CN106649924A - 一种橡胶基复合靶板抗射流侵彻机理测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种橡胶基复合靶板抗射流侵彻机理测定方法，包括以下步骤：对橡胶材料进行分离式霍布金森杆冲击试验，建立含温率效应的所述橡胶材料的本构模型；基于含温率效应的所述橡胶材料的本构模型，对橡胶基复合靶板进行X‑光脉冲试验，根据所述X‑光脉冲试验的数据，结合流体力学、聚能射流稳定性理论，建立橡胶基复合靶板在射流冲击下的理论模型；结合所述橡胶基复合靶板在射流冲击下的理论模型，对多种参数的橡胶基复合靶板进行剩余侵彻穿深试验，计算出具有最佳防护性能的橡胶基复合靶板的最优参数。本发明对新型防护装甲抗射流干扰的研究具有重要价值，也可为我国新型反新型防护装甲破甲战斗部设计和毁伤能力评估奠定理论基础。

Description

一种橡胶基复合靶板抗射流侵彻机理测定方法

技术领域

本发明涉及橡胶研究领域，特别涉及一种橡胶基复合靶板抗射流侵彻机理测定方法。

背景技术

随着大威力和精确反装甲弹药的发展，装甲目标被发现和毁伤的概率明显增加，装甲防护在与反装甲弹药的对抗中，已处于劣势地位。目前反装甲破甲弹中由于采用了K型装药、F型装药、超低温装药等技术，发展了大威力和多级串联破甲战斗部，使破甲弹威力达到侵彻1200-1300mm厚的均质钢甲，穿甲弹中采用了分段杆、大长径比和拉伸杆等技术，使穿甲弹威力达到侵彻600-800mm厚的均质钢甲。面对如此严峻的威胁环境，由于受体积、重量、机动性等诸多条件的限制，仅靠增加装甲厚度的被动防护观念已经难以保证装甲目标战场生存力的实现。为了保证装甲目标战场生存力和持续作战能力，装甲目标必将朝着轻量化、机动性强方向发展。研究轻质、高效新型防护装甲(包括材料和结构)是世界各国重点研究方向。

橡胶复合靶板(Rubber Composite Armour)实际上是由两块金属薄板和一块橡胶板通过黏合剂粘结组成的系统。当高速射流撞击橡胶复合靶板时，由于射流具有很高的能量密度，于是在撞击点形成一个膨胀孔，此孔以一定的加速度运动至极限。同时在应力波的作用下，射流侵彻复合靶板周围的金属板也会同橡胶夹层材料分离，发生沿法线方向的运动。在孔膨胀速度和盖板运动速度迭加的作用下，使得盖板在运动过程中不断与射流发生碰撞。而射流在侵彻橡胶复合靶板时，由于橡胶材料对射流的干扰，使得射流产生间断的失稳，出现变形和断裂趋势。在橡胶材料及金属板的作用下，射流出现周期性的变形和断裂。橡胶复合靶与金属靶、陶瓷靶和玻璃纤维靶相比，橡胶复合靶对射流具有高效的抗侵彻能力，能对射流性能进行有效的干扰，降低射流的侵彻能力，开展橡胶复合靶材料特性和抗侵彻机理的研究有现实的军事需求和应用背景。

目前对于复合靶板抗射流的侵彻机理研究缺乏系统性的研究手段，本发明对复合靶板抗射流侵彻机理研究过程中的研究手段进行了集成，使各个研究手段相互协调，互为支撑，使得研究结果更加准确、科学。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种橡胶基复合靶板抗射流侵彻机理测定方法。所述技术方案如下：

一种橡胶基复合靶板抗射流侵彻机理测定方法，包括以下步骤：

S100对橡胶材料进行分离式霍布金森杆冲击试验，根据所述冲击试验的数据，建立含温率效应的所述橡胶材料的本构模型；

S200基于含温率效应的所述橡胶材料的本构模型，对橡胶基复合靶板进行X-光脉冲试验，根据所述X-光脉冲试验的数据，结合流体力学、聚能射流稳定性理论，建立橡胶基复合靶板在射流冲击下的理论模型；

