三层组合陶瓷复合装甲的抗侵彻性能及其损伤机制

为了研究相同面密度下Kevlar/SiC-TC4-超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合靶板的复合结构参数对其抗弹性能的影响和失效机理,选用4组不同厚度组合的靶板试样,并使用12.7 mm穿燃弹以相同着靶速度(488 m/s)进行弹道冲击实验。使用扫描电子显微镜(SEM)研究复合装甲板在弹道侵彻下的损伤模式。实验结果表明:在所述实验条件下8 mm+2 mm+10 mm厚度组合的Kevlar/SiC-TC4-UHMWPE复合靶板是最佳的抗侵彻工程应用结构;在同等面密度条件下,将1 mm厚陶瓷替换成同等面密度的TC4钛合金背板(约0.5 mm厚)时,复合装甲板的抗弹道侵彻性能提升了约29.69%,可见钛合金的结构参数对复合装甲板抗弹性能的影响权重大于SiC;钛合金背板面密度的增加不仅增强了对陶瓷的支撑作用,而且增加了弹-靶作用时间,提升了复合靶板的整体防护性能;12.7 mm穿燃弹侵彻后复合装甲板的损伤模式包括SiC碎裂、钛合金背板少量隆起变形及十字形拉伸撕裂损伤、UHMWPE层合纤维背板剪切断裂、层间分离和纤维拉伸;在整体复合装甲的设计中,应将高抗剪材料放置在背板的前几层,将高抗拉材料放置在背板后几层,以充分利用每种材料。

多孔钛合金夹芯层陶瓷/UHMWPE复合结构的抗侵彻性能

陶瓷/纤维复合装甲的纤维背板由于其刚度较低,无法为陶瓷面板提供足够的支撑,削弱了陶瓷面板对弹丸的侵蚀作用。为了增强复合装甲的整体结构刚度,在陶瓷/纤维复合装甲中加入了金属夹芯层材料,通过试验和数值模拟研究了夹芯复合装甲对12.7 mm穿燃弹的抗弹性能。试验结果表明,穿燃弹弹芯表现出脆性断裂的失效模式,复合材料装甲表现出多种失效模式,包括夹芯层的花瓣形扩孔,UHMWPE(ultra-high molecular weight polyethylene)层压板的分层和凸起变形。建立了三维数值模型来分析整个弹道响应的演变,通过试验结果验证了模拟的准确性。模拟结果表明,12.7 mm穿燃弹的被甲会对陶瓷造成损伤,同时陶瓷会侵蚀弹芯的尖卵形头部,使弹芯头部变钝从而削弱弹芯对UHMWPE背板的侵彻能力。残余弹体的动能大部分由UHMWPE层吸收,UHMWPE层压板的失效模式会随着层数的增加由剪切失效转变为拉伸失效占主导地位。此外,作为夹芯层的多孔TC4板能够为陶瓷面板提供支撑,提高陶瓷面板的吸能效果以及弹体的侵蚀作用,并且12 mm孔径的TC4夹芯层能够提供更大的刚度支撑,使整体复合结构的吸能效率提升10%。

纤维背板结构对B_(4)C陶瓷复合装甲抗侵彻破碎特性的影响

以碳化硼陶瓷作为前置抗弹面板,以碳纤维T300、UHMWPE和Kevlar高性能纤维板的不同组合作为其复合背板,利用12.7 mm穿甲燃烧弹对不同结构的陶瓷/复合背板进行弹道冲击实验,通过回收破碎的弹体与陶瓷碎块,进行多级筛分称重,分析不同背板对应的陶瓷复合装甲的碎块分布规律与抗弹性能。研究表明:在陶瓷与纤维背板之间添加一层碳纤维板可以显著改善复合装甲的抗弹刚度梯度,提高整个抗弹靶板的结构刚度,进而改善弹体与整个面板之间的应力波传播形式,延长陶瓷锥体形成后与陶瓷面板脱离的时间和应力波在整个陶瓷面板内传播的作用时间,从而降低陶瓷面板内部拉伸波造成的拉伸断裂,延长弹体的驻留现象。利用Rosin-Rammler分布模型对陶瓷与弹体的碎块形式进行表征,结果表明:分别将一半厚度的UHMWPE纤维板和Kevlar纤维板替换为碳纤维背板,其陶瓷面板的半锥角分别增大了2.05%和4.20%,碎裂区整体平均特征尺寸分别下降了16.92%和42.96%;加入高抗弯强度的碳纤维作为复合装甲的中间过渡层后,背板的破坏形式改变,充分利用了纤维背板的高抗拉强度,从而提高整体复合装甲的抗弹性能。

