摘 要

最近轮式车辆装甲的发展趋势使得装甲的防护能力与重量再次陷入了尖锐对立之中，如何在日益增长的防护需求与重量限制中达成平衡成了困扰轮式车辆发展的问题。自装甲发明以来，代替了了冷兵器时代的矛与盾的弹药与装甲不断的在战争中获得发展，材料从最简单的均质金属装甲发展到采用表面渗碳装甲再发展到如今的采用陶瓷等材料复合装甲，战舰装甲布置形式从全面防御到重点防御。装甲一直在重量与防护能力中寻找平衡点。随着新兴的材料的开发与装甲结构的优化，复合装甲成为了新型装甲的研究方向，代表着未来装甲的发展方向，可以进一步在不增大装甲质量的情况下提高装甲的防护能力。

本文从实际的研究，通过查阅大量的国内外有关于装甲防护研究的文献资料，通过披露的国外装甲的图片和搜集到国内外资料总结了装甲的构型方式。总结了金属装甲，陶瓷装甲在应对侵彻时的破坏形式与金属材料的变化对于破坏形式所造成的影响，分析了单一钢装甲和单一陶瓷装甲未来的主要发展方向。总结了部分装甲的优点和缺点对于装甲的优化总结了一些优点，通过综合考虑比较材料的重量、价格与防护水平后确定了主要采用的材料。并参考多种材料组合的复合装甲常用的构型方式，并对各种构型的防护能力进行比较后确定了设计的装甲采用的构型方式。根据课题要求对新的构型采用了ANSYS-LSDANY进行显示动力仿真，对子弹和钢板陶瓷采用有限元实体建模，综合比较了在同等速度同等材料的子弹侵彻下，只采用单一装甲钢材料的防护性与采用复合装甲构型的复合材料的防护性进行比较。研究发现在相同的厚度下复合材料的防护性更好质量更轻，从而实现了防护性能的优化。

本文研究基于ANSYS-LSDANY进行显示动力分析的方法可为寻找装甲重量和防护能力的平衡点做出指导，可以作为研究如何在不增加装甲质量的情况下提高防护性能的方法。实现军用轮式车辆装甲防护水平的提升。并对研究更轻更具有防护能力的装甲提供参考

关键词：装甲；金属；陶瓷；子弹

Abstract

Recent developments in the armoring of military wheeled vehicles have caused the armor protection capability and weight to fall into sharp opposition again. How to balance the increasing protection requirements and weight limits has become a problem that has plagued the development of military wheeled vehicles. Since the invention of the armored invention, the ammunition and armor that replaced the spear and shield of the Cold Weapons era have continued to develop in the war. The material has evolved from the simplest homogeneous metal armor to the use of surface carburized armor to the current use of ceramics. Materials such as composite armor, battleship armor layout form from full defense to key defenses. Armor has always found a balance between weight and protection. With the development of emerging materials and the optimization of armored structures, composite armor has become the research direction for new armor, represents the direction of future armor development, and can further improve armor protection without increasing the quality of armor.

this article reviews a large number of domestic and foreign literature on armor protection research, and summarizes the armor configuration through the disclosure of foreign armored images and the collection of domestic and foreign data. This paper summarizes the impact of the destruction of metal armor, ceramic armor when dealing with penetrating and the change of metal material on the damage form, and analyzes the main development direction of the future of single steel armor and single ceramic armor. The advantages and disadvantages of the partial armor were summarized to summarize the advantages of armor optimization. After comprehensive consideration of the weight, price and protection level of the comparison materials, the main materials adopted were determined. With reference to the common configuration of multiple armored composite armor and the comparison of the protective capabilities of various configurations, the design of the armor used in the design was determined. According to the requirements of the project, the new configuration adopts ANSYS-LSDANY for display power simulation, and the bullet and plate ceramics are modeled using finite element solids. A comprehensive comparison is made between the bullets of the same material at the same speed and only a single armored steel material is used. The protective properties are compared with those of composites using a composite armor configuration. The optimization of the protection performance is achieved.

