CN109764754A - 一种披挂装甲结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种披挂装甲结构，其安装在装甲车辆的外表面上，它包括朝外的抗高温外层和朝向装甲车辆外表面、朝内的防护层，抗高温外层与防护层之间夹设非牛顿流体层，非牛顿流体层为具有剪切增稠特性的胀流型非牛顿流体。本发明增强了装甲车辆的防护能力，解决了防护能力与轻便性无法兼具的矛盾。

Description

一种披挂装甲结构

技术领域

本发明涉及一种用于装甲车辆上的披挂装甲结构，属于装甲设计领域。

背景技术

为适应现代高科技战争的要求，近年来，新型高性能复合材料在装甲车辆上得到了广泛的应用。现阶段各国采用的装甲防护材料主要有均质装甲钢、铝合金、陶瓷、玻璃纤维、芳纶纤维、超高相对分子量聚乙烯等构成的基体装甲、复合装甲和反应装甲防护体系，尽管普通的复合材料能够取得一定的防护效果，但往往以质量沉重、材料结构复杂为代价，且防护能力尚待提高。具体来说，一直以来，在“矛”与“盾”的较量中，装甲车辆披挂装甲材料设计，普遍存在防护性和轻便性无法兼具的矛盾。要想增强防护性能，必然会增加披挂装甲的厚重，大大降低装甲车的通过性能和战斗性能，而如果要增强轻便性，又必然会牺牲装甲的防护性能。目前在用的装甲车辆普遍存在装甲防护力弱的问题，近距离的打击对装甲车侧面薄弱的装甲而言可谓致命一击。

非牛顿流体是一种剪切应力与剪切速率之间呈现非线性关系的流体，其特性是遇强则强、遇弱则弱，其粘度会因为受到压力或者速度变化而变化，当用力击打它时，接触面会因为压力大而使得粘度增加，甚至是刚出膛的子弹都无法穿透。非牛顿流体广泛存在于生活、生产和大自然之中，如油脂、油漆、牛奶、牙膏、动物血液、泥浆等。非牛顿流体力学在化学纤维工业、塑料工业、石油工业等许多领域都有广泛应用。作为一种复杂流体，其流变性能和流变规律较为复杂，不同类型的非牛顿流体在剪切速率的变化下会表现出不同的流变性能。如Bingham塑性体存在屈服力，假塑性流体具有剪切变稀特性，胀流型流体具有剪切增稠特性等。正是由于非牛顿流体特殊的流动性使其成为一些新兴技术领域的核心突破点。

在非牛顿流体的诸多应用中，装甲防护领域是较有潜力和创新的研究方向。由此可见，如何将非牛顿流体应用于披挂装甲材料中，设计出一种能够实现防护性能和轻便性能兼具，提高装甲车辆战斗性能、降低制造成本的技术方案，是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种披挂装甲结构，其增强了装甲车辆的防护能力，解决了防护能力与轻便性无法兼具的矛盾。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种披挂装甲结构，其安装在装甲车辆的外表面上，其特征在于：它包括朝外的抗高温外层和朝向装甲车辆外表面、朝内的防护层，抗高温外层与防护层之间夹设非牛顿流体层，非牛顿流体层为具有剪切增稠特性的胀流型非牛顿流体。

本发明的优点是：

本发明利用胀流型非牛顿流体的剪切增稠特性而设计，一方面，提升了披挂装甲结构的防护能力，可以防护正常枪弹攻击和普通爆炸弹片等，对普通反坦克弹有很好的抵挡作用，可用于防范针对爆破反应装甲而研制的串联战斗部，另一方面，具有重量轻的特点，对装甲车的通过性能和战斗性能不会造成不利影响，另外，易实现，制造成本低。