Kevlar纤维及碳纤维背衬下SiC陶瓷和弹丸的破碎特性

陶瓷/纤维复合装甲的抗弹性能与弹靶的破碎特性之间有明显的关联。当背板材料不同时,波阻抗差异会影响陶瓷与背板之间的应力波传播,使弹丸和陶瓷面板产生不同的破碎现象,致使复合靶板的防护性能有所不同。针对弹丸侵彻不同纤维背板的陶瓷复合装甲时的弹靶破碎特性,开展了12.7 mm口径的穿燃弹侵彻陶瓷/Kevlar纤维复合靶板和陶瓷/碳纤维复合靶板的弹道试验,结合Rosin-Rammer分布模型,对两类陶瓷/纤维复合靶板的防护性能进行分析。结果表明:弹芯撞击陶瓷面板时发生的断裂主要由其内部的拉剪应力造成;当背板为碳纤维时,弹芯碎片的平均特征尺寸比背板为Kevlar纤维时小21.68%,陶瓷碎片的平均特征尺寸减小约9.48%,即弹芯和陶瓷的小尺寸碎片占比更大,同时,复合靶板的整体抗弹性能更优。

轻型陶瓷/金属复合装甲抗垂直侵彻过程中陶瓷碎裂行为研究

为探讨轻型陶瓷复合装甲抗侵彻过程中陶瓷的碎裂行为,采用12.7 mm穿燃弹对不同背板厚度及陶瓷厚度下陶瓷/金属复合装甲进行弹道冲击试验。通过观测回收的靶体陶瓷宏观破坏特征,分析不同厚度组合与陶瓷主要破坏特征之间的关系;并通过对陶瓷碎块的多级筛分称重,分析不同厚度组合下陶瓷面板的碎块尺度分布规律。结果表明,陶瓷锥是陶瓷面板的主要破坏形态,其宏观裂纹主要有:径向裂纹、环向裂纹和锥形裂纹。陶瓷锥内可细分为由高压缩应力引起的粉末状较小陶瓷碎块组成的陶瓷粉碎锥和由应力波造成的较大片状陶瓷碎块组成的陶瓷破碎锥。冲击后陶瓷锥内陶瓷碎片尺度分布满足Rosin-Rammler分布模型,当背板厚度增大时,陶瓷半锥角增大,导致陶瓷锥整体体积增大,破碎区占比亦增大,产生的陶瓷碎块以大粒径碎块为主,陶瓷锥内整体破碎尺度增大。当陶瓷厚度增大时,陶瓷锥半锥角及径向裂纹数量基本不变,陶瓷锥内粉碎区占比增大,整体破碎尺度减小。

背板对氧化铝陶瓷薄板断裂锥形态的影响

采用弹道侵彻试验与有限元数值模拟相结合的方法,研究了背板条件对氧化铝薄板陶瓷/金属复合装甲在抗12.7 mm穿燃弹过程中形成的陶瓷锥角大小与形态的影响,并分析了陶瓷锥形成的过程与机理.结果表明:背板厚度对于陶瓷锥大小的影响尤为明显,当背板厚度增大时,主裂纹汇聚的交点越靠近弹靶接触面,此时拉剪裂纹的扩展起到了主要作用,当背板厚度与陶瓷厚度之比小于1时,厚度比每增大1/6,陶瓷锥锥角大小增加5%;当界面间波阻抗差值减小即背板材料波阻抗升高时,从界面反射的应力波减弱,从而减小了对陶瓷的损伤,陶瓷断裂锥锥角大小也随之减小.

UHMWPE背板铺层角度对陶瓷复合靶板抗弹性的影响

由于背板强度对陶瓷/纤维复合装甲的抗弹性能存在明显影响,采用12.7 mm穿燃弹(刚脆性)冲击实验研究了不同UHMWPE背板铺层角度对陶瓷/纤维复合装甲弹道冲击性能的影响.通过观测回收的弹芯、靶体陶瓷及纤维背板宏观破坏特征,分析了陶瓷/纤维复合装甲的耗能机理及抗弹性能.试验结果表明,陶瓷锥是陶瓷面板的主要破坏模式,其宏观裂纹主要有:径向、环向及与锥形裂纹;纤维背板变形模式为动态锥形鼓包及边界褶皱,其破坏失效模式有:剪切失效及层间剥离.并且,背板强度对陶瓷/纤维复合靶板的抗弹性能有明显影响,随着UHMWPE背板铺层角度的减小,背板强度以及陶瓷/纤维靶板整体结构刚度随之增大,靶板对弹芯的破碎作用越明显,冲击后剩余弹芯最大碎片质量减小,小碎块数量增多,弹丸碎块穿透靶板后剩余侵彻能力减弱,复合靶板整体抗弹性能增加,同时背板鼓包高度减小,锥形鼓包所形成的角度增大,纤维层合板的破坏失效模式从剪切失效向层间剥离转变.

