一套集协同变形夹具为一体的防弹装甲板装置的制作方法

本发明涉及一种防弹装甲板及其安装的结构，是一种协同复合材料层合板变形的装置。

背景技术：

自陶瓷复合装甲诞生以来，其在战争中发挥着举足轻重的作用，陶瓷复合装甲正朝着轻量化、高性能等方向发展。为了避免陶瓷复合装甲在一次射击中损坏的面积过大，提高装甲抗打击的防护能力，陶瓷层常用小尺寸陶瓷拼接而成，但是也随之带来了其他的问题。单层陶瓷拼接而成的复合装甲的缺点是其相邻陶瓷拼接界面处的防弹能力很差，是防弹的薄弱区。另外，陶瓷复合装甲的安装也是一个很重要的问题，应尽量减少安装的时间，使得更换方便。

复合材料由于其良好的防护性能、低密度等特性，现已普遍作为装甲材料的首选材料，广泛应用于武装直升机、坦克、装甲车辆、船泊等武器系统的防护领域。以陶瓷为面板和以树脂基复合材料为背板所构成的复合装甲，与传统的金属均质装甲相比是一种更为有效的轻型防护装甲，这种装甲可利用弹体侵彻各阶段特有的侵彻机理，使面板和背板材料的性能优势分别得以最大限度的发挥。其设计思想是把高强度、高硬度的面板与高韧性的背板组合在一起，前者用于提高对子弹的抵抗能力，后者用于起到支撑的作用，吸收弹丸冲击能量，缓解复合装甲动态脆性破坏。超高分子量聚乙烯(ultra-highmolecularweightpolyethylene，简称uhmwpe)纤维是继碳纤维、kevlar纤维之后的第三代高性能纤维，uhmwpe纤维具有低密度、高比模量、高比强度、良好的吸能性能等优点，并且当受到子弹的冲击时，uhmwpe展现出很大的变形，能够抓住破碎的陶瓷和子弹，这使得uhmwpe纤维在防弹领域的应用已暂露头脚。

uhmwpe纤维层合板是由uhmwpe无纬布层压而成，uhmwpe无纬布是由uhmwpe纤维粘接而成，但是由于uhmwpe的柔韧性是相对于钢、铝这种硬度很大的材料而言的，在抵抗子弹时，uhmwpe展现出的是拉伸变形。层合板主要的失效模式为背面鼓包、四边紧缩、层间脱粘和背面剥离等，并且这四种失效模式之间有着密切的关系，鼓包大的层合板四边的紧缩越严重，相应的分层和背面剥离也越明显。当超高分子量聚乙烯层合板受到其他物体的撞击时，也会出现相同的失效模式。

专利号为cn104390522a的中国专利公开了一种陶瓷错开拼接的防弹板，尽管如此，这也仅仅是减少了拼接裂缝。中国专利cn103868413a公开了一种陶瓷在前及复合材料层合板在后的防弹板，但是实际试验表明，背板的凸起鼓包变形很大，导致四周紧缩严重。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足之处，本发明提供了一种双层陶瓷层粘接复合材料背板的装甲板，不仅使得装甲板能够很好的匹配装甲车辆的防弹区域，也使得陶瓷面板没有防弹的薄弱区。协同变形夹具可随着复合材料四周紧缩变形一块变形吸能，能够提高复合装甲的吸能能力，提升复合材料背板对双层陶瓷面板的支撑作用，从而提高陶瓷复合装甲板的整体防弹性，同时此种装甲板也方便安装及更换。

本发明专利采取的技术方案为：

一套集协同变形夹具为一体的防弹装甲板装置，包括：装甲板1、协同变形夹具2、铆钉3和螺栓4。装甲板1以双层陶瓷层为面板并以复合材料为背板，包括第一层陶瓷拼接层5，第二层陶瓷拼接层6，复合材料背板为超高分子量聚乙烯层合板7，三层之间用胶粘剂胶结。其中第一层陶瓷由大正方形陶瓷、长方形陶瓷以及小正方形陶瓷拼接而成，第二层陶瓷层是由大正方形陶瓷拼接而成。装甲板1和协同变形夹具2的四边通过铆钉铆接在一起，装甲板1和夹具2通过螺栓4安装在装甲车上预留的防弹位置。

所述装甲板1为正方形或者长方形，拼接所用的小正方形陶瓷的面积是大正方形陶瓷的四分之一，长方形陶瓷的面积是大正方形陶瓷的二分之一，不同大小的陶瓷有相同的厚度。第一层陶瓷层5中大正方形陶瓷拼接在中间，四周用长方形陶瓷拼接，四个角由小正方形陶瓷拼接，这样的拼接使得拼接后第一层陶瓷层5的拼接缝隙和第二层陶瓷层6的拼接缝隙相互错开，并且两层陶瓷拼接板具有一样的尺寸。

