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复合材料多功能防弹板防弹性能研究.pdf

上传人:HR专家 文档编号:11316175 上传时间:2020-03-16 格式:PDF 页数:7 大小:1.77MB
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资源描述

1、2013年第1期 玻璃钢复合材料 73复合材料多功能防弹板防弹性能研究李欢秋+,欧阳科峰,张仕(总参工程兵科研三所,河南洛阳471023)摘要:虽然单一的装甲钢或芳纶板具有良好的防高速弹丸贯穿性能,但采用复合结构可以大大提高单一防弹板的防弹效率,减轻防护板面密度。通过弹道实验和数值模拟方法研究了装甲钢复合芳纶泡沫夹层结构抗56式762mm普通钢芯弹贯穿特性;探讨了不同复合形式的装甲钢复合芳纶泡沫夹层结构抵抗弹丸的防护效能和影响防弹板吸收子弹动能的因素;提出了该种装甲钢复合芳纶泡沫夹层结构最佳防弹速度区间的概念和相应的V卯估算公式,由此可以设计出防弹效费比最佳的防弹板。关键词:复合材料;泡沫夹层

2、结构;防弹板;侵彻;弹道实验;数值模拟;最佳防弹速度中图分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:10030999(2013)01007306玻璃纤维是使用最早也是最广的防弹、防破片增强复合材料,随着纤维材料及复合材料技术的发展,目前常采用比强度更高、抗冲击性能更好的芳纶纤维、碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。而在组成防弹板时常用一种或两种以上纤维混杂制作成复合材料层压板2 J。在层压板之间填充低密度芯材,如硬质聚氨脂发泡材料、金属发泡材料和蜂窝材料等,形成复合材料夹层结构。采用复合材料夹层结构作为野战指挥所或机动指挥所的防护结构,不仅可以提高层压板的防爆炸冲击能力”。J,减少梁板的挠度旧J

3、,而且可以起到良好的隔热保温和防震作用。实际上,不论用何种材料作为防弹板,其防护能力均随着厚度的增加而增加,但如果结构厚度太厚、面密度太大和费用过高等都将限制其使用。而防弹板吸收弹丸动能水平除了与弹丸形状、弹丸动能、弹丸强度和弹丸刚度等有关外,与防弹板所用的材料强度、刚度、结构组成方式等有密切关系。不同结构形式的防护板,可以满足不同的防护需求,例如,轻而薄的防护板可用作人体装甲,用来抵抗轻武器的杀伤,稍厚一些中型防护板可用来抵抗近距离轻武器的杀伤和非直接命中炮航弹爆炸载荷及破片的杀伤,而加强型防护板可用于坦克、装甲车等重型军事装备的防护板部分。为提高防弹板的防护性能,特别是抗枪弹的贯穿、炸弹的

4、爆炸及破片杀伤等破坏效应,降低防护板的面密度,提高防护效费比等,选择高强度的纤维增强复合材料夹层结构来制作防护板是一个比较可行、先进的方法归101。因此研究先进的轻质高强防护板,一直是防护界关切的课题。本文通过采用56式762mm弹道贯穿实验方法和数值模拟,对不同厚度装甲钢、芳纶和玻璃钢组成的装甲钢复合芳纶泡沫夹层结构防护板进行了研究,探讨了不同复合形式结构抵抗不同速度的56式762mm普通钢芯弹弹丸的贯穿机理、防护效能和影响防弹板吸收子弹动能的因素;提出了装甲钢复合芳纶泡沫夹层结构最佳防弹速度区间的概念和相应的V估算公式,为设计防弹效费比最佳的防护板提供了一种有益的方法。1 实验概况在研制的