S300结合所述橡胶基复合靶板在射流冲击下的理论模型，对多种参数的橡胶基复合靶板进行剩余侵彻穿深试验，根据所述剩余侵彻穿深试验的数据，计算出具有最佳防护性能的橡胶基复合靶板的最优参数。

可选地，所述S100具体为，

对所述橡胶材料进行233K-323K温度、1800/s-3000/s应变率下的分离式霍布金森杆冲击试验，获得橡胶材料的应力-应变关系；

根据所述橡胶材料的应力-应变关系并结合Ogden模型，建立橡胶材料的本构模型，并推导出橡胶材料在233K-323K温度、1800/s-3000/s应变率下的应力-应变关系。

可选地，所述S200具体为，

对橡胶基复合靶板进行X-光脉冲试验，记录X-光脉冲试验数据；

根据所述X-光脉冲试验数据，并结合应力波传播理论和开尔文-亥姆霍兹流体不稳定性，建立橡胶基复合靶板在射流冲击下的理论模型。

可选地，所述S300具体为，

对多种参数的橡胶基复合靶板进行剩余侵彻穿深试验，记录剩余侵彻穿深试验数据；

根据所述剩余侵彻穿深试验数据，计算出具有最佳防护性能的橡胶基复合靶板的最优参数。

可选地，所述橡胶材料为天然橡胶6744和硅橡胶。

可选地，所述橡胶材料的应力-应变关系为，

式中，μ_i和α_i为材料常数。

可选地，含温率效应的所述橡胶材料的本构模型为：

含压缩情况下三向应变λ₁、λ₂和λ₃的超-粘弹性本构方程为，

W(λ₁，λ₂，λ₃，η₁，η₂)

含温率效应的超-粘弹性本构模型为，

W(λ₁，λ₂，λ₃，η₁)＝η₁W(λ₁，λ₂，λ₃)+N(λ₁，λ₂，λ₃)

含温率效应的本构方程为，

式中，T_R为橡胶材料转化温度。

可选地，所述推导出的橡胶材料在233K-323K温度、1800/s-3000/s应变率下的应力-应变关系为：

单轴冲击压缩情况下，超-粘弹性本构模型的应力-应变关系为，

式中，A₁～A₇为与材料有关的常数，为应变率，T为K氏温度。T_R分别为材料的参考应变率和参考温度；

玻璃态时的应力-应变关系为，

σ＝a[1-exp(-b·ε)]

式中，a、b为与材料有关的参数，由最小二乘法拟合得到。

可选地，所述橡胶基复合靶板在射流冲击下的理论模型为：

射流扰动微分方程为，

式中：ρ为射流材料密度，v为射流微元速度，m_j为射流微元质量，I为射流横截面对中性轴的惯性矩，将射流视为圆柱体，则η为衰减系数，0＜η＜1；

射流垂直侵彻运动靶板的扩孔方程为，

式中，r_c为靶板在t时刻的孔径，r_j为射流的直径。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

对新型防护装甲抗射流干扰的研究具有重要价值，同时也可为我国新型反新型防护装甲破甲战斗部设计和毁伤能力评估奠定理论基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的橡胶基复合靶板抗射流侵彻机理测定方法流程图；

图2是本发明实施例提供的不同温度和应变率下Ogden模型拟合的应力-应变曲线试验曲线的关系图；

图3是本发明实施例提供的含温率效应的橡胶本构模型拟合的应力-应变曲线与试验曲线的关系图；

图4是本发明实施例提供的玻璃态时橡胶试件在不同应变率、不同温度情况时的应力-应变关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种橡胶基复合靶板抗射流侵彻机理测定方法，参见图1，包括以下步骤：

