一种抗30mm脱壳的装甲结构单元

1.本发明属于装甲防护领域，具体涉及一种抗30mm脱壳的装甲结构单元。

背景技术：

2.装甲防护设计是提升武器装备战场生存力的重要手段，针对弹攻击的防护是其中一种重要的防护需求。然而，装甲防护设计中存在着防护力和轻量化的矛盾，一方面，弹毁伤能力的提升对装甲的防护力提出了更高的要求，另一方面，武器装备的高机动性需求则对装甲的轻量化提出了更高的要求。因此随着战场环境对武器装备机动性的要求越来越高，装甲防护设计应该在保证防护能力的前提下尽可能的提高结构轻量化水平。为了兼顾防护力和轻量化，装甲结构单元逐渐从传统的均质金属结构发展为金属材料和非金属材料并用的复合结构。
3.本发明所涉及的装甲防护单元以30mm脱壳为防护对象，这种的弹芯材质为高密度的钨合金，射击初速度在1000m/s以上，因此其初始动能高，侵彻能力强。由此可见，30mm脱壳的侵彻能力主要基于其非常高的初始动能，其侵彻机制有别于7.62mm和12.7mm穿燃弹等使用硬质合金弹芯的，因此在装甲结构设计中针对这两种不同类型的需要采用不同的设计思路。
4.对于30mm脱壳，消耗其初始动能是实现防御的关键，传统金属装甲主要通过局部塑性变形消耗的动能，耗能效率低，因此对30mm脱壳的防护效率低。针对30mm脱壳，当前通常采用陶瓷面板/金属背板的复合装甲结构，陶瓷面板厚度一般在40mm以上。陶瓷/金属复合装甲的典型抗弹机理为：陶瓷面板直接承受子弹的撞击，由于陶瓷硬度较高，可以使弹头产生严重变形从而降低侵彻能力，而陶瓷面板在子弹侵彻过程中发生破碎，消耗大量子弹初始动能，且陶瓷碎片通过对的磨蚀作用使子弹进一步减速；金属背板的主要作用是为陶瓷面板提供支撑，避免面板在子弹撞击下发生弯曲破坏，从而充分发挥陶瓷面板的抗弹能力，金属背板在子弹侵彻过程中主要发生弯曲变形。
5.陶瓷/金属复合装甲的上述抗弹机理已经在文献中得到较为详细的论证。例如，张晓晴等(张晓晴,杨桂通,黄小清.弹体侵彻陶瓷/金属复合靶板问题的研究[j].工程力学,2006(04):155-159.)针对弹体侵彻陶瓷/金属复合靶板的问题，通过理论模型分析靶板结构的弹击响应，指出在子弹未贯穿陶瓷面板的情况下金属背板表现为明显的弯曲变形。lee等(lee m,yoo y h.analysis ofceramic/metal armour systems[j].international journal of impact engineering,2001,25(9):819-829.)指出金属背板延缓了陶瓷板背部的准静态裂纹扩展，延迟了陶瓷面板的破碎失效，有利于陶瓷充分发挥抗弹能力，从而提高了装甲系统的抗侵彻弹道性能等等。由于30mm脱壳具有质量大(采用钨合金弹芯)、初速度高(1000m/s以上)的特点，当前针对该防护的陶瓷/金属复合装甲中通常采用较厚的均质金属作为背板，以提供足够的结构支撑，由此导致装甲结构的质量较大，难以满足日益提高的轻量化设计需求。总的来说，金属背板在抗弹过程中主要起到支撑陶瓷
面板的作用，其自身则发生弯曲变形，目前抗脱壳复合装甲中的金属背板质量较大。