In this paper, the method of dynamic analysis based on ANSYS-LSDANY can provide guidance for finding the balance point between armor weight and protection ability. It can be used as a method to study how to improve the protection performance without increasing the armor quality. To enhance the level of armor protection for military wheeled vehicles. And provide reference for research on lighter and more protective armor

Key words: Armor; Metal; Ceramics; Bullet

目录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 不同装甲的性能特点以及应用情况 2

1.2.1 金属装甲 2

1.2.2 陶瓷装甲 4

1.2.3 防弹纤维复合材料装甲 5

1.3 存在的问题 5

1.4 研究意义 5

1.5 研究内容 6

1.6 本章小结 6

第2章 高强钢装甲防弹性能有限元模拟 7

2.1 有限元分析 7

2.2 有限元建模软件LS-DANY发展历程 7

2.3 有限元分析软件分析流程 7

2.4 材料模型 8

2.4.1 Johnson-Cook 模型。 9

2.5 前处理 9

2.5.1 自封闭单位制 9

2.5.2 有限元模型 9

2.5.3 装甲钢的有限元模型 10

2.6 高强钢装甲防弹有限元建模过程 10

2.7 结果 17

2.7.1 弹体侵彻过程 17

2.7.2 装甲钢防弹性能分析 17

2.8 本章小结 20

第3章 复合装甲防弹性能有限元模拟 21

3.1 材料选择 21

3.2 Johnson-Holmquist-Ceramics 模型 21

3.3 复合装甲防弹有限元模型的构建 21

3.4 复合装甲防弹结果分析 24

3.5 本章小结 26

第4章 总结与展望 27

参考文献 29

致谢 31

绪论

选题背景

自第一辆汽车被发明以来，随着汽车工业的不断的发展和革新，使得轮式车辆在可靠性与通过性得到了极大的提高，通过不断的改进技术如今的汽车工业已经形成了较为成熟的轮式车辆技术。

第二次世界大战后高速公路网在全球的普及。使得军用轮式车辆具备了在特定作战区域进行快速穿插的能力。同时由于轮式军用车辆具有较小的体积与重量使得美国首先将轮式军用车辆用作快速反应部队，这种快速翻译部队能通过大型运输机在全球进行快速部署以应对突发事件。美国的斯特赖克旅^[1]就是在这一时期指导思想下的产物，在美军运输机的保障下其能成建制的在96小时内部署至全球各地并能独立完成一定作战任务，大大提高了美军全球干预能力，但经过数次局部化战争特别在伊拉克战争后，军用轮式车辆在城市战中暴露了其防护不足的问题，而轮式车辆面临的威胁在未来还将进一步提升，所以美国在立足于现有军用轮式车辆技术与战术特点的同时，要求新军用轮式车辆加强装甲防护，在这一指导思想下世界新型军用轮式车辆的发展潮流从高机动转向高防护性。最近的叙利亚战争表明反坦克武器将进一步扩散和过剩，叙利亚战场上的坦克与车辆都尽可能的增加装甲而牺牲车辆的机动性从侧面印证了美军的规划的前瞻性，而美军在这一指导思想下的产物为轻型战术车辆J-LVT，其在设计时考虑不同的防护需要针对不同的威胁等级搭配的不同级别的防护标准，其基本型A型壳体化铝装甲用于车体防御在保证了防御的同时降低了车辆自身重量，并要求能抵御30米内7.62mm弹药的全向射击以及100m处155mm高爆榴弹爆炸后的冲击波与碎片即北约STANAG 4569标准的1级防护水平，B型要求抵御7.62mm与14.5mm弹药的全向射击和60米处155mm高爆榴弹爆炸后冲击波与碎片及STANAG 4569标准的3级水平^[2-3]。军用轮式车辆先天具有相对于其他重型更高的机动性能，同时由于其较轻的重量与较小的体积使得其能快速的运用一般组件通过航线、水路、公路进行快速部署。但新的发展形式与军用轮式车辆面临战场威胁的增加，使得装甲车辆的重量在近十几年内增加了15％至20％并还在不断上升^[4]，重量的增长使得如何通过轻量化防护设计降低军用轮式车辆的整车整备质量成了我们必须面对的问题。

