12.7 mm穿燃弹侵彻603装甲钢行为研究

通过弹道枪开展12.7 mm穿燃弹以不同速度垂直侵彻603装甲钢半无限厚靶板的弹道试验,并结合数值仿真计算对侵彻深度、侵彻阻力等进行研究。结果表明:侵彻过程中弹芯为主要侵彻元,表现为刚性侵彻,背甲对侵彻深度的影响可忽略。不同着靶速度的弹芯侵彻阻力随位移的变化规律基本一致,可分为弹芯飞行摩擦阻力阶段、弹芯头部进入靶板阶段、弹芯头部完全进入靶板阶段。通过刚性弹侵彻半无限厚靶板,结合空腔膨胀理论模型对尖卵形弹头进行等效简化,建立了尖卵形刚性弹芯侵彻深度预测公式。根据量纲分析拟合得到了无量纲侵彻深度和无量纲动能的关系式。

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%。

碳化硼陶瓷/超高分子量聚乙烯复合装甲板抗12.7 mm穿甲弹侵彻过程中陶瓷的碎裂行为

陶瓷/UHMWPE复合装甲板以其轻质高强的优异性能广泛应用于弹道防护领域,其通过陶瓷的破碎与背板的变形破坏耗散弹丸动能,其中陶瓷的破碎吸能是消耗动能的主要模式。因此,分析陶瓷的碎裂过程及损伤演化特性,对优化陶瓷复合装甲的防护性能具有重要意义。本文以碳化硼陶瓷(B_(4)C)作为面板材料,超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)层压板作为背板材料,通过真空袋膜压工艺制备B_(4)C/UHMWPE复合装甲板。采用54式12.7 mm穿甲弹以弹速(488±10)m/s侵彻复合装甲板,研究复合装甲板的抗侵彻性能;基于X射线计算机断层扫描(X-ray computed tomography,CT)技术和断口形貌观察,分析复合装甲板的弹道侵彻响应机制及B_(4)C陶瓷的破碎行为和特征参数。研究结果表明:B_(4)C陶瓷的破碎区域呈现双圆台状;陶瓷的响应区域包括陶瓷板背面的超前破碎区、弹道侵彻后剩余的陶瓷板、弹丸正下方的碎片-完全粉化区;B_(4)C陶瓷内的自由面锥角与复合装甲板的抗穿甲弹侵彻性能存在明显正相关性;B_(4)C/UHMWPE复合装甲板的响应过程包括冲击波传播过程及诱导陶瓷内自由面生成、B_(4)C陶瓷的破碎过程、UHMWPE层压板的压缩-剪切-拉伸的耦合过程。

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。

不同速度下B_(4)C陶瓷/铝合金轻型复合靶板抗侵彻行为研究

陶瓷复合装甲由于其本身高硬度、低密度的特点被广泛应用于高机动性武装载体上,其主要威胁弹体为12.7 mm穿甲燃烧弹。该弹种在侵彻陶瓷轻型复合靶板时弹芯会发生脆性破碎失效行为,弹丸着靶速度的不同会导致弹芯破碎程度的变化,从而直接影响侵彻结果。利用12.7 mm穿燃弹以区间速度498.9~769.2 m/s撞击B 4C/铝合金轻型复合靶板的试验,对靶板与弹芯的损伤模式与侵彻行为进行多尺度分析,并利用LS-DYNA软件进行相应数值模拟。研究结果表明:6061-T6铝合金背板主要失效形式为花瓣形撕裂穿孔并伴随永久性隆起形变,试验得到的弹芯碎片的平均特征尺寸随着侵彻速度的增大而减小,证明在高速侵彻过程中弹芯损伤更为严重;弹芯头部的应力远大于其他位置的应力,弹体从头至尾部方向峰值逐渐降低;对弹芯造成损伤的主要为陶瓷抗弹面板,主要损伤位置为陶瓷粉碎区;背板在侵彻过程中主要对陶瓷起支撑与缓速作用,对弹体的体积与形变无明显影响;陶瓷/铝合金复合装甲的能量吸收能力随着侵彻速度的增大而提高。

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。

不敏感弹药枪击试验用弹国内外对比分析

针对不敏感弹药枪击试验用弹差异对试验结果的影响问题,采用数值仿真方法得到不同工况下的弹头剩余动能。结果表明:弹头攻角不超过5°时,速度为834 m/s以上且带有转速的国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹侵彻不同厚度45钢靶板后的剩余动能均大于速度为850 m/s且带有转速的美国M2穿甲弹侵彻靶板后的剩余动能。因此,用12.7 mm口径的弹道枪枪口速度为834 m/s以上的国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹代替美国M2穿甲弹进行不敏感弹药枪击试验是可行但有可能是保守的。

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.

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。