S100对橡胶材料进行分离式霍布金森杆冲击试验，根据冲击试验的数据，建立含温率效应的橡胶材料的本构模型。

S200基于含温率效应的所述橡胶材料的本构模型，对橡胶基复合靶板进行X-光脉冲试验，根据所述X-光脉冲试验的数据，结合流体力学、聚能射流稳定性理论，建立橡胶基复合靶板在射流冲击下的理论模型。

S300结合橡胶基复合靶板在射流冲击下的理论模型，对多种参数的橡胶基复合靶板进行剩余侵彻穿深试验，根据剩余侵彻穿深试验的数据，计算出具有最佳防护性能的橡胶基复合靶板的最优参数。

在本实施例中，S100具体为，

对橡胶材料进行233K-323K温度、1800/s-3000/s应变率下的分离式霍布金森杆冲击试验，获得橡胶材料的应力-应变关系。

根据橡胶材料的应力-应变关系并结合Ogden模型，建立橡胶材料的本构模型，并推导出橡胶材料在233K-323K温度、1800/s-3000/s应变率下的应力-应变关系。

在本实施例中，S200具体为，

对橡胶基复合靶板进行X-光脉冲试验，记录X-光脉冲试验数据。

根据X-光脉冲试验数据，并结合应力波传播理论和开尔文-亥姆霍兹流体不稳定性，建立橡胶基复合靶板在射流冲击下的理论模型。

具体地，X-光脉冲试验具体试验步骤如下：

1)检测试验仪器设备是否允许正常。

2)在聚能装药上安装起爆测试线。

3)吊装聚能装药与橡胶基复合靶板，并保证其位于两出光口中线位置。

4)调整底片盒位置，设置合适的放大比(通常选用放大比为2∶1)。

5)设定出光(拍摄)时间。

6)起爆并记录实际X-光机出光时间。

7)15分钟后取回底片并扫描，读取试验结果。

8)根据处理后的图片分析聚能射流变形情况。

在本实施例中，S300具体为，

对多种参数的橡胶基复合靶板进行剩余侵彻穿深试验，记录剩余侵彻穿深试验数据。

根据剩余侵彻穿深试验数据，计算出具有最佳防护性能的橡胶基复合靶板的最优参数。

具体地，剩余穿深试验具体步骤如下：

1)放置靶架。

2)放置后效靶(圆钢锭)。

3)安装橡胶基复合靶板。

4)放置聚能装药。

5)安装雷管。

6)起爆。

7)测量后效靶上的剩余穿深。

通过剩余侵彻穿深实验，研究聚能射流侵彻橡胶基复合靶板后聚能射流的剩余侵彻能力，同时根据剩余穿深情况，结合橡胶基复合靶板的状态，计算橡胶基复合靶板的防护性能。

试验研究了橡胶基复合靶板在不同倾角、不同橡胶夹层厚度、不同橡胶夹层材料和不同橡胶夹层厚度时橡胶基复合靶板抗射流侵彻性能。得到橡胶基复合靶板抗射流侵彻的最佳倾角为60°，最佳橡胶夹层厚度为3.5mm，最佳橡胶夹层材料为天然橡胶6744和最佳盖板材料为波阻抗和强度都较大的Q235钢板。

在本实施例中，橡胶材料为天然橡胶6744和硅橡胶。

在本实施例中，橡胶材料的应力-应变关系为，

式中，μ_i和α_i为材料常数，根据试验结果通过最小二乘法拟合可得到Ogden模型拟合曲线，其与试验结果的对比如图2所示。

在本实施例中，橡胶材料的本构模型为：

含压缩情况下三向应变λ₁、λ₂和λ₃的超-粘弹性本构方程为，

W(λ₁，λ₂，λ₃，η₁，η₂)

含温率效应的超-粘弹性本构模型为，

W(λ₁，λ₂，λ₃，η₁)＝η₁W(λ₁，λ₂，λ₃)+N(λ₁，λ₂，λ₃)