考虑到如今实用化装甲分为以下三大类，金属装甲陶瓷装甲、防弹纤维复合材料。其通过这三种不同装甲的搭配组合与构型以期达到最大的防护性能的同时减轻防护重量。其中金属装甲一般作为车体防护^[5]并在车内部采用防弹纤维复合材料防止金属装甲在碎甲弹的层裂效应^[6]下对车内人员的杀伤并减轻弹片进入车内对人员的杀伤。而外挂装甲选用陶瓷装甲与防弹纤维复合材料的复合装甲在减轻重量的同时确保防弹性能，在RPG高危区可能会加上反应装甲和栅栏装甲分别通过对射流进行周期性切割和破坏引信以应对破甲弹的攻击。对装甲采用倾斜布置能加大直线法线角造成跳弹同时造成倾角效应增加防弹厚度^[7]。如今的复合装甲结构采用夹心结构选用价格便宜工艺简单的AL₂O₃陶瓷^[8]作为面板，填充物采用高模量碳纤维和芳纶进行混杂提高背板刚度同时不增加背板重量，同时复合装甲一般采用硬化处理过表面的薄铝板对内部陶瓷与背板进行约束。

不同装甲的性能特点以及应用情况

金属装甲

金属装甲是由金属构成的装甲分为以下几类钢装甲，铝装甲，钛装甲。

装甲钢是历史最悠久的一种装甲，世界上第一辆实用的坦克就用的是6毫米的均质钢板以防御普通的子弹。现代的钢装甲是通过轧制或铸造制造的装甲钢，并能通过搭配不同的合金比例以满足某些特殊的技术要求。一般常用的装甲钢为均制装甲钢，其化学组成，金相结构和力学性能在同一方向基本一致。同时按照厚度分为厚装甲钢与薄装甲钢，抗枪弹用的薄板装甲钢，一般为5mm到20mm。以满足重量的限制。同时为了提供更高的防枪弹性能薄板装甲钢为高强度钢，同时为了使得钢板有更好的防弹效果一般通过表面淬火以使得一片钢板具有不同的性能表面高硬度会使弹丸在撞击到较硬表面时弹头破碎分解，同时由于后部未淬火保留了较高的韧性使得钢裂纹不会扩散至内部。近年来出现了多孔装甲通过在装甲上钻孔使得在少量提高装甲重量的情况下增加部分装甲防护能力，子弹撞击在多孔装甲上通过对孔大小的合理设计使得子弹受到不平衡载荷致使子弹弯曲或失稳降低子弹的侵彻能力。

作为历史 最为悠久的装甲国内外对装甲钢在抵御子弹侵彻时产生的破坏形式进行了深入的研究。一般子弹对装甲钢的破坏形式分为以下几种塑性扩孔、冲塞，背板崩落和脆性破坏、花瓣卷边破坏^【9】。中低硬度钢的最主要破坏形式是塑性扩孔，高硬度钢最主要的破坏形式是冲塞和层裂。从中看出钢材的硬度变化导致了其破坏形式的变化，但是装甲钢的硬度与抗弹性能并不表现为单调线性变化，试验表明低硬度钢的破坏形式表现为塑性扩孔，随着钢材硬度的上升，子弹塑性扩孔消耗的功增大，钢的抗弹能力上升，硬度上升的同时绝热剪切临界失稳应变逐渐降低，导致冲塞破坏，由于高硬度带来塑性与韧性的降低会使得钢板更容易发生背部崩落。导致在部分阶段装甲抗弹能力随硬度的升高降低。同时随着硬度的上升装甲既受到由绝热剪切诱发的冲塞破坏又受到应力波造成的崩裂还由于弹头在撞击高硬度钢板时产生弹头变形和破碎，使得其穿甲机理变得复杂。