技术实现要素：

[0006]
为解决上述技术问题，考虑到陶瓷/金属复合装甲中金属背板重量大的特点以及陶瓷/金属复合装甲在防弹时金属背板主要承受弯曲载荷的抗弹机理，本发明提出抗30mm脱壳的装甲结构单元，其为一种新型陶瓷/金属复合装甲结构单元设计，通过采用新型结构的金属背板，在不降低陶瓷/金属复合装甲防护能力的条件下实现整体装甲结构的减重，满足兼顾防护力和轻量化的设计需求。
[0007]
一种抗30mm脱壳的装甲结构单元的具体设计为：采用陶瓷面板/金属夹芯背板的复合结构形式，沿着入射方向依次设置陶瓷面板和金属夹芯背板；所述陶瓷面板使用抗弹陶瓷材料，在抗侵彻过程中的主要作用是自身破碎吸能并磨蚀子弹；所述金属夹芯背板使用抗弹金属材料，采用栅格夹芯结构，沿着入射方向依次设置厚均质金属板、栅格结构芯层和薄均质金属板，其主要作用是为陶瓷面板提供结构支撑；所述栅格结构的单元尺寸略小于，以避免栅格结构的中心成为防护薄弱区域。
[0008]
进一步地，所述抗弹陶瓷材料为碳化硼、碳化硅或氧化铝。
[0009]
进一步地，所述陶瓷面板为多种陶瓷材料、多块抗弹陶瓷板的层合结构，或单一陶瓷材料、多块抗弹陶瓷板的层合结构，或单一陶瓷材料的整块抗弹陶瓷板。
[0010]
进一步地，所述抗弹金属材料为装甲钢、铝合金或钛合金。
[0011]
进一步地，所述金属夹芯背板为单一金属材料的整块金属板，或多种金属材料的多块金属板的层合结构。
[0012]
进一步地，所述金属夹芯背板中的阵列格栅在厚度方向的位置位于所述金属夹芯背板的靠后方。
[0013]
进一步地，所述陶瓷面板与所述金属夹芯背板通过粘接或者螺栓连接的方式固定在一起。
[0014]
本发明从陶瓷/金属复合装甲的抗弹机理出发，提出了一种陶瓷/金属复合装甲的新型金属背板结构形式。金属背板的主要作用是提供结构支撑，在抗弹过程中主要承受弯曲载荷，因此将均质金属背板设计为具有同等抗弯刚度的轻量化结构不会降低背板的抗弯承载能力，因此也不会影响复合装甲的整体防护能力。基于这个思想，本发明提出了一种含栅格结构的金属夹芯背板单元结构，芯层为金属格栅结构。相比于均质金属背板，含栅格结构的金属夹芯背板在同等重量下可以明显增大结构的抗弯刚度，因此具备提高陶瓷/金属复合装甲整体抗弹防护性能的潜力。而当含栅格结构金属夹芯背板与均质金属背板具有同等抗弯刚度时，其重量显著低于均质金属背板，因此本发明可以在保持结构防护性能的前提下实现金属背板的减重，有利于整体装甲结构的轻量化。
[0015]
有益效果：
[0016]
本发明与现有陶瓷/金属复合装甲结构相比，在抗30mm脱壳方面具有同等防护能力，但整体结构的质量显著降低，满足装甲结构高防护轻量化的发展需求。在陶瓷/金属背板复合装甲的抗弹机理中陶瓷面板利用其高硬度高强度的特点破坏子弹，且陶瓷破碎过程中能消耗大量子弹初始动能；背板则主要起到为陶瓷面板提供结构支撑的作用，背板提供的结构支撑越强则越有利于充分发挥陶瓷面板的防护能力。由于抗弹陶瓷存在尺寸
效应，采用大尺寸的均质陶瓷面板使陶瓷复合装甲针对单发弹的防护能力最强，因此本设计采用均质大尺寸陶瓷面板。夹芯结构形式的金属背板在减重的同时提高了背板的抗弯曲刚度，因此即能保证整体装甲结构的防护能力又有利于实现轻量化。
[0017]
本发明从陶瓷/金属复合装甲的抗弹机制出发，提出了一种高比刚度的金属夹芯背板。与均质金属背板结构相比，栅格夹芯背板结构在同等抗弯刚度下具有更轻的质量，因此在达到相近的抗侵彻能力指标(比如结构受到高速的冲击之后背板的挠度)前提下，利用本发明的单元可以减少结构的面密度，达到减重的效果，可用于针对30mm脱壳的装甲结构轻量化设计。
附图说明
[0018]
图1为本发明实施例的抗30mm脱壳的装甲结构单元的结构三视图以及横截面剖视图；
[0019]
图2为本发明实施例的夹芯结构示意图；
[0020]
图3为本发明实施例夹芯结构的栅格结构详细尺寸图；
