合金钢板与纤维板的无间隔层合成复合结构优化方案

已有试验结果表明，纤维增强复合材料板与合金钢板无间隙层合条件下，合金钢板背部的纤维增强复合材料阻碍了合金钢板的背凸和冲塞块的形成，破片必须侵彻磨透合金钢板后，才能对纤维材料板进行侵彻，侵彻机理不同于合金钢板与纤维材料板有间隔组合复合结构的侵彻。

在破片对整个复合结构的侵彻过程中，前置合金钢板在阻止破片侵入的同时，改变了破片的形状，增加了破片的横截面积，可为后续纤维材料板的抗破片侵彻提供有益帮助；后置纤维板阻止了合金钢板的弯曲变形，对合金钢板的抗破片侵彻也提供了有益帮助。因此，前置合金钢板和后置纤维材料板互为支撑，提高了整个复合结构的抗破片侵彻能力。根据上述特点描述，典型高强度低合金钢与纤维材料板无间隔层合复合结构的优化设计方法不能将合金钢板和纤维增强复合材料独立对待进行分析，而应将其作为一个整体，提出其抗破片侵彻能力的分析方法。因此，可在特定破片质量条件下，建立破片弹道极限速度与合金钢板、纤维材料板厚度函数关系式，通过该关系式，根据所需防御破片的速度特征，反过来进行复合结构的优化设计。

根据第4章的试验和数值仿真研究成果可见，对于在一定厚度范围内的后置纤维材料板组成的复合结构，在不同厚度合金钢条件下，确定质量破片对复合结构弹道极限速度随纤维材料板厚度的增加而线性提高，且变化曲线的斜率基本一致。因此，结合特定质量破片对合金钢板和复合结构的侵彻分析，可推测：特定结构（即长径比确定）破片对一定厚度合金钢和纤维材料无间隔层合复合结构的弹道极限分别随合金钢和纤维材料板厚度的增加而呈线性提高，即获得关系式（5.1）：

式中，v50为弹道极限速度，m/s；LP为破片的长度，mm；HS为钢板的厚度，mm；Hf为纤维材料板的厚度，mm；A、B、C为拟合系数，可由试验或数值仿真获得。

钢/纤维复合结构靶体面密度为：

式中，SAD为复合结构的面密度，kg/m2；ρS为典型高强度低合金钢的密度，g/cm3；ρF为纤维材料板的密度，g/cm3。(www.xing528.com)

若确定破片结构和撞击速度，可由式（5.1）获得HS与Hf的函数关系HS＝f（Hf）或Hf＝f（HS），代入复合结构靶体面密度的计算式（5.2）中，便可获得对确定质量破片（即给定LP值），以特定速度（即给定v50值）撞击侵彻实施有效防护的复合结构面密度与HS或Hf的函数关系式SAD＝f（HS）或SAD＝f（Hf），见式（5.3）：

为了获得最小面密度，将式（5.3）对HS求导，可得

为了获得最小面密度，将式（5.3）对HS求导，可得

由式（5.3）和式（5.4）可以看出，最小面密度SAD为合金钢靶板厚度HS的单调函数，根据边界条件可以求得最小面密度SAD和合金钢板厚度HS，再根据HS与Hf的函数关系式（5.2）获得纤维材料板厚度Hf。

由式（5.3）和式（5.4）可以看出，最小面密度SAD为合金钢靶板厚度HS的单调函数，根据边界条件可以求得最小面密度SAD和合金钢板厚度HS，再根据HS与Hf的函数关系式（5.2）获得纤维材料板厚度Hf。