塑性扩孔，当子弹与装甲发生撞击时，弹头与钢材之间的压力远远大于钢的极限屈服应力，在高压力下弹与靶之间的界面出现靶板材料与子弹材料的塑性流动，随着子弹进一步的侵彻靶板，靶板材料向着受到最小抵抗力方向流动，靶板表面产生金属堆积并向外翻起形成唇边，同时靶板中部材料被金属子弹挤压产生位移。由于子弹的入侵靶板背部产生凸起并产生裂纹，弹头穿透靶板从凸起处露出，材料在靶板背部堆积形成背部的唇边。靶板与子弹的相互作用是高应变的变形和破坏过程，其中不但有应变硬化还有绝热升温造成的软化。

绝热剪切，靶板在被侵彻过程中形成绝热剪切才会导致靶板以冲塞形式被破坏。了解绝热剪切对理解超高强度钢的抗弹性能和防弹机理有着巨大的帮助。在1878年Henri Tresc首次开始对解热剪切变形局部化进行了研究，而在1944年，Zener和Hollomon才首次将绝热剪切变形局部化解释为材料的塑性失稳^【10】，就是材料在绝热升温的软化超过了塑性应变的硬化时材料就进入了非稳定性塑性变形阶段，绝热是由于材料在变形的时间十分短仅有少量的热量能被传导至环境中。由于在变形时材料塑性变形的能量无法传递出去，导致材料的局部温度升高。而材料的局部应变导致的硬化无法平衡局部温度升高造成的软化的时候，材料局部将发生绝热剪切，致使材料造成失稳。

冲塞破坏：随着靶板材料硬度的上升，金属向靶板前部与后部以及横向的流动变得困难。使得子弹发生冲塞穿甲，其过程为子弹对装甲产生巨大的冲击，使得受到冲击部分的金属相对于周边并未受到冲击的金属运动，对边界面上金属造成一个强烈的剪切变形，在边界上形成一圈剪切带，由于作用时间较短剪切变形所造成的热不能传导出去，这圈剪切带上的材料强度下降造成失稳。使得剪切带为剪切破坏，当冲塞破坏发生时，靶板对子弹能量的消耗远远小于塑性穿孔所消耗的能量。

背板崩落：子弹对靶板进行侵彻时，虽然子弹未能穿透靶板，靶板背面有时会掉落破片，其被称之为崩落，子弹撞击到靶板时对靶板内部产生一个压缩作用，造成一个压缩波，压缩波在抵达靶板背面时产生一个反射波，形成一个拉伸波。拉伸波与后续的压缩波产生一个叠加作用，使得叠加的应力大于靶板材料的抗拉强度，材料沿着入侵方向形成破片，崩落就产生了。

从上面子弹对钢的侵彻机理我们可以归纳出，对装甲钢的要求，首先其具有抗侵彻能力，抗侵彻能力是装甲钢抵御子弹穿透或完全贯穿的能力，一般随硬度和弹性模量的增大而增加，抗冲击能力，是指装甲钢在内部无裂缝的情况下吸收子弹能量的能力，其吸收能力越高子弹越难贯穿靶板主要与韧性相关。抗崩裂能力其与钢材的抗压能力与抗拉能力有关。同时由于装甲一般采用焊接技术要求装甲钢具有良好的可焊性。

随着加工技术的进步与战术需求的推动，钢材的发展开始向超高强度钢发展，其导致了国内外对装甲钢的研究开始向以下三方面集中，一、开发新的超高强度装甲钢。二、超高强度装甲钢的抗弹原理研究。三、超高强度钢的焊接技术。

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