5、装甲钢复合芳纶泡沫夹层结构靶板中,迎弹面为布氏硬度304的装甲钢,其后为芳纶板,背面为密度199cm3的E-玻璃,夹层为密度0259cm3硬质聚氨脂泡沫塑料(RPUF)。实验中玻璃钢和RPUF的厚度保持不变,只改变装甲钢和芳纶的厚度,实验靶板尺寸为长宽=300300ram,靶板结构见图1。芳纶装甲钢 迎弹面,一 一7一ll l I I 1 1 1 1 1 1 1 i l i f l l l l l l l l l ip、“YY、“r“r、,、“T“,、4Tor、1,、卅聚氨酯泡沫塑!塑 登亘收稿日期:2012-03-25作者简介:李欢秋(1961),男,博士,研究员,主要从事防护工程防护结构研

6、究。夹层图1靶板结构剖面图Fig1 Cross-section of the plates霹唾譬匀墨攀r+2擘臻iN每攀万方数据74 复合材料多功能防弹板防弹性能研究发射枪采用弹道枪,射击台与靶板的距离约为10m,子弹为56式普通尖头钢芯弹,弹头直径762mm,弹头重7758059,弹头长266mm,垂直于靶板入射,通过调整子弹装药来调整子弹射击速度,入射速度为300715ms。利用靶板前后两道测时光幕测定子弹在靶板前、后速度,试验系统简图见图2。靶板固定架图2靶击试验系统不意图Fig2 System sketch of the ballistic tests2弹道实验结果分析21 防弹板最佳

7、防弹速度区间探讨。从能量角度来看,子弹侵彻靶板过程实际上是能量转换过程,即子弹以初始速度()打击靶板,靶板通过变形吸收子弹动能,其中有一部分转变成热能。如果不考虑热能影响,则当靶板吸收子弹的动能大于等于子弹动能时,则靶板可以防住子弹贯穿,否则,靶板被击穿,子弹将以剩余速度(啡)穿出靶板,此时靶板吸收子弹动能为:E=(虿1。z一虿1叩2) (3)式中,m。、m,为弹丸穿透靶板前后质量(kg)。对回收弹丸的检测表明,贯穿靶板后的弹头前部变形较大,尾部则基本不变,弹头没有破碎现象,基本完整,但铜皮被剥离。由于铜皮很薄,其质量小于弹头总质量的5,因此也可近似认为m,=m。在大量弹道实验数据基础上,本文

8、选出装甲钢厚度为2mm的1#、2#、3#靶板实验结果进行分析,其芳纶厚度分别为2mm、3mm、5mm,表1给出了3块板实验数据。从表1可见,靶板在速度为450ms以上的钢芯弹打击下l群、3#未贯穿,2#被贯穿。1#、2#靶板芳纶厚度分别为2mm、3mm,夹芯厚度分别为30mm、20mm,玻璃钢厚度均为3mm。1#靶板在4536ms钢芯弹打击下未被贯穿,该靶板吸收钢芯弹动能至少为8158J,2#靶板在4437ms钢芯弹打击下未被贯穿,但在4537ms钢芯弹打击下却被贯穿,通过速度平均可以估算2#靶板V;。值约为4487ms,该靶板吸收钢芯弹动能最大为798J。1#、2#靶板两者防弹性能相差很小,

9、说明在该种结构的靶板中,在450ms速度子弹打击下,10mm厚的ran,cM 2013No1泡沫聚氨脂夹芯所起的防弹作用与1mm厚的芳纶所起的防弹作用相接近。将表1中数据绘于图3中,得到装甲钢为2mm厚时,不同芳纶厚度靶板吸收钢芯弹动能比较图,图中圆点和方点分别为550ms和450ms级子弹打击下靶板吸收动能图。图3形象地反映了同样靶板吸收550ms级速度的子弹动能小于吸收450ms级速度的子弹动能,而在此速度下1#、2#靶板吸收子弹动能分别为5866J、6903J,后者比前者高1037J,因此在这种速度下夹芯所起的防弹作用很小,靶板吸收子弹动能的提高主要是增加了1mm厚的芳纶。表1 装甲钢复

