能;当NaOH含量为2 g/L时,膜层最厚,膜层较致密,因而具有较好的耐蚀性能.     

基于多种失效模式SPS复合钢板替换船用钢板的优化设计

在SPS复合钢板的设计中获取不同的失效模式。以减重为目标,应用序列二次规划法对SPS复合钢板进行等效船用钢板的优化设计,同时对SPS复合钢板进行多目标优化,应用层次分析法定各目标的权重。在这两种优化方法的基础上,对船用钢板与SPS复合钢板进行了屈曲、弯曲对比数值分析,同时将结果与理论计算结果对比分析。结果表明,SPS复合钢板重量能够减轻37%以上,刚度增加两倍多,但厚度增加70%。     

铝合金激光焊气孔数值模拟

采用透明玻璃观察激光焊过程的匙孔行为。基于菲涅耳吸收和多重反射方法,引入气泡模型,建立三维数值模型,研究铝合金激光焊中匙孔行为和匙孔型气孔的形成机理。结果表明:匙孔的形成与坍塌机理在数值模拟与试验中是相似的;匙孔前壁处的熔融金属沿前沿方向向下流动,而在匙孔后壁的熔池形成顺时针涡流;匙孔坍塌的主要步骤是匙孔后壁处形成凸起,匙孔后壁上的凸起继续向匙孔前壁处流动并与匙孔前壁接触形成液桥;气孔形成的主要因素是匙孔坍塌形成气泡和气泡被凝固界面捕获。     

复合材料—钢混合结构封闭式桅杆振动特性研究

由于隐身性的需求,复合材料—钢混合结构的封闭式桅杆逐渐在舰船上使用。开展了复合材料—钢混合结构封闭式桅杆的模态试验,通过实验检验了桅杆数值计算模型,并采用数值方法研究了雷达罩复合材料夹层板板厚对桅杆和顶部雷达罩振动特性的影响规律,通过研究发现复合材料夹层板振动特性良好。此外,根据八边形桅杆的数值计算结果提出了雷达罩总体和局部振动频率的预测方法,通过四边形和六边形桅杆的检验,证明此种预测方法具有普遍意义,为封闭式综合集成桅杆的结构设计提供了有益的参考。