含温率效应的本构方程为，

式中，TR为橡胶材料转化温度。

根据试验结果情况，本部分给出了一种可以较好描述橡胶材料在玻璃态时的应力-应变关系的本构方程，可以描述橡胶材料在高冲击和低温下的材料特性，对于分析橡胶制品在低温及高冲击载荷下的特性具有重要意义。

在本实施例中，推导出的橡胶材料在233K-323K温度、1800/s-3000/s应变率下的应力-应变关系为：

单轴冲击压缩情况下，超-粘弹性本构模型的应力-应变关系为，

式中，A₁～A₇为与材料有关的常数，为应变率，T为K氏温度。T_R分别为材料的参考应变率和参考温度，取温度298K为参考温度，应变率3000/s为参考应变率，得到含温率效应的橡胶本构模型拟合的应力-应变曲线与试验曲线的关系，如图3所示。

玻璃态时的应力-应变关系为，

σ＝a[1-exp(-b·ε)]

式中，a、b为与材料有关的参数，由试验所得的应力应变曲线通过最小二乘法拟合得到，玻璃态时橡胶试件在不同应变率，不同温度情况时的应力-应变关系如图4所示。

在本实施例中，橡胶基复合靶板在射流冲击下的理论模型为：

射流扰动微分方程为，

式中：ρ为射流材料密度，v为射流微元速度，m_j为射流微元质量，I为射流横截面对中性轴的惯性矩，将射流视为圆柱体，则η为衰减系数，0＜η＜1。

射流垂直侵彻运动靶板的扩孔方程为，

式中，r_c为靶板在t时刻的孔径，r_j为射流的直径。

具体地，橡胶基复合靶与陶瓷复合靶抗射流侵彻性能对比研究的具体方法为：

采用标准聚能装药对天然橡胶复合靶和陶瓷复合靶进行侵彻对比实验，用预先设计的标准聚能装药在一定炸高条件下侵彻天然橡胶和陶瓷复合靶，复合靶法向角与标准聚能装药轴线的夹角为68°，在复合靶放置一定厚度的回收靶板，回收靶板为45号钢，测量得到聚能装药穿过复合靶后在钢靶中的残余穿深hr，实验数据见表1。

表1

具体地，橡胶复合靶与其他夹层结构复合靶抗射流侵彻性能对比研究的具体方法为：

通过DOP试验对比分析夹层材料分别为天然橡胶、聚乙烯塑料板、空气和有机玻璃材料时聚能射流穿透复合装甲后的剩余穿深，通过分析复合装甲的防护性能分析橡胶复合材料的优越性。试验中聚能药柱为直径为基准成型装药，复合靶板面板、背板厚度均为3mm的均质装甲钢板，复合靶板中夹层材料厚度均为5mm，复合靶板倾角为60°，试验结果如表2所示。

表2

具体地，陶瓷/橡胶/钢板结构复合靶板抗射流侵彻性能研究的具体方法为：

开展陶瓷+橡胶+钢板结构复合靶板抗射流侵彻性能研究，运用LS-DYNA动力学分析软件，对陶瓷/橡胶/钢结构复合装甲在30°和60°倾角下，不同橡胶夹层厚度时，射流侵彻的情况进行数值模拟与分析；采用聚能装药基准弹进行剩余穿深实验，研究射流侵彻陶瓷/橡胶/钢结构复合装甲后射流速度、靶板变形及剩余穿深，分析倾角和橡胶夹层厚度对陶瓷/橡胶/钢结构复合装甲抗射流侵彻性能的影响机理。

研究结果表明，射流侵彻陶瓷/橡胶/钢结构复合装甲性能受倾角的影响很大，尤其是大倾角影响更为显著；橡胶夹层对射流侵彻性能有一定的影响，但其厚度的变化对射流侵彻性能很小。

