LS-DYNA功能梯度防护材料抗侵彻能力分析及优化设计(2)
1.2 发展概况
1.2.1 装甲发展概况
从二次大战一直到1960年代，装甲主要以钢甲（通常是镍铬合金钢）为主。当时装甲的防护力一般以厚度来衡量，装甲越厚防护力越高。此外，其他一些因素也会影响到装甲的防护能力。如果装甲材料硬度达到一定的值，那么它将能够凭借自身的硬度破坏来袭的弹丸，从而能够更好地保护装甲；但有得有失，具备高强的硬度往往意着失去一定的韧性，面对来袭弹丸，装甲在抵挡弹丸时也会导致自身发生碎裂，无法有效的保护目标。因此装甲表面硬化技术应运而生：在二战时期，德国军队所用的IV号G型坦克就采用了表面硬化技术。装甲表面经过硬化后，布氏硬度（Brinell Hardness Number BHN）达460-520，里层硬度与德国普遍使用的其他装甲硬度差不多，在260左右。外层是高硬度的装甲，其可以使来袭弹头破碎；而里层的装甲具有一定程度的韧性，虽然硬度有点低，但能够依靠韧性承受来袭弹头的冲击力。因此，这里需要注意一个重要的条件：炮弹口径与装甲厚度的关系，即所谓的“T/D比”（Thickness/Diameter Ratio）必须达到一定值。想要破坏来袭的弹头，装甲厚度必须达到一定水平，至少达到来袭弹丸口径的五分之四才行。若装甲厚度不够，达不到预计值，那么无论表面装甲有多坚硬，都不能保证对目标的防护力：装甲有可能会被弹丸贯穿，有时还可能出现装甲完全崩坏的现象。如果目标遭到被帽穿甲弹攻击，表面硬化装甲对其的防护力却变得极其有限，甚至不如铸造装甲。这是因为有一个被帽保护着后面的弹头，使弹丸在撞击目标时散发的能量被吸收减少，从而达到穿透装甲的作战目标。这导致表面硬化技术无法发挥防护作用，硬化的装甲表面对处于甲帽保护之的弹头本体无任何阻碍作用。相反，硬化后表面由于韧性不够，易发生碎裂，从而会降低了整片装甲板的防护力。
总之，表面硬化装甲有利有弊。若整片装甲只顾重高强的硬度却忽视材料的韧性，那么防护力也无法得到保证。因此，理想的装甲必须保持硬度与韧性的平衡性，可以通过改变各种不同的合金成分（如锰、铬、钼、镍、钒等）和减少钢铁中易导致脆裂的杂质（如磷、硫等）等方法获得既有较高硬度又能保持良好韧性的装甲。但是，这类钢材成本高，难加工，无法批量生产。此外，这种钢材的厚度很难达到要求，无法保证其防护能力。
二次世界大战以后，随着破甲弹威力的不断提高，屏蔽装甲和间隙装甲相继问世。另外各国坦克上普遍安装了裙板，以防御破甲弹的攻击。
随着尾翼稳定脱壳弹逐渐成为穿甲弹的主要类型，以及反装甲弹的进一步发展，以纯粹的钢材为主的钢甲已经无法保证坦克的生存能力。因此，从60年代以来，装甲进入了复合装甲时代。60年代末，美国首先采将复合装甲技术运用到飞机、小型舰艇和轻型车辆上，后又在飞机上采用陶瓷薄复合装甲。复合装甲结构主要包括夹层结构、蜂窝结构、夹层一蜂窝结构、模块或曲面体结构。复合装甲的总体抗侵彻能力不是简单地将各层抗侵彻能力相叠加[2]。通常，作为迎弹面层材料硬度和强度是整个复合装甲结构中是最大的。例如：陶瓷一金属功能梯度复合装甲材料，陶瓷材料的硬度强度高于金属，弹性模量更好，于是陶瓷就作为迎弹面材料抵抗子弹，金属作为里面的材料．弹丸冲击陶瓷/复合材料时，弹丸首先被坚硬的陶瓷侵彻拉伸并且反射波打破承受力的陶瓷，背部复合层变形吸收弹丸的残余动能[3]。而且陶瓷具有吸能效应、磨损效应、动力学效应，对穿甲弹的防护效果要比钢好一些，抗侵彻性能更加优于一般的金属材料[4]；而金属具有韧性较高、抗拉性能好以及塑性变形能力强等特点，能够有效地吸收子弹冲击带来的能量，尽量避免装甲及防护目标的碎裂、破损，从而最大限度地提高防护力，保护目标系统．目前，越来越多的精力、财力被投入到装甲防护优化设计之中。对装甲车辆而言，复合装甲的应用不仅大大提高了装甲的防护能力，而且减小了装甲板的质量[5]。复合装甲通常是指将其它材料加入在两层钢板中，保证最外层材料硬度较高，而作为衬里的内层对于硬度要求则不高。两者之间通常会存在一个间隙，此间隙是为了配合复合材料使来袭弹丸的弹芯发生振动、干扰金属射流，从而达到防护的目的。
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