陶瓷/芳纶纤维复合靶板防弹性能研究及结构改进

发布时间：2021-08-09 04:46

　　为了提高靶板防弹性能,提出一种由陶瓷和芳纶纤维复合材料构成的防弹结构。对陶瓷及芳纶纤维防弹性能有限元仿真分析的结果表明:陶瓷的弹孔面积大于纤维,陶瓷内部的形状比较粗糙而纤维则比较平滑,陶瓷吸能主要是通过自身的破碎和断裂及应力波的传递实现的,而纤维吸能则主要是通过自身的拉伸和延展将弹丸的动能转换为自身的弹性势能和断裂能。此外,基于陶瓷和芳纶纤维的抗侵彻原理,进行了复合靶板的结构设计,并利用NSGA-II算法对层间材料的厚度进行了优化,优化后复合靶板子弹的剩余速度降低了185 m/s,靶板的面密度降低了5.4 kg/m²,综合防弹性能得到了明显提高,为后续进行新型轻质防弹复合装甲的结构设计提供指导思路。 

【文章来源】：北京化工大学学报(自然科学版). 2020,47(02)北大核心CSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

子弹侵彻靶板模型

SiC陶瓷和芳纶纤维受到子弹冲击后的破碎形态如图2所示,可以看到,在子弹的冲击作用下陶瓷产生的碎块比纤维的大很多,在子弹侵彻过后,陶瓷靶板上形成的弹孔形状较大,弹孔内部的形状比较粗糙,在靶板的表面处尤其是背面又因冲击产生了特别明显的陶瓷锥飞溅。而纤维主要发生的是剪切破坏,整体的变形较小,内部的形状比较平滑,子弹穿透纤维板材后,没有明显的分层和脱层现象,整个靶板仍然是一个整体。2.2 陶瓷抗侵彻性能分析

从图3(a)中可以看到,在侵彻陶瓷靶板时子弹的速度衰减过程非常明显,尤其是B至C段,该阶段对应着子弹与陶瓷靶板接触的25 μs,子弹的速度从700 m/s降至92 m/s,说明陶瓷靶板会极大地影响子弹对靶板的冲击作用,从而降低子弹的速度。从陶瓷的破碎形式(图2(a))可以看出,陶瓷吸收能量以粉碎和断裂为主,子弹在侵彻的过程中将动能转化为陶瓷的粉碎能。结合陶瓷材料的动态力学性能,根据陶瓷面板的破损情况,将陶瓷的吸能机制分为粉碎吸能和应力波吸能。由于陶瓷本身的硬度和抗压强度都高于子弹材料的属性,因此在侵彻过程中陶瓷可以通过侵彻、钝化、破碎弹体的材料以及自身的破碎等方式来吸收弹体的动能,这个过程中弹体和陶瓷破碎所消耗的弹体动能称为冲击粉碎能。弹体和靶板的粉碎耗能除了包含冲击粉碎能还有摩擦粉碎能。当弹体与靶板接触形成粉碎区域后,接触区的陶瓷由于受到周围陶瓷的挤压及束缚作用,导致弹体和陶瓷之间存在巨大的摩擦力,致使陶瓷在接下来的侵彻过程中继续破碎,产生摩擦粉碎能,造成粉碎断裂耗能、摩擦热耗能、体积膨胀耗能等多种形式的混合耗能机制,即为摩擦粉碎能。

【参考文献】：
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本文编号：3331395