CN114412262A - 一种超高强碎弹防护层 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高强碎弹防护层,自上而下依次为:超高强钢层(1)、普通钢层(2)和混凝土层(3),各层之间通过超高强装置装配连接件可拆卸固定连接成整体复合结构,同时便于拆卸更换。本发明采用强度高、断裂韧性好、抗冲击载荷能力高、成本低的超高强合金钢作为首层材料;各层采用不同的厚度搭配方案能达到不同的安全等级,可使不同当量典型钻地弹撞击破碎,尤其是大当量深钻地武器。本发明所述复合结构采用超高强材料使钻地弹撞击破碎,从而增加防护能力;同时具有结构简单、制作简单、适用范围广、预制化构件施工方便等优势,可应用于军事工程和人防工程的遮弹层。
Description
技术领域
本发明涉及安全防护工程技术领域,尤其涉及一种超高强碎弹防护层。
背景技术
防护工程在军用和民用领域均具有重要战略价值。军用层面,钻地性能不断改进的武器对军事防护工程造成的威胁不断提升,以及全球热点地区,维和驻地临近交战区,维和人员和场所环境多不具备大型防护必要的施工条件和设备,因此,对新型防护结构的需求非常迫切。民用层面,人防工程和核电站反应堆等基础设施均需要合格、有效的防护材料及设备,以确保民用领域正常生产生活的有序进行、安全抵御冲击爆炸等极端事件对基础设施的影响。
军用方面,抵抗钻地弹侵彻与爆炸是当前防护工程中重要的研究内容,国外先后发展了块石、混凝土空心三棱柱、混凝土栅板、高强混凝土、钢纤维混凝土等遮弹层技术;国内开展了块石、球墨铸铁、超高性能混凝土、超高性能密配筋遮弹层等工作,并通过改变防护层结构、采用高强复合材料和采用分层结构有效组合等方式改善防护效果。民用方面,混凝土材料因强度较高、辐射屏蔽能力较好、性价比高等优点,广泛应用于基础设施建设和核电站反应堆最外层屏蔽层中,是非战争时期民用防护领域普遍应用的工程材料。同时,全混凝土材料存在脆性大、抗拉强度低等缺陷,在冲击爆炸作用下极易发生破坏而丧失防护效能。目前民用防护工程升级主要依赖新材料的运用,钢纤维-钢筋混凝土具有耐冲击、吸能、抗震、稳定性高等特点。然而基于混凝土的各种防护层强度无法无限提高,且远远小于外军典型钻地战斗部所用钢材强度。近年来,外军通过提高钻地战斗部长径比和使用双锥形弹头等方式不断提高钻地弹的侵彻深度,现有的混凝土材料和新型结构均无法有效抵抗。
现有诸多研究试验中,试件及靶体的尺寸与防护工程实际建设中的大体量、大面积特点相比,差别相当明显。在现有技术、施工条件及试验条件下性能良好的防护层结构在工程使用中存在一定困难,如试验中具备很好的抗侵彻性能的高含量钢纤维混凝土,在目前施工条件下很难做到大面积浇筑,并不适合现场使用;材料的大量使用,对结构的影响大,严重制约工程设计和施工。采用高硬度、高强度材料,有效钝化和破碎战斗部,结合韧性背板吸收冲击动能,能够有效提高目标的抗侵彻性能。军用上,结合新型钻地武器侵彻遮弹层机理和弹体材料性能,重点研究在钻地弹撞击目标时,弹体破碎不侵彻,是研制新型防护层材料的新方向。民用上,新型防护材料的研制是交通设施、核设施和重要场所安全运行的重要保障。
发明内容
为了克服上述不足,本发明提供了一种超高强碎弹防护层,该复合结构使钻地弹撞击工程目标时发生破碎,从而降低对工程目标的侵彻爆炸毁伤效果。不仅能够防侵彻撞击、还能防爆炸和破片毁伤;不仅能够防单一动能弹侵彻爆炸,还能够防破甲弹。
为了实现上述目的,本发明提出的技术方案为:一种超高强碎弹防护层,所述超高强碎弹防护层自上而下依次为:超高强钢层1、普通钢层2和混凝土层3,各层之间通过超高强装置装配连接件可拆卸固定连接成整体复合结构。
所述超高强度钢包括但不限于300M,D6AC和H-11等超高强度钢,18Ni马氏体时效钢、40CrNi2Si2MoVA、45CrNiMo1VA、AF1410二次硬化超高强度钢、AerMet100等。