10、合芳纶夹层板抗弹实验结果表Table 1 The test results of the armor steelaramid fiber plates注:表中靶板材料栏字母s、K、G、P分别代表装甲钢、芳纶板、玻璃钢板和RPUF,字母前数字代表厚度,单位mm。850800750篁整700蟮馨65060055020 25 30 35 40 45 50芳纶厚度mm图3装甲钢2mm厚时不同芳纶厚度靶板吸收动能Fig3 The kinetic energy absorbed by the plateswith 2mm thick armor将芳纶厚度分别为2mm、3mm、5mm实验数据进行拟合,可得到

11、背面板为玻璃钢、夹层为硬质泡沫聚氨脂时,靶板抗56式762mm钢芯尖头弹V,。与芳纶厚度的近似关系如(2)式:V50=1527(t+61)0 5(ms) (2)万方数据2013年第1期 玻璃钢复合材料 75从图3中可见,该结构靶板在同样芳纶厚度下吸收450ms级子弹的动能高于550ms级子弹的动能。因此,防护板防弹性能除了与防护材料厚度有关外,与靶板的结构也有很大关系。针对防弹速度区间,合理地确定靶板结构可以大大提高防护板的防弹效率。22 防弹板最佳防弹速度区间探讨装甲钢2mm厚时不同芳纶厚度靶板在速度为550ms级的钢芯弹打击下,随着芳纶厚度的增加靶板吸收子弹动能明显增加,例如,1#、2#、

12、3#靶板吸收动能分别为5866J、6903J和8095J,靶板吸收子弹动能随芳纶厚度的变化规律可以用下面的拟合公式(4)、(5)进行估算。值得注意的是,在速度为550ms级的钢芯弹打击下靶板吸收的钢芯弹动能却没有450ms级的低速下的多,即靶板吸收钢芯弹动能随着速度的增加先递增后下降,其变化规律如图4所示。这说明同样的靶板在不同动能子弹打击下,其吸收子弹的动能是不同的。文献11研究表明,准静态侵彻破坏的主要吸能模式为弯曲变形,而冲击速度增加将使破坏模式多样化。当着速为450ms级子弹打击靶板,子弹冲击动能与靶板吸收动能的水平比较接近,那么防弹材料不仅提供了抗子弹的冲剪力作用,而且由于材料有更多

13、的时间来传播应力,受到冲击区域的防弹板因为弯曲变形而使材料抗拉能力得到发挥,但当速度为550ms级子弹打击靶板时,子弹冲击动能远大于靶板吸收动能的水平,防弹材料仅提供抗子弹的冲剪力作用,冲击应力来不及扩散,防弹板难以产生弯曲变形,从而使纤维材料抗拉能力得不到有效发挥。如果说层压板为刚性防弹板,而复合材料泡沫夹层板为柔性防弹板,那么,对于某种柔性防弹板,存在着一个最佳的防弹速度区间,在这个区间内,靶板对一定入射速度的子弹吸收子弹的动能随着弹速增加而增加。合理确定这个速度区间进而确定靶板结构可以充分发挥防弹材料高抗拉性能,达到效费比最佳的防弹效果。这也说明了靶板吸收弹丸动能与靶板材料、结构和弹丸形

14、状、弹丸动能、弹丸强度等有关。从图4可见,对于2mm厚装甲钢复合芳纶夹层板,最优防弹速度区间为350480ms。E=722木t+4540(J)Vo480ms (4)E=925,I:t+5675(J)Vo。辎群装甲钢厚度mm(a)Uo o5 1U 15 2U 25 30装甲钢厚度mm(b)图5芳纶厚度2mm时靶板吸收动能和V,。值与装甲钢厚度的关系Fig5 The relations between the V50 value and kinetic energyabsorbed by the plates with with 2mm thick aramid网剃秘酶躅哟瀚。湖瑚鲫湖栅姗枷啪。万