陶瓷/金属复合靶受12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻时弹靶破碎特征

弹靶破碎特征对陶瓷/金属复合装甲的抗弹性能有明显的影响,针对这一现象,进行12.7 mm穿甲燃烧弹垂直侵彻不同陶瓷材料下的陶瓷/金属复合靶板的实验研究。通过观测回收的弹芯及靶体陶瓷宏观破坏形貌,分析不同陶瓷材料与弹芯及陶瓷主要破坏特征之间的关系;通过对碎块的多级筛分称重,开展对不同陶瓷材料下弹芯及陶瓷面板的碎块尺度分布规律的研究。试验结果表明不同断裂韧性对陶瓷和弹的破碎形态及碎块粒径分布有明显影响:当陶瓷的断裂韧性增大时,弹芯小碎片的质量减小,大质量碎片增加,破碎程度减小;陶瓷半锥角增大,径向裂纹减少,陶瓷锥内破碎区碎块尺度呈增大趋势,故整体陶瓷锥破碎区占比提升;弹芯碎块及破碎后的陶瓷碎块粒径累计质量分布符合幂律分布模型。其中弹体碎裂主要分为两个部分,较大的碎块主要是由压剪断裂及应力卸载所导致的拉伸断裂所致,细碎化只发生在弹体头部,主要是由应力波产生的微裂纹与冲击诱发的粒间裂纹相互作用所致;径向裂纹及陶瓷锥是陶瓷冲击破坏的主要表现形式。

不同撞击速度下穿燃弹侵彻陶瓷/铝合金复合靶板时弹芯破碎失效特性研究

为了研究12.7 mm穿燃弹以不同速度撞击陶瓷/铝合金复合靶板时弹芯的破碎及失效特性,开展了12.7 mm穿燃弹以434.5~844.6 m/s速度撞击SiC陶瓷/6061T6铝合金复合靶板的弹道试验,分析了弹靶的失效模式。弹芯在侵彻靶板后会产生不同尺寸的碎片,使用回收箱收集弹芯碎片并用不同孔径筛网对其进行筛分、称重,得到了不同撞击速度下弹芯碎片的质量分布,并对不同部位的弹芯碎片断口形貌进行了宏观和微观观测分析。研究结果表明:背板失效模式为碟形变形-剪切穿孔-花瓣形失效,试验后的弹芯碎片累积质量分布符合Rosin-Rammler幂率分布规律,且随着着靶速度的增大,小质量碎片质量增加;弹芯在冲击过程中等效直径较大碎片(大于8 mm)失效模式为拉伸脆性断裂,而等效直径小于2 mm的碎片上存在局部塑性剪切断裂。

675装甲钢的静动态力学行为与J-C模型参数拟合确定

为研究675高强装甲钢在受到弹丸冲击后的动态响应问题,需要确定一套适用于侵彻仿真计算的675装甲钢的材料模型.通过开展675装甲钢的动静态力学性能试验和材料断裂实验,并且根据实验结果对675装甲钢材料的Johnson-Cook本构模型和失效模型参数进行了拟合.同时,根据弹道试验建立了仿真侵彻模型,将数值计算结果与试验结果进行了对比。结果表明:通过材料性能实验得到的675装甲钢的Johnson-Cook本构和失效模型应用于弹靶侵彻的数值仿真时,得到的仿真结果与弹道试验结果的平均误差为6.5%,最大误差不超过10%,拟合得到的Johnson-Cook本构模型和失效模型参数的可靠性较高,对675装甲钢在冲击载荷下的仿真计算具有重要意义.

刚性卵形弹丸对半无限厚铝合金靶的穿深方程

基于圆柱形空腔膨胀模型,将靶板变形所做的塑性功等效为刚性弹在整个侵彻过程所消耗的动能,对用于计算刚性卵形弹侵彻半无限厚铝合金靶板的侵深公式进行了推导。利用MTS万能试验机对2A12T4、6061T6、7075T6共3种铝合金材料进行了室温下的静态力学性能实验,得到了它们的真实应力-应变曲线,并将各参数代入侵深方程进行计算。通过12.7 mm穿燃弹侵彻3种铝合金靶板的末端弹道试验,得到了不同速度下3种铝合金靶板的侵彻深度,并与理论结果进行了对比验证。结果表明:该理论模型与试验结果吻合良好,推导得到的穿深方程较为可靠。同时,靶板材料的应力-应变数据的可靠性对模型预测的准确性有较大的影响。

薄板氧化铝陶瓷复合装甲抗侵彻行为规律研究

为探究不同背板厚度、背板材料、陶瓷厚度和弹速对薄板氧化铝陶瓷复合靶板背板能量耗散的影响,进行12.7mm穿甲燃烧弹冲击陶瓷复合靶板弹道试验。计算背板塑性变形能,表征背板能量耗散,研究不同条件对薄板氧化铝陶瓷复合装甲背板能量耗散的影响。结果表明:背板厚度增加,背板吸能减小;相同厚度时铝合金背板比钢背板吸能少;陶瓷越厚,背板吸能越少;弹速越高,背板吸能越多。