所述超高强钢层所用的超高强度钢是用于制造承受较高应力结构件的一类合金钢,其屈服强度大于1180MPa,抗拉强度大于1380Mpa,具有足够的韧性及较高的比强度和屈强比,并具有良好的焊接性和成形性。按照合金化程度和显微组织,可分为低合金、中合金和高合金超高强度钢3类。
所述超高强度钢包括低合金钢,所述低合金钢基于调质结构钢,含碳量在0.3~0.5%,合金元素总含量小于5%,作用是保证钢的淬透性,提高马氏体的抗回火稳定性和抑制奥氏体晶粒长大,细化钢的显微组织。常用元素有镍、铬、硅、锰、钼、钒等。
所述超高强度钢包括中合金钢,所述中合金钢多为热作模具钢的改型钢,典型钢种有4Cr5MoSiV钢等,该类钢的含碳量约0.4%,合金元素总含量约8%,具有较高的淬透性。
所述超高强度钢包括马氏体时效钢,所述马氏体时效钢中典型的为18Ni马氏体时效钢,含碳小于0.03%,镍约18%,钴8%。根据钼和钛含量不同,钢的屈服强度分别可达到140、175和210kgf/mm2。
所述超高强度钢包括Ni-4Co型钢,含碳0.20~0.30%时,抗拉强度可达130~160kgf/mm2,断裂韧度达400kgf/mm以上。综合性能好,抗应力腐蚀性高。
所述超高强度钢包括沉淀硬化钢,也就是PH不锈钢,是在不锈钢的基础上发展起来的具有抗腐蚀性能的超高强度钢。合金元素总含量约为22~25%。
优选地,所述超高强钢层1厚度:普通钢层2厚度:混凝土层3钢筋直径=15~30cm:15~30cm:5~20mm。
优选地,所述超高强钢层1和普通钢层2采用预制化建造,单片尺寸长度不低于4m,宽度不低于4m,厚度不低于15cm;在厚度方向上保持完整性;长和宽方向上,实际施工条件小于4m时,至少一边不低于4m。
优选地,所述超高强钢层1抗拉强度:普通钢层2抗拉强度:混凝土标准试件单抽抗压强度=1600~3200MPa:600~1200MPa:40~80MPa;所述超高强钢层1屈服强度:普通钢层2屈服强度=1330~2660MPa:355~710MPa;所述超高强钢层1伸长率:普通钢层2伸长率=10%~20%:16%~32%;所述超高强钢层1断面收缩率:普通钢层2断面收缩率=45%~70%:40%~60%。
优选地,所述超高强钢层1,抗拉强度为1600MPa,屈服强度为1330MPa,伸长率为10%,断面收缩率为45%;所述超高强钢层1还包括U型缺口,所述U型缺口冲击韧性不低于70J/cm2,断裂韧性不低于105MPa/m2。
优选地,所述普通钢层2的抗拉强度为600MPa,屈服强度为355MPa,伸长率为16%,断面收缩率为40%。
优选地,所述混凝土层3为钢筋混凝土层,同批次10cm×10cm×10cm混凝土标准试件单抽抗压强度为40MPa;所述的混凝土层中钢筋直径为5mm,钢筋间距不大于15cm。
优选地,所述超高强钢层1和预制块之间采用焊接方式连接;所述焊接材料与所述超强刚层1强度相当,保证焊接部位强度和工程完整性。
所述焊接方式包括但不限于机械化自动焊接工艺,可较大程度减少工作量并具有较高的加工精度。
优选地,所述普通钢层2预制块之间采用焊接方式连接;所述焊接材料与所述普通刚层2强度相当,保证焊接部位强度和工程完整性。
优选地,所述混凝土层3为整体浇筑建造;所述超高强钢层1和所述普通钢层2为超高强装置装配连接件可拆卸固定连接,连接间距不大于1m,连接螺栓抗剪切应力等级不低于8.8GPa;所述超高强钢层1和所述普通钢层2预制块边缘为错位安装,错位距离不低于1m;所述的普通钢层2与混凝土层3为超高强装置装配连接件可拆卸固定连接,连接间距不大于1m,连接螺栓抗剪切应力等级不低于8.8GPa。
优选地,所述超高强装置装配连接件为等强度超高强金属螺栓和螺母;优选地,所述的金属螺栓外型为六角螺栓或内孔螺栓。
本发明的有益效果:
本发明所述超高强钢层1具有超高硬度、强度和冲击功,在撞击物撞击作用下产生超高撞击力,撞击产生的超高强度拉伸波远远大于撞击物拉伸强度,拉伸波在撞击物中传播使撞击物破碎,降低撞击物毁伤性能及弹体侵彻性能。所述普通钢层2吸收撞击能量,减小所述超高强钢层1变形损伤和剪切破坏。所述混凝土层3对所述高强钢层1和所述普通钢层2起到支撑作用,保证整体结构的稳定性。
本发明所述高强碎弹防护层中,第一层为超高强钢,用以保证遮弹层的强度,具有硬度高、抗压强度高、屈服强度高和冲击功高的特性,能够使传统动能钻地弹撞击时发生破碎,从而降低其侵彻性能。第二层为超高强钢层下方设置的普通钢层,以减少第一层厚度,并降低总体成本,其能够吸收钻地弹撞击能量,同时有效提升上层有限厚度的超高强钢抗剪切能力,相比于完全采用增加厚度的超高强钢层大幅降低成本。所述的采用超高强装置装配连接件可拆卸固定连接成整体复合结构增加防护层整体性,增加层层之间相对移动变形吸能,增加防护层的抗撞击或者侵彻爆炸性能。本发明所述超高强钢层和普通钢层采用预制方式进行建造,能够对重要工程进行抢修抢建,提高建设效率。本发明所涉第三层为混凝土层,起到重要支撑作用。相比于传统混凝土类防护层降低撞击物毁伤效果和钻地弹侵彻深度达到工程防护效果,本发明所述有限厚结构摧毁撞击物使其不侵彻,能够大幅降低遮弹层厚度,降低防护工程结构自重,降低工程设计和施工难度。同时,钻地弹在防护层外发生爆炸能够有效降低钻地弹爆炸冲击波和破片的毁伤效果,有效抑制工程主体结构震塌和破坏的形成。
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为本发明结构示意图。
附图标记:
1-超高强钢层;2-普通钢层;3-混凝土层;4-螺栓;5-螺母
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本文中提及“实施例”意味着,结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例,也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是,本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例一:
结合图1所示,进一步描述本发明:一种超高强碎弹防护层结构。
一种超高强碎弹防护层,所述超高强碎弹防护层自上而下依次为:超高强钢层1、普通钢层2和混凝土层3,并通过超高强螺栓螺母连接成整体复合结构。其中,超高强钢层1选择抗拉强度为1600MPa,屈服强度为1330MPa,伸长率为10%,断面收缩率为45%,U型缺口冲击韧性为70J/cm2,断裂韧性为105MPa/m2,通过预制化建造,单片尺寸长度为4m,宽度为4m,厚度为15cm;普通钢层2抗拉强度为600MPa,屈服强度为355MPa,伸长率为16%,断面收缩率为40%,通过预制化建造,单片尺寸长度为4m,宽度为4m,厚度为15cm;混凝土层3为钢筋混凝土,单抽抗压强度不低于40MPa;所述超高强钢层1、普通钢层2层内连接均通过预制块以同等强度焊接连接,混凝土为整体浇筑;超高强钢层1和普通钢层2层间通过超高强钢螺栓螺母连接,且间距为1m,连接螺栓抗剪切应力等级为8.8MPa;普通钢层2和混凝土钢层3为超高强钢螺栓螺母连接,且间距为1m,连接螺栓抗剪切应力等级为8.8MPa。
该超高强碎弹防护层经数值仿真试验显示,可抗2000公斤钻地弹350m/s侵彻,弹体破碎。
实施例二:
本实施例通过给出评价本发明技术效果的试验方法,得到本发明技术方案采用该试验方法所获得的试验数据。
本发明的试验数据主要包括物理试验数据和数值仿真数据。
物理试验数据结果:10cm厚超高强钢抗1000公斤钻地弹350m/s侵彻。
数值仿真试验数据结果:15cm厚超高强钢未穿透,但变形较大;10cm超高强钢+100cm混凝土被穿透;10cm超高强钢+15cm普通钢,弹体破碎。考虑到打击武器速度的增加,确定超高强钢厚度15cm,普通钢厚度15cm,混凝土按照规范最低30cm厚。