15、方数据76 复合材料多功能防弹板防弹性能研究 2013年1月图5为芳纶厚度为2mm条件下,装甲钢厚度分别为15mm、2mm、25mm的靶板吸收钢芯弹动能曲线。从图中可见,随着装甲钢厚度的增加,靶板吸收子弹动能均明显增大,这说明经过复合芳纶的装甲钢夹层板,防弹性能比单一的装甲钢有了很大的提高。由此可以拟合出芳纶厚度2mm时装甲钢复合芳纶泡沫夹层防弹板抗56式762mm钢芯尖头弹V如与装甲钢厚度的近似关系如式(6)。V50=2990木(exp(t154)135)“(ms) (6)3数值模拟结果分析31计算模型简介计算中几何模型采用与实验相同的靶板和子弹。靶板各层材料计算模型分别选取为:装甲钢和纤维

16、板均采用具有弯曲能力和膜能力的三维板壳单元(SHELL63),泡沫夹层和弹丸采用三维实体单元,各层材料之间采用黏结。靶板四周进行位移约束,对子弹施以速度载荷。由于对称性,子弹、靶板有限元分析模型取14。为了提高计算精度,网格划分时,将子弹网格及靶板中心部分网格尺寸尽量协调,共划分102851个单元,节点总数为163983,计算时间设置为200350txs,时间步长由最大单元边长确定。DYNA3D中PLASTICKINEMATIC模型引适用于复合材料、金属材料、塑料等多种材料,并可以考虑应变率效应和失效模式,其需要的参数少,计算效率高,因此计算中弹丸、复合材料均采用双线性弹塑性随动强化材料模型描

17、述其动态塑性特性,装甲钢则采用JOHNSONCOOK模型,硬质聚氨脂泡沫塑料采用泡沫类材料模型CRUSHABLEFOAM模型。32计算结果与实验结果比较表2给出了采用上述计算模型对3块不同材料结构的防弹板进行数值模拟结果与弹道实验结果的对比,从表中可见,计算结果与实验值符合较好。计算中发现,在尖头钢芯子弹打击下,靶板有时会有碎片产生,飞出的碎片速度大于飞出的弹丸速度,这个速度与试验测到的速度相近,如1#、2#靶板实验结果。4#靶板装甲钢厚度为25mm,其它材料与1#靶板相同,在速度为5752ms弹丸打击下,未贯穿,而l#靶板却贯穿,其计算结果与实验结果比较一致。1样靶板计算结果表明,不仅子弹贯

18、穿而且有靶板碎片飞出。因此,试验测到的靶后速度有的可能不是贯穿的子弹速度而是靶板碎片速度。图6和图7为1群嗣RCM 2013No1靶板在5732ms打击下,靶板碎片飞出的计算结果。表2子弹速度计算与实验对比表Table 2 The comparison of bullet velocity withcomputing and tests图6子弹穿透1#靶板后弹丸和碎片飞出情况Fig6 Moving situation of the bullet and fragment from 1#plate000 n05 010 015 02011In妇1s图7子弹和1#靶板碎片速度曲线Fig7 Velo

19、city curve of the bullet and fragment from 1#plate33 弹丸对靶板侵彻过程分析同样的弹丸和靶板,当打击靶板的速度不相同时,弹丸和靶板变形将发生不同的变化,图8给出了4#靶板在不同速度子弹打击下子弹速度和动能随时间的变化曲线,从图中可见,当子弹速度为500ms时,子弹被靶板迎弹面防弹板给防住,子弹能量在01ms内由最大逐渐降至0。当子弹速度为715ms万方数据2013年第1期 玻璃钢复合材料 77时,子弹穿透靶板,子弹穿过装甲钢复合芳纶板能量由1964J降至692J,靶板吸收子弹能量为1964692=1272J;而当子弹速度为575ms时,子弹未