附图说明

图1是本发明披挂装甲结构的示意图。

图2是本发明披挂装甲结构一较佳实施例的示意图。

图3是聚丙烯酰胺材料的粘度测试曲线图。

图4是聚丙烯酰胺材料的剪切应力测试曲线图。

图5是1#复合装甲结构垂直碰撞仿真的应力分布结果图。

图6是1#复合装甲结构垂直碰撞仿真的形变结果图。

图7是2#复合装甲结构垂直碰撞仿真的应力分布结果图。

图8是2#复合装甲结构垂直碰撞仿真的形变结果图。

图9是1#复合装甲结构倾斜碰撞仿真的应力分布结果图。

图10是1#复合装甲结构倾斜碰撞仿真的形变结果图。

图11是2#复合装甲结构倾斜碰撞仿真的应力分布结果图。

图12是2#复合装甲结构倾斜碰撞仿真的形变结果图。

具体实施方式

本发明披挂装甲结构安装在装甲车辆的外表面上，如图1所示，本发明披挂装甲结构包括朝外的抗高温外层10和朝向装甲车辆外表面、朝内的防护层40，抗高温外层10与防护层40之间夹设非牛顿流体层21，非牛顿流体层21为在剪切速率变化下，具有剪切增稠特性的胀流型非牛顿流体。

在实际设计中，如图1，抗高温外层10与防护层40之间可仅设有一层非牛顿流体层21，其中：此非牛顿流体层21的厚度在70毫米-100毫米之间，例如设计为70毫米、90毫米、100毫米等。

如图2，抗高温外层10与防护层40之间可设有若干层非牛顿流体层21，其中：非牛顿流体层21朝向装甲车辆外表面的一侧表面和边缘被耐高温包裹层22包裹，非牛顿流体层21与耐高温包裹层22形成抗冲击层20；每层非牛顿流体层21的厚度在20毫米-40毫米之间，例如设计为20毫米、30毫米、40毫米等，耐高温包裹层22的厚度通常设计为10毫米左右，不受局限。

进一步地，如图2，相邻的两层抗冲击层20之间可通过分隔层30分隔。分隔层30可设计为石墨钢板，以石墨为主。

在本发明中，非牛顿流体层21可为属于胀流型非牛顿流体的聚丙烯酰胺(PAM)材质制成。进一步地，聚丙烯酰胺流体的浓度越大越好。

在本发明中，耐高温包裹层22可为凯夫拉纤维材质制成，不受局限。

在本发明中，抗高温外层10可为镍基合金材质制成，防护层40可为泡沫铝材质制成，不受局限。

如图1、图2，防护层40朝向装甲车辆外表面的表面上还可设有车辆连接层50，车辆连接层50的材质可根据实际需求来设计，不受局限，例如车辆连接层50可由合金金属制成。

图2示出了本发明披挂装甲结构的一较佳实施例，图2示出的本发明披挂装甲结构包括抗高温外层10和防护层40，抗高温外层10与防护层40之间设有三层抗冲击层20，每层抗冲击层20由非牛顿流体层21和耐高温包裹层22形成，非牛顿流体层21处于耐高温包裹层22外侧，相邻两层抗冲击层20之间通过分隔层30分隔，并且，防护层40上设有车辆连接层50。

在本发明的层叠结构中，各膜层的主要作用介绍如下：

抗高温外层10一方面用于提升装甲结构的耐高温能力，其可承受1000度以上的高温，另一方面，将其表面打磨光滑，可增加跳弹率，从而进一步提升防护性能。

抗冲击层20是整个结构的核心，其中，非牛顿流体层21主要用于提升抗冲击能力，削弱弹体、弹体碎片的冲击力，对正常枪弹攻击和炸弹碎片等起到很好的防护作用，耐高温包裹层22主要具有耐高温，以及分散弹头削弱弹体冲击力的作用。

分隔层30一方面具有分隔以及减轻重量的作用，另一方面，其具有改变子弹头行进轨迹的效果，从而提升抗打击能力。

防护层40主要用于进一步削弱弹体的冲击力，是最后一道防护。

车辆连接层50所使用的材料不限，主要用于将本发明披挂装甲结构与装甲车辆表面相连接，另外其还可具有装饰性能。

在实际设计中，抗高温外层10、分隔层30、防护层40、车辆连接层50的厚度可根据实际需要来合理设计，不受局限。它们的厚度通常可设计为介于10毫米-20毫米之间。

本发明的一大特点就是利用了非牛顿流体中的胀流型流体所具有的剪切增稠特性。胀流型非牛顿流体的结构适应性好，密度相比金属大大降低，且作为一种智能材料，在面对大的冲击时可以提供极大的阻力。胀流型非牛顿流体的以上这些特点恰恰满足了装甲车辆所需的低重量、高防护的要求，不仅能增加其安全性，更能提升车辆在雪地、泥泞路等复杂路面的机动性和灵活性。