[0021]
图4为本发明实施例的对比结构示意图；
[0022]
图5为本发明实施例夹芯结构与对比结构背板凸起挠度的时间曲线。
具体实施方式
[0023]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0024]
如图1所示，本发明的抗30mm脱壳的装甲结构单元为陶瓷/金属夹芯背板复合结构，包括陶瓷面板1和金属夹芯背板2。从入射方向可依次分为两层：陶瓷面板1作为面板，金属夹芯背板2作为背板。所述金属夹芯背板2中的阵列格栅结构3如图1中的a-a截面剖视图与b-b截面剖视图所示。
[0025]
所述陶瓷面板1的陶瓷是复合装甲结构中的主要抗弹组分，利用其高强度与高硬度破坏并磨蚀子弹。常用的抗弹陶瓷材料包括碳化硼、碳化硅、氧化铝等。选择抗弹陶瓷材料时要考虑陶瓷本身的机械性能，包括陶瓷的硬度，强度，断裂韧度，密度、陶瓷的生产方法与产品质量、以及成本等。陶瓷的厚度和面内尺寸大小决定了陶瓷面板的抗弹能力，由于30mm脱壳具有非常强的侵彻能力，因此要求陶瓷面板达到足够的面内和厚度尺寸才能实现有效防护。考虑到生产工艺等影响因素，为了使得陶瓷面板具备良好的抗弹性能，本发明中的陶瓷面板1可以是多种陶瓷材料、多块抗弹陶瓷板的层合结构，可以是单一陶瓷材料、多块抗弹陶瓷板的层合结构，也可以是单一陶瓷材料的整块抗弹陶瓷板。
[0026]
所述夹芯金属背板2在抗弹过程中主要起到支撑陶瓷面板的作用，主要承受面板传递的弯曲载荷。常用的抗弹金属材料包括各类装甲钢、铝合金、钛合金等等，本发明中的夹芯金属背板2可以是单一金属材料的整块金属板，也可以是复合多种金属材料的层合结构。同样考虑到30mm脱壳具有非常强的侵彻能力，夹芯金属背板2在迎弹表面会遭到剩余陶瓷残渣以及破碎子弹的局部冲击，而镂空的格栅结构会降低局部的抗冲击能力，所
以夹芯金属背板2中的阵列格栅结构3在厚度方向的位置应该位于夹芯金属背板2的靠后方，防止子弹贯穿栅格结构的薄弱区域。此外所述阵列格栅结构3自身的边长以及壁厚尺寸应该参考的尺寸，考虑到夹芯金属背板2可能因工艺缺陷造成强度过低，镂空的阵列栅格结构3的单元尺寸应该略小于，防止直接击穿所述栅格结构3的薄弱区域。
[0027]
所述陶瓷面板1与所述夹芯金属背板2通过一定的方式连接，比如通过粘接或者螺栓连接等方式固定在一起，形成陶瓷/金属夹芯背板复合装甲结构用于抗弹。
[0028]
以本发明的陶瓷/金属夹芯背板复合装甲结构与常见的陶瓷/金属背板抗弹单元作对比，前者在下文简称为“夹芯结构”，后者在下文简称为“对比结构”。本发明实施例的夹芯结构的结构示意图如图2所示，陶瓷面板1，夹芯金属背板2通过一定方式连接。实施例的夹芯结构的栅格结构的详细尺寸图如图3所示。实施例的对比结构示意图如图4所示，陶瓷面板1与均质金属背板4通过一定方式连接。在本发明实施例中，陶瓷面板采用碳化硅作为材料，其密度为3.2g/cm3，机械性能较好并且生产工艺成熟(热压法生产)，成本较低。阵列栅格结构的边长为10mm，小于的弹径(16.5mm)，防止子弹直接穿过夹芯结构的危险区域，栅格的孔壁厚为2mm，使得单位厚度的栅格具备不错的减重能力。通常装甲的重量以单位面积的质量，即用面密度(kg/m2)衡量。本发明实施例的夹芯结构的面密度为320kg/m2，对比结构的面密度为357.95kg/m2。
[0029]