具体地，橡胶填充异性夹层结构薄靶板抗射流侵彻研究的具体方法为：

选取具有橡胶填充的、夹层结构为波纹型的复合靶板作为研究对象，分析其抗射流侵彻性能，基于冲击波在不同介质中的传播理论，运用LS-DYNA有限元仿真技术，结合试验验证研究夹层结构倾角变化对整个靶板性能的影响，得出具有最优抗射流侵彻性能时夹层板的倾角为45°及射流的入射角度为60°。

具体地，织物纤维增强橡胶基复合靶板抗射流侵彻性能研究的具体方法为：

以玻璃纤维、碳纤维、Kevlar-49、PBO纤维织物增强橡胶基复合靶板为研究对象，通过DOP试验和X-光试验研究纤维织物增强橡胶基复合靶板抗射流侵彻性能，主要通过橡胶基复合靶板面板变形、纤维组织破坏形式和复合靶板防护性能分析不同结构纤维织物增强纤维复合靶板抗射流侵彻吸能，得到了纤维织物对橡胶基复合靶板抗射流侵彻性能的影响特性如下。

射流侵彻复合靶板时，碳纤维和玻璃纤维的开孔较大，发生大面积的脱粘和分层，断口处的破坏方式为剪切脆性破坏。而Kevlar织物铺层开孔较小，并未发生层间分离；PBO纤维受到射流冲击发生大面积烧蚀、抽丝，纤维的杂乱分布对射流产生了较大的干扰；碳纤维与玻璃纤维不适合作为抗射流的纤维材料。Kevlar-与PBO织物铺层构成的复合靶板对射流的防护能力较强，可以作为有效的防护材料。

还需要说明的是，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种橡胶基复合靶板抗射流侵彻机理测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100对橡胶材料进行分离式霍布金森杆冲击试验，根据所述冲击试验的数据，建立含温率效应的所述橡胶材料的本构模型；

S200基于含温率效应的所述橡胶材料的本构模型，对橡胶基复合靶板进行X-光脉冲试验，根据所述X-光脉冲试验的数据，结合流体力学、聚能射流稳定性理论，建立橡胶基复合靶板在射流冲击下的理论模型；

S300结合所述橡胶基复合靶板在射流冲击下的理论模型，对多种参数的橡胶基复合靶板进行剩余侵彻穿深试验，根据所述剩余侵彻穿深试验的数据，计算出具有最佳防护性能的橡胶基复合靶板的最优参数。

2.如权利要求1所述的橡胶基复合靶板抗射流侵彻机理测定方法，其特征在于，所述S100具体为，

对所述橡胶材料进行233K-323K温度、1800/s-3000/s应变率下的分离式霍布金森杆冲击试验，获得橡胶材料的应力-应变关系；

根据所述橡胶材料的应力-应变关系并结合Ogden模型，建立含温率效应的所述橡胶材料的本构模型，并推导出橡胶材料在233K-323K温度、1800/s-3000/s应变率下的应力-应变关系。

3.如权利要求1所述的橡胶基复合靶板抗射流侵彻机理测定方法，其特征在于，所述S200具体为，

对橡胶基复合靶板进行X-光脉冲试验，记录X-光脉冲试验数据；

根据所述X-光脉冲试验数据，并结合应力波传播理论和开尔文-亥姆霍兹流体不稳定性，建立橡胶基复合靶板在射流冲击下的理论模型。

4.如权利要求1所述的橡胶基复合靶板抗射流侵彻机理测定方法，其特征在于，所述S300具体为，

对多种参数的橡胶基复合靶板进行剩余侵彻穿深试验，记录剩余侵彻穿深试验数据；

根据所述剩余侵彻穿深试验数据，计算出具有最佳防护性能的橡胶基复合靶板的最优参数。

5.如权利要求2所述的橡胶基复合靶板抗射流侵彻机理测定方法，其特征在于，所述橡胶材料为天然橡胶6744和硅橡胶。

6.如权利要求2所述的橡胶基复合靶板抗射流侵彻机理测定方法，其特征在于，所述橡胶材料的应力-应变关系为，

${\mathrm{\σ}}_{11}=2(1+\mathrm{\ϵ})\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\μ}}_i}{{\mathrm{\α}}_i}{(1+\mathrm{\ϵ})}^i$