下面对聚丙烯酰胺材料进行流变性能测试，从而说明该材料所具有的实际效能。

以Anton paar 302流变仪为实验平台，测试聚丙烯酰胺在不同剪切速率下的粘度、剪切应力的变化。选取质量分数为60％、70％、80％的三种聚丙烯酰胺流体，并分别记为1#、2#、3#。

图2示出的是1#、2#、3#三种聚丙烯酰胺流体的粘度随剪切速率变化的曲线。从图2可以发现，聚丙烯酰胺流体随着剪切速率的增加，粘度不断增加，呈现出剪切增稠的特性。

图3示出的是1#、2#、3#三种聚丙烯酰胺流体的剪切应力随剪切速率变化的曲线。从图3可以发现，聚丙烯酰胺流体的剪切应力也随着剪切速率的增加而增加，在剪切速率为3001/s时，最大剪切应力可达到10000Pa。

同时，对比1#、2#、3#三种聚丙烯酰胺流体的曲线可以发现，随着聚丙烯酰胺流体的浓度增加，流体自身表现出的流变性能更加优越。

因此，通过上述流变性能实验可以发现，聚丙烯酰胺流体具有剪切增稠特性，并能提供较大的剪切应力，可以做为披挂装甲的材料。

下面以ANSYS仿真平台，基于模拟仿真的方式来验证添加了胀流型非牛顿流体的本发明披挂装甲结构的可行性和特性。

在仿真实验中，对比1#复合装甲结构与2#复合装甲结构之间的差异。

1#复合装甲结构包括抗高温外层10和防护层40，抗高温外层10与防护层40之间设有2层抗冲击层20，每个抗冲击层20由非牛顿流体层21和耐高温包裹层22构成，两个抗冲击层20之间通过分隔层30分隔，防护层40外设有车辆连接层50。抗高温外层10、分隔层30、防护层40、非牛顿流体层21、耐高温包裹层22分别采用镍基合金、石墨钢板、泡沫铝、聚丙烯酰胺流体、凯夫拉纤维。抗高温外层10、分隔层30、防护层40、车辆连接层50的厚度分别为20mm、10mm、20mm、15mm。处于外面的抗冲击层20中的非牛顿流体层21、耐高温包裹层22的厚度分别为15mm、10mm，处于里面的抗冲击层20中的非牛顿流体层21、耐高温包裹层22的厚度分别为20mm、15mm。

2#复合装甲结构是从1#复合装甲结构中去掉非牛顿流体层21后的结构。

上面各层材料的屈服强度和密度如下表1所示。

表1

对1#、2#复合装甲结构进行弹丸碰撞装甲结构的过程仿真模拟。

弹丸的参数如下表2所示。

表2

假设碰撞后弹丸的速度为零，根据下面的动量定理公式：

计算得到，复合装甲结构在上述接触面积上所承受的压力为54000000N。上式中，F为作用力，s为作用时间，m为质点质量，v为质点速度。

按照以上设定条件，在ANSYS仿真平台中对1#、2#复合装甲结构进行如下仿真。

垂直碰撞仿真：

假设弹丸垂直碰撞1#、2#复合装甲结构，两者在相同的碰撞动量下，1#复合装甲结构仿真得到的应力分布、形变结果如图5、图6所示，2#复合装甲结构仿真得到的应力分布、形变结果如图7、图8所示。

通过分析仿真结果可知，在图5中，1#复合装甲结构所受到的最大应力为4.8Mpa，最小应力为5.08Mpa。在图7中，2#复合装甲结构所受到的最大应力为4.89Mpa，最小应力为6.37Mpa。两者所受的最大应力相近，但2#复合装甲结构的最小应力明显大于1#复合装甲结构。这说明由于有非线性液态聚丙烯酰胺流体的存在，在受到弹丸垂直打击时，装甲结构上更多的区域参与到对弹丸的抵抗打击中，一定程度上起到了分散应力的作用。

对比图5与图7可知，1#复合装甲结构的应力分布更加均匀，这说明非牛顿流体层21起到了传递应力的作用，从而提高了防护能力。

由图6、图8所示的形变结果可知，1#复合装甲结构的最大形变为0.0359m，最小形变为3.88m，2#复合装甲结构的最大形变为0.039m，最小形变为3.99m。可以看出，1#复合装甲结构的最大形变和最小形变均小于2#复合装甲结构，这说明由于有非牛顿流体层21的存在，弹丸垂直打击对复合装甲结构的形变影响大大减小，这也进一步证明了1#复合装甲结构具有良好的分散应力的能力。