20、穿透靶板,嵌在背面板处,子弹穿过装甲钢复合芳纶板能量由1280J降至76J,吸收子弹能量为128076=1204J,就靶板正面板吸收能量值来说,前者比后者多68J。靶板正面板吸收能量增加,也就是整个靶板防弹能力的提高,说明在子弹侵彻速度增加的情况下,夹层结构可以提高靶板的防弹能力。另外,4#靶板装甲钢厚度只有25mm,芳纶只有2ram,但在速度为715ms子弹侵彻下,装甲钢复合芳纶板吸收的能量高达1272J,这比3mm厚单一装甲钢在入射速度500ms弹头质量为569圆头钢芯弹打击下(未穿透,背面鼓包81mm)吸收动能(7000J)3141大得多,而单纯芳纶板单位面密度耗能一般为2935Jm2k

21、g5|,2mm厚的芳纶板耗能也只有100J左右。由此可见,本文设计的装甲钢复合芳纶夹层防弹板的防弹效率是比较高的。(b)图8不同速度子弹打击下子弹速度和动能随时间的变化曲线n昏8 The veloeit),and kjnetic energy VS time calve of the build在4#靶板基础上,将芳纶厚度由2mm增加到3ram厚,其它不变,形成4B#靶板结构(25S3KPG)。当子弹速度为650ms时,计算表明,弹丸未能穿透靶板,见图9、图10。从弹丸速度时程曲线可见,弹丸穿过正面板后,弹丸速度已降低到300ms,此时,装甲钢复合芳纶板能量耗能为1318J。从图lO可见,弹丸

22、在侵彻正面板过程中,弹丸形状已改变,其剩余的能量不足以使弹丸穿透背板而被嵌在背板中。图9弹丸速度时程曲线Fi李永池;余育苗 三向Kevlar编织纤维材料抗弹性能实验研究期刊论文-实验力学 2008(04)3.冯仁杰;于九明 蜂窝夹芯复合板及其在汽车工业中的应用期刊论文-汽车工艺与材料 2003(08)4.毛春升;钟绍华 泡沫铝技术及其在车辆中的应用期刊论文-汽车工艺与材料 2006(5)5.杨大峰;刘国权 硬质聚氨酯泡沫塑料在野战移动工事中应用期刊论文-化学推进剂与高分子材料 2003(03)6.陈网桦;刘建飞;彭金华 硬质聚氨酯泡沫塑料的SHPB实验研究 1997(02)7.刘红影;刘德勤

23、温度对芳纶/玻璃纤维复合材料层压板冲击性能的影响期刊论文-玻璃钢/复合材料 2009(06)8.李真;周仕刚;薛元德 剪切对泡沫夹层结构梁弯曲性能的影响期刊论文-玻璃钢/复合材料 2011(02)9.于占果;李敏堂;邢伟 国外军用厢式车的技术现状与发展趋势研究期刊论文-专用汽车 2003(02)10.陈健;胡时胜 空中爆炸引起的次生冲击坡超压研究期刊论文-防护工程 2009(01)11.张颖军;梅志远;朱锡 FRP层合板低速冲击损伤特性研究现状与展望 2011(01)12.LS-DYNA KEYWORD USERS MANUAL,Version 970,Copyright 1992-2003

24、200313.常敬臻;刘占芳;李建鹏 B900FD-1型防弹钢板抗侵彻能力数值模拟期刊论文-重庆大学学报(自然科学版) 2006(10)14.李欢秋;陈德兴;王洪泳 装甲钢复合芳纶泡沫夹层结构防弹性能研究期刊论文-防护工程 201015.王天运;刘水江;李爽 陶瓷/纤维/铝复合防护板动静态侵彻贯穿特性的实验研究期刊论文-防护工程 2009(06)引证文献(1条)1.周成飞 纤维-聚合物复合防弹材料的能量耗散机制及其调控技术研究进展期刊论文-上海塑料 2013(3)引用本文格式:李欢秋.欧阳科峰.张仕.LI Huan-qiu.OUYANG Ke-feng.ZHANG Shi 复合材料多功能防弹板防弹性能研究期刊论文-玻璃钢/复合材料 2013(1)

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