式中，μ_i和α_i为材料常数。

7.如权利要求2所述的橡胶基复合靶板抗射流侵彻机理测定方法，其特征在于，含温率效应的所述橡胶材料的本构模型为：

含压缩情况下三向应变λ₁、λ₂和λ₃的超-粘弹性本构方程为，

W(λ₁，λ₂，λ₃，η₁，η₂)

含温率效应的超-粘弹性本构模型为，

W(λ₁，λ₂，λ₃，η₁)＝η₁W(λ₁，λ₂，λ₃)+N(λ₁，λ₂，λ₃)

含温率效应的本构方程为，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&sigma;}={\mathrm{\&sigma;}}_{11}^{/}={\mathrm{\&eta;}}_1{\mathrm{\&sigma;}}_{11}+A_2\{1+(T-T_R)\&CenterDot;\exp \&lsqb;(\mathrm{\&epsiv;}-A_3)/A_4\&rsqb;\}+\\ \&lsqb;A_5{\left(\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_R}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}\right)}^2{(T-T_R)}^2-A_6(T-T_R)-A_7\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}\&rsqb;\exp (\mathrm{\&epsiv;}/A_8),T>T_R\\ \mathrm{\&sigma;}=a\&lsqb;1-\exp (-b\&CenterDot;\mathrm{\&epsiv;})\&rsqb;,T<T_R\end{array}\right.$

式中，T_R为橡胶材料转化温度。

8.如权利要求2所述的橡胶基复合靶板抗射流侵彻机理测定方法，其特征在于，所述推导出的橡胶材料在233K-323K温度、1800/s-3000/s应变率下的应力-应变关系为：

单轴冲击压缩情况下，超-粘弹性本构模型的应力-应变关系为，

${\mathrm{\&sigma;}}_{11}^{/}={\mathrm{\&eta;}}_1{\mathrm{\&sigma;}}_{11}+A_2\{1+(T-T_R)\&CenterDot;\exp \&lsqb;(\mathrm{\&epsiv;}-A_3)/A_4\&rsqb;\}+\&lsqb;A_5{\left(\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_R}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}\right)}^2{(T-T_R)}^2-A_6(T-T_R)-A_7\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}\&rsqb;\exp (\mathrm{\&epsiv;}/A_8)$

式中，A₁～A₇为与材料有关的常数，为应变率，T为K氏温度。T_R分别为材料的参考应变率和参考温度；

玻璃态时的应力-应变关系为，

σ＝a[1-exp(-b·ε)]

式中，a、b为与材料有关的参数，由最小二乘法拟合得到。

9.如权利要求3所述的橡胶基复合靶板抗射流侵彻机理测定方法，其特征在于，所述橡胶基复合靶板在射流冲击下的理论模型为：

射流扰动微分方程为，

$(EI+3{\mathrm{\&rho;Iv}}^2)\frac{d^{4}y}{{\mathrm{dx}}^4}+m_j{v}^2\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dx}}^2}-\mathrm{\&eta;}v\frac{dy}{dx}=F$

式中：p为射流材料密度，v为射流微元速度，m_j为射流微元质量，I为射流横截面对中性轴的惯性矩，将射流视为圆柱体，则η为衰减系数，0＜η＜1；

射流垂直侵彻运动靶板的扩孔方程为，

$r_c={(\frac{A_1}{B_1+C_1}-{\left(\sqrt{\frac{A_1}{B_1+C_1}-r_j}-t\sqrt{B_1+C_1}\right)}^2)}^{1/2}$

式中，r_c为靶板在t时刻的孔径，r_j为射流的直径。