倾斜碰撞仿真：

弹丸垂直碰撞复合装甲结构的概率较小，常见的情况是弹丸入射角与复合装甲结构有一个夹角，也就是弹丸倾斜碰撞复合装甲结构。

假设弹丸与复合装甲结构发生倾斜碰撞但没有滑动，即弹丸碰撞后全部侵入装甲结构，没有质量损失。两者在相同的碰撞动量下，1#复合装甲结构仿真得到的应力分布、形变结果如图9、图10所示，2#复合装甲结构仿真得到的应力分布、形变结果如图11、图12所示。

从图9-图12可以看出，相比于垂直碰撞，弹丸倾斜碰撞复合装甲结构时，在相同的碰撞动量下，装甲结构的最大应力显著增大，增长率超过20.5％，但是形变没有显著增大。

综合上述分析可知，无论是弹丸垂直碰撞还是倾斜碰撞，没有非牛顿流体层的2#复合装甲结构的形变量都大于设有非牛顿流体层21的1#复合装甲结构。这说明了胀流型非牛顿流体能够有效增强复合装甲结构的防弹性能。此外，对于设有非牛顿流体层21的1#复合装甲结构，弹丸垂直碰撞或倾斜碰撞时，复合装甲结构的最大形变量变化不大，更进一步说明了胀流型非牛顿流体还可以增加复合装甲结构的稳定性。

以上仿真结果说明了，聚丙烯酰胺流体在高剪切速率下呈现出了剪切增稠特性，聚丙烯酰胺流体的设计是可行性的。胀流型非牛顿流体不仅能够增强复合装甲结构的强度，提高防弹性能，而且可以增加复合装甲结构的稳定性，从而增强复合装甲结构抵御打击的能力。胀流型非牛顿流体具有良好的分散应力的功能，可以使装甲结构上更多的部分参与到抵御弹丸打击中，从而提高了装甲结构的防护能力，并且由于胀流型非牛顿流体的存在，使得装甲结构的形变大大减小，能够有效降低车内装备人员的受损程度，具有较高的军事应用前景和经济效益。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，例如本发明作为装甲车辆的顶部装甲、底部装甲，均属于本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种披挂装甲结构，其安装在装甲车辆的外表面上，其特征在于：它包括朝外的抗高温外层和朝向装甲车辆外表面、朝内的防护层，抗高温外层与防护层之间夹设非牛顿流体层，非牛顿流体层为具有剪切增稠特性的胀流型非牛顿流体。

2.如权利要求1所述的披挂装甲结构，其特征在于：

所述抗高温外层与所述防护层之间设有一层所述非牛顿流体层，其中：所述非牛顿流体层的厚度在70毫米-100毫米之间。

3.如权利要求1或2所述的披挂装甲结构，其特征在于：

所述非牛顿流体层为聚丙烯酰胺材质制成。

4.如权利要求1所述的披挂装甲结构，其特征在于：

所述抗高温外层与所述防护层之间设有若干层所述非牛顿流体层，其中：

所述非牛顿流体层朝向装甲车辆外表面的一侧表面和边缘被耐高温包裹层包裹，所述非牛顿流体层与耐高温包裹层形成抗冲击层；

所述非牛顿流体层的厚度在20毫米-40毫米之间。

5.如权利要求4所述的披挂装甲结构，其特征在于：

相邻的两个所述抗冲击层之间通过分隔层分隔。

6.如权利要求5所述的披挂装甲结构，其特征在于：

所述分隔层为石墨钢板。

7.如权利要求4所述的披挂装甲结构，其特征在于：

所述非牛顿流体层为聚丙烯酰胺材质制成，所述耐高温包裹层为凯夫拉纤维材质制成。

8.如权利要求1或2或4所述的披挂装甲结构，其特征在于：

所述抗高温外层为镍基合金材质制成，所述防护层为泡沫铝材质制成。

9.如权利要求1或2或4所述的披挂装甲结构，其特征在于：

所述防护层的外表面上设有车辆连接层。