基于乘员毁伤防护的金属点阵梯度复合材料军车防雷装甲研究

Battlefield survivability of military wheeled tactical vehicles (referred to as "military vehicles") as victims of landmines or the improvised explosive devices (IED) attacks is directly related to the vehicle occupants and military equipment safety, and it will also affect established tactical missions. Enhancing the anti-mine protection capacity of our military vehicles through independent research and development as soon as possible is of great significance to reduce casualties and to protect the operational capability of our army and so as to national defense and security. The core aim of this project is to improve the vehicles' occupant damage protection capability subjected to landmine blast wave and fragments penetration coupling loads. Experimental tests, theoretical analyses combined with numerical simulations, together with the integration of functionally graded material (FGM) design and advanced composite structural design, are used in the design optimization of the innovative anti-mine armor for military vehicles. This armor with metal lattice material core has excellent impact energy absorption characteristics and anti-fragment penetrating capability. This work and its application can provide new ideas and theoretical basis for the lightweight design of vehicle anti-mine armor, and are expected to effectively enhance the anti-mine capability of China-made military vehicles, while promoting the application of new functional materials such as the composite metal lattice in the field of explosion safety and protection.

军用轮式战术车辆（简称"军车"）在遭受地雷或临时爆炸装置（IED）攻击时的战场生存能力直接关系到车内乘员和军事设备安全，影响到既定战术任务。通过自主研发尽快提升我国军车的地雷防护能力，对于减少人员伤亡，保障部队作战能力，具有国防安全层面的重要意义。本项目以提高地雷爆轰波和破片侵彻载荷耦合作用下的车内乘员毁伤防护能力为核心目标，通过实验测试、理论分析，结合数值模拟，将功能梯度材料设计与先进复合结构设计相融合，开展以金属点阵材料为核心，具备优良的抗爆特性与抗破片侵彻能力的军车新型防雷装甲设计优化研究。此项研究及其成果应用，可为军车防雷装甲及其轻量化设计提供新思路和理论依据，可望有效提升国产军车的防雷水平，同时推动以金属点阵复合材料为代表的新型功能材料在爆炸安全防护领域的应用。

本项目以提高军车在地雷和临时爆炸装置（IED）攻击下的乘员安全防护水平为目标，开展了新型夹层装甲性能分析、结构设计优化及应用研究。主要工作包括两方面：1.新型夹芯装甲结构抗爆抗侵彻性能实验、仿真与设计优化；2. 以乘员毁伤为核心的新型军车夹芯防雷装甲防护性能研究。主要研究内容、研究结果和关键数据包括：① 梁单元简化模型能较好仿真爆炸载荷下的点阵材料夹芯结构动态响应，在一定载荷范围内可替代实体模型，极大提高计算效率，为设计优化提供便利。② 以面比吸能和背板变形量为指标，一定载荷范围内Kagome点阵夹芯板的抗爆性能明显优于Pyramid点阵夹芯板；关键几何参数对夹芯板抗爆性能影响很大且呈非线性。③以关键结构尺寸为变量，以MaxD和ASEA为目标，基于响应面模型可实现夹芯板抗爆性多目标优化，得到Pareto最优解集，为夹层防爆结构设计提供基础；通过设定不同爆炸载荷概率，利用加权方法可实现抗爆性能可靠性优化。④点阵芯体的特殊性导致弹丸不同入射位置下结构的变形模型完全不同；弹道极限取决于结构中最“弱”的位置（最少阻碍的入射方向）；最弱位置则取决于弹体大小、芯体疏密程度等。⑤实验和仿真均表明，具有特殊构型的蜂窝夹层结构在爆炸载荷下呈现“集聚效应”与“鼓胀效应”，其与传统单层金属防护结构的有效组合可有效提升近场爆炸防护性能，同时实现结构轻量化。⑥ 建立了地雷-车体-假人高精度联合仿真模型，对典型地雷爆炸载荷下的车体及乘员毁伤进行了定量分析，为防雷装甲设计提供了目标依据。⑦仿真研究了弹丸侵彻双箭头蜂窝夹层式装甲、多材料复合装甲及织物防护材料；完成了双箭头蜂窝夹层装甲宏观和细观参数分析及多尺度优化，为军车装甲的弹道与地雷破片防护设计提供支持。共发表学术论文9篇，其中国际期刊5篇，SCI检索4篇，EI检索7篇；申请发明专利7项，授权2项；获省市级学术成果奖励3项。已毕业硕士生6人，在读博士生2人，硕士生5人。