经过仿真分析，将受到打击后抗弹单元的背部凸起挠度作为衡量其结构防护性能的指标，本发明实施例的夹芯结构与对比结构防护性能相近。两种结构的背板凸起挠度时间曲线如图5所示，两条曲线的形状比较近似。背板挠度一开始增加速度较快，此时子弹击碎陶瓷板，金属背板迎弹表面承受较集中的载荷，作用于后方；达到150us之后，子弹被陶瓷充分侵蚀减速，背板开始吸收残余子弹以及陶瓷残渣的剩余能量，此时载荷作用的范围也逐渐增大，金属背板主要受到弯曲载荷的作用，发生弯曲变形，背板挠度增加的速度慢慢减缓；最终在250us左右达到最大凸起挠度。金属背板挠度增加的过程与陶瓷/金属背板复合装甲的抗弹机理相吻合。两种结构的背板凸起挠度增加过程的区别在于本发明实施例的夹芯结构在子弹侵彻中期的挠度增加较快，之后凸起挠度的增加速度迅速减慢趋于平稳，这体现了夹芯结构的金属背板具备很好的抵抗弯曲变形的能力。通过有限元分析，本发明实施例的夹芯结构的金属背板弯曲刚度是1.374
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106n
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m，而对比结构的金属背板弯曲刚度是1.171
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106n
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m，夹芯结构的弯曲刚度是对比结构1.17倍，即夹芯结构在减重情况下抗弯刚度反而有所提升，这是夹芯结构能保持防护性能并同时减重的重要原因。
[0030]
经数值模拟仿真验证，相比于传统的陶瓷/金属复合装甲，采用本发明的装甲结构单元对30mm脱壳具有同等防护能力，但整体重量降低10.6％，实现了整体结构的轻量化目标。
[0031]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种抗30mm脱壳的装甲结构单元，其特征在于：所述装甲结构单元为陶瓷面板/金属夹芯背板复合装甲结构，包括陶瓷面板和金属夹芯背板；从入射方向依次设置陶瓷面板和金属夹芯背板；所述金属夹芯背板在抗弹过程中用于支撑陶瓷面板；所述陶瓷面板的陶瓷为抗弹陶瓷材料；所述金属夹芯背板的金属材料为抗弹金属材料；所述金属夹芯背板的芯层为阵列栅格结构；所述阵列栅格结构的单元尺寸略小于，防止栅格单元的中心成为防护薄弱区域。2.根据权利要求1所述的一种抗30mm脱壳的装甲结构单元，其特征在于：所述抗弹陶瓷材料为碳化硼、碳化硅或氧化铝。3.根据权利要求1所述的一种抗30mm脱壳的装甲结构单元，其特征在于：所述陶瓷面板为多种陶瓷材料、多块抗弹陶瓷板的层合结构，或单一陶瓷材料、多块抗弹陶瓷板的层合结构，或单一陶瓷材料的整块抗弹陶瓷板。4.根据权利要求1所述的一种抗30mm脱壳的装甲结构单元，其特征在于：所述抗弹金属材料为装甲钢、铝合金或钛合金。5.根据权利要求1所述的一种抗30mm脱壳的装甲结构单元，其特征在于：所述金属夹芯背板为单一金属材料的整块金属板，或多种金属材料的多块金属板的层合结构。6.根据权利要求1所述的一种抗30mm脱壳的装甲结构单元，其特征在于：所述金属夹芯背板中的栅格结构在厚度方向的位置位于所述金属夹芯背板的靠后方位置，即所述金属夹芯背板沿入射方向分为三层，分别为厚均质金属板、金属栅格芯层和薄均质金属板。7.根据权利要求5所述的一种抗30mm脱壳的装甲结构单元，其特征在于：所述陶瓷面板与所述金属夹芯背板通过粘接或者螺栓连接的方式固定在一起。

技术总结

本发明提供一种抗30mm脱壳的装甲结构单元，所述装甲结构单元为陶瓷/金属夹芯背板复合装甲结构，包括陶瓷面板和夹芯金属背板；从入射方向依次设置陶瓷面板和夹芯金属背板；所述夹芯金属背板在抗弹过程中用于支撑陶瓷面板；所述陶瓷面板的陶瓷为抗弹陶瓷材料；所述夹芯金属背板的金属材料为抗弹金属材料；所述夹芯金属背板中设置阵列格栅；所述阵列栅格的单元尺寸略小于，防止直接击穿所述阵列栅格的薄弱区域。本发明通过采用新型结构的金属背板，在不降低陶瓷/金属复合装甲防护能力的条件下实现整体装甲结构的减重，满足兼顾防护力和轻量化的设计需求。满足兼顾防护力和轻量化的设计需求。满足兼顾防护力和轻量化的设计需求。