改进新型防护装甲元件的能量性能和物理力学特性

提升弹道防护的多层装甲结构设计与实验验证

　　
### 中文解读：基于爆炸焊接的多层 convex 装甲结构防弹性能优化研究

#### 一、研究背景与意义
现代军事冲突中，高威胁弹药（如反坦克导弹、无人机、穿甲弹等）对防护装备的穿透能力显著增强。传统装甲材料如高硬度钢或钛合金虽能抵御一定冲击，但存在重量大、能量吸收效率低、易分层失效等问题。乌克兰战争及全球多地冲突表明，需开发更轻量化、高能效且可规模化生产的防护结构。本研究通过结合几何优化、材料层叠和爆炸焊接工艺，提出了一种新型多层装甲结构，旨在提升防弹性能并降低装备重量。

#### 二、技术路线与创新点
1. **材料选择与层叠设计**
- **外层**：采用高硬度钢（如SS109）或钛合金（如Ti-6Al-4V），提供初始冲击阻抗和硬度，防止弹头穿透。
- **中间层**：使用铝蜂窝夹层或高韧性聚乙烯（UHMWPE）纤维复合材料，通过塑性变形和黏弹性耗能机制吸收动能。
- **内层**：钢或钛合金作为支撑层，防止后向变形损伤内部结构。

2. **几何创新：凸面结构**
通过设计外层为凸面（如椭圆弧形），利用几何曲率分散应力波，引导弹头偏转并扩大接触面积，降低单位面积应力集中。数值模拟表明，凸面结构可使弹头动能损失提高20%-30%，且后向变形量减少5-6倍。

3. **爆炸焊接工艺**
采用钢-铝或钛-铝爆炸焊接技术，形成非晶化冶金界面（波状焊缝），剪切强度达250-350 MPa。相较于传统胶接或扩散焊接，爆炸焊无需后续加工，确保层间结合强度，同时保留材料的延展性，避免分层失效。

#### 三、理论分析与数值模型
1. **动能转化机制**
弹头动能通过以下途径耗散：
- **塑性变形**：外层钢或钛合金的硬化变形吸收能量（贡献约40%）。
- **黏弹性耗能**：中间层通过剪切变形和能量耗散（如摩擦生热）吸收剩余动能（约30%）。
- **几何偏转**：凸面结构使弹道偏移10°-15°，进一步降低贯穿概率（贡献约30%）。

2. **数值模型构建**
基于Ansys/AutoDYN平台，开发了考虑材料各向异性和损伤演化的三维动态模型：
- **材料本构**：采用修正Johnson-Cook模型描述钢、铝、钛的弹塑性行为，结合黏弹性阻尼因子（η≈0.2）模拟中间层耗能特性。
- **网格划分策略**：弹道接触区网格细化至0.3-0.5 mm，外围逐步粗化以平衡计算效率与精度。
- **失效准则**：基于等效塑性应变和Cockcroft-Latham能量阈值判定弹头与装甲的失效模式。

#### 四、实验验证与结果分析
1. **制造工艺验证**
- 爆炸焊接参数优化：采用ANFO炸药，焊接面间距5-15 mm，碰撞角15°-25°，确保形成波状界面（振幅50-150 μm）。
- 成品检测：通过显微金相分析确认冶金结合强度，显微硬度测试显示外层硬度达55-60 HRC，符合 armor steel标准。

2. **弹道测试数据**
- **5.56×45 mm NATO弹**（铅芯，质量4.0 g，初速930 m/s）：
- 能量吸收率：100%（实验数据） vs. 模拟预测70%-80%
- 后向变形量：2.3 mm（NIJ标准限值25 mm，低于基准值90%）
- **7.62×39 mm MSC弹**（钢芯，质量8.0 g，初速700 m/s）：
- 完全阻止穿透，后向变形2.8 mm
- 能量吸收效率100%（模拟预测68%-72%）

3. **与商业装甲对比**
- **Armox 500T**（7 mm厚度）：
- 防护7.62×39 mm MSC弹，后向变形12-18 mm
- 面密度51-55 kg/m2，重量效率为基准值
- **本研究装甲**（钢-铝-钢，总厚度12 mm）：
- 面密度50-55 kg/m2，重量降低15%-20%
- 后向变形≤3 mm，防护效能提升5-6倍（基于损伤面积）

#### 五、关键机制与性能优势
1. **多机制协同耗能**
- **几何分散**：凸面将弹道偏转角提升至10°-15°，结合波状界面应力释放，降低贯穿概率。
- **材料协同**：外层硬质材料抵抗初始冲击，中间层铝蜂窝（孔隙率≥60%）通过压缩变形和金属颗粒破碎吸收能量，内层钢防止能量反向传导。

2. **爆炸焊接界面特性**
- 非晶化冶金结合（硬度差值＞200 HB）减少界面滑移，提升动态载荷下的结构稳定性。
- 波状界面提供局部弹性模量梯度（0.05-0.1 GPa），增强能量耗散效率。

3. **轻量化设计**
- 铝蜂窝夹层重量占比仅15%-20%，但可吸收70%以上动能（Pratomo et al., 2021对比数据）。
- 对比传统陶瓷复合装甲（面密度80 kg/m2），本研究设计重量降低35%-40%。

#### 六、局限性与改进方向
1. **环境敏感性**
- 铝蜂窝在潮湿环境易氧化（腐蚀速率约0.1 mm/年），需表面喷涂陶瓷涂层（如Al?O?）提升耐候性。
- 黏弹性材料在-20℃时模量升高50%，需研究低温环境下的性能衰减。

2. **工艺规模化**
- 爆炸焊接目前仅能生产单层厚度≤150 mm的装甲板，需开发连续焊接技术以适配车辆曲面。
- 铝-钢焊接需控制冷却速率（<50℃/s）避免脆性相析出。

3. **多威胁适配性**
- 当前验证仅针对7.62×39 mm MSC和5.56×45 mm NATO弹，需扩展至穿甲弹（如R PG-7M）和聚能弹测试。
- 未考虑穿甲弹高爆轰冲击波（峰值压力＞2000 bar）的复合效应。

#### 七、应用前景与军事价值
1. **车载装甲**
- 将传统装甲厚度从70 mm降至50 mm（等防护等效面密度），可降低车辆载荷15%-20%，提升机动性。
- 减少后向变形损伤，延长乘员舱生存时间＞60秒（NIJ标准为45秒）。

2. **单兵防护**
- 胸甲面密度可降至35 kg/m2（传统陶瓷复合装甲为60 kg/m2），减少穿戴者疲劳。
- 实验显示，5.56×45 mm NATO弹冲击后，内层变形量＜3 mm，避免肋骨骨折风险。

3. **适应性扩展**
- 通过调节凸面曲率（ eccentricity 0.4-0.8）可适配不同弹道角度（如30°-60°）。
- 集成柔性电子传感器（应变率＞1000 s?1响应时间＜10 ms），构建智能装甲系统。

#### 八、结论
本研究通过爆炸焊接技术实现钢-铝-钢/钛-铝-钛多层结构，结合凸面几何设计，在相同重量下将防弹效能提升5-6倍。创新点在于：
1. **工艺突破**：爆炸焊接实现冶金级界面结合，无需二次加工。
2. **多尺度耗能**：几何分散（宏观）+ 材料协同（微观）+ 黏弹性耗能（介观）三级耗能体系。
3. **全参数验证**：从0.01 ms（微秒级）动态响应到长期耐久性测试（＞10^6次循环）均通过实验验证。

该成果为下一代装甲装备研发提供了理论模型和工程实现路径，特别适用于高机动性作战平台的防护系统升级。