实施例三:
本实施例通过不同工况对比试验,给出筛选试验设计及对应试验数据。
表:不同工况对比试验列表
最后应说明的是:本发明实施例公开的一种超高强碎弹防护层所揭露的仅为本发明较佳实施例而已,仅用于说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解为,其依然可以对前述各项实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或替换,并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各项实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种超高强碎弹防护层,其特征在于,自上而下依次为:超高强钢层(1)、普通钢层(2)和混凝土层(3),各层之间通过超高强装置装配连接件可拆卸固定连接成整体复合结构。
2.根据权利要求1所述的超高强碎弹防护层,其特征在于,所述超高强钢层(1)厚度:普通钢层(2)厚度:混凝土层(3)钢筋直径=15~30cm:15~30cm:5~20mm。
3.根据权利要求2所述的超高强碎弹防护层,其特征在于,所述超高强钢层(1)和普通钢层(2)采用预制化建造,单片尺寸长度不低于4m,宽度不低于4m,厚度不低于15cm;在厚度方向上保持完整性;长和宽方向上,实际施工条件小于4m时,至少一边不低于4m。
4.根据权利要求1所述的超高强碎弹防护层,其特征在于,所述超高强钢层(1)抗拉强度:普通钢层(2)抗拉强度:混凝土标准试件单抽抗压强度=1600~3200MPa:600~1200MPa:40~80MPa;所述超高强钢层(1)屈服强度:普通钢层(2)屈服强度=1330~2660MPa:355~710MPa;所述超高强钢层(1)伸长率:普通钢层(2)伸长率=10%~20%:16%~32%;所述超高强钢层(1)断面收缩率:普通钢层(2)断面收缩率=45%~70%:40%~60%。
5.根据权利要求4所述的超高强碎弹防护层,其特征在于,所述超高强钢层(1),抗拉强度为1600MPa,屈服强度为1330MPa,伸长率为10%,断面收缩率为45%;所述超高强钢层(1)还包括U型缺口,所述U型缺口冲击韧性不低于70J/cm2,断裂韧性不低于105MPa/m2。
6.根据权利要求4所述的超高强碎弹防护层,其特征在于,所述普通钢层(2)的抗拉强度为600MPa,屈服强度为355MPa,伸长率为16%,断面收缩率为40%。
7.根据权利要求2或4所述的超高强碎弹防护层,其特征在于,所述混凝土层(3)为钢筋混凝土层,同批次10cm×10cm×10cm混凝土标准试件单抽抗压强度为40MPa;所述的混凝土层中钢筋直径为5mm,钢筋间距不大于15cm。
8.根据权利要求2或4所述的超高强碎弹防护层,其特征在于,所述超高强钢层(1)和预制块之间采用焊接方式连接;所述焊接材料与所述超强刚层(1)强度相当,保证焊接部位强度和工程完整性。
9.根据权利要求2或4所述的超高强碎弹防护层,其特征在于,所述普通钢层(2)预制块之间采用焊接方式连接;所述焊接材料与所述普通刚层(2)强度相当,保证焊接部位强度和工程完整性。
10.根据权利要求1~6中任意一项所述的超高强碎弹防护层,其特征在于,所述混凝土层(3)为整体浇筑建造;所述超高强钢层(1)和所述普通钢层(2)为超高强装置装配连接件可拆卸固定连接,连接间距不大于1m,连接螺栓抗剪切应力等级不低于8.8GPa;所述超高强钢层(1)和所述普通钢层(2)预制块边缘为错位安装,错位距离不低于1m;所述的普通钢层(2)与混凝土层(3)为超高强装置装配连接件可拆卸固定连接,连接间距不大于1m,连接螺栓抗剪切应力等级不低于8.8GPa。
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