所述uhmwpe层合板7面密度为10㎏/㎡以上，背板面积大于陶瓷面板面积；其四个角有螺栓孔，四边有铆钉孔，孔要尽量的靠近层合板的边缘，但是孔距层合板的边缘也要有足够的距离防止撕裂。

优选的，层合板每边开奇数个铆钉孔，其中一个铆钉孔在层合板中心对称轴线上，其他铆钉孔关于轴线对称分布，具体个数和直径根据装甲板的大小而定。

所述环状夹具2为薄片状，包括上盖2-1和下盖2-2，外框尺寸与层合板7相同，内框略大于陶瓷面板的尺寸，开孔的个数和大小与层合板7一样；上下盖的四边有用于弱化盖板强度的凹槽，弱化凹槽使得夹具具有协同变形的能力；下盖2-2的下表面四个直角处有用于强化四角强度的凸台；上下两个盖板夹紧层合板，其中四个角的螺栓孔用于把协同变形的夹具和装甲板固定在装甲车上，四边的铆钉孔用铆钉把夹具与背板铆接在一起，夹具上下盖的四边能跟随背板一起变形吸能。

优选的，夹具的材料为铝合金，硬度小，密度也小，用铆钉与背板紧密的结合为一体，使得上下两夹具可以和背板一同变形吸能，变形是沿两个方向的综合，第一为协同背板的四边一同向冲击点紧缩变形，第二为向子弹的冲击方向凸起变形。

所述铆钉3为定制十字对拧铆钉，由子铆钉3-1和母铆钉3-2组成，铆钉拧紧后的有效长度略小于层合板和上下两块夹具厚度的总和。

所述螺栓4为内六角螺栓，把夹具和装甲板一起固定在装甲车上。

其中协同变形夹具的厚度，具体的尺寸以及铆钉孔的数量和大小根据装甲板的大小来确定，协同变形夹具四边用于弱化的凹槽位置、大小以及数量也要根据装甲板的大小和背板的厚度来确定。

本发明提供的双层陶瓷复合装甲板，包括：装甲板1的第一层陶瓷拼接层5与第二层正方形陶瓷拼接层6互为补充，两个拼接的陶瓷层的薄弱区相互错开，而使得整个装甲板没有薄弱区；超高分子量聚乙烯背板7用来支撑双层陶瓷面板，其四边用协同变形夹具2夹紧，夹具的四边能随同背板一起发生很大的变形吸能，使得陶瓷与子弹的作用时间更长，增大装甲板的防弹能力。此外，这种陶瓷拼接的装甲板可以改变防弹面积的大小而适当的调整装甲板的大小，这种模块化的设计，在子弹射击而损坏装甲板的情况下，可以直接更换为新的装甲板，安装方便、省时。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需使用的附图简单地介绍，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双层陶瓷结构装甲板安装示意图；

图2第一层陶瓷面板拼接示意图；

图3第二次陶瓷面板拼接示意图；

图4uhmwpe背板示意图；

图5协同变形装置上盖示意图；

图6协同变形装置下盖示意图；

图7子母铆钉示意图；

图8增加铆钉数量的装甲板安装示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但是本发明并不限于以下实施例，本发明实施主要以陶瓷面板的复合装甲为例，本发明专利也适用于其他韧性复合材料层合板。

本发明提供了一种协同复合材料层合板变形的装置，其具体结构包括：装甲板、协同变形夹具、铆钉和螺栓。

提供装甲板以陶瓷面板粘接超高分子量聚乙烯层合板背板，当受到子弹冲击时，层合板主要的失效模式为背面凸起鼓包，四边由轴线处对称向内紧缩，且越靠近轴线紧缩越严重，层合板之间也出现层间分离，陶瓷面板和背板脱胶而出现缝隙。

实施例1：

本发明提供了一种协同复合材料层合板变形吸能的装置，其具体结构包括：装甲板1，环状框协同变形夹具2，铆钉3和螺栓4，装甲板安装如图1所示，此示意图的a-a剖视图拆去了紧固螺栓；其中装甲板1包括：第一层陶瓷面板5，第二层陶瓷面板6和背板超高分子量聚乙烯层合板7，此装甲板的尺寸较小，具体尺寸可根据防弹要求进行调整。

第一层陶瓷面板5由大正方形陶瓷、长方形陶瓷以及小正方形陶瓷拼接而成，小正方形陶瓷的面积是大正方形陶瓷的四分之一，长方形陶瓷的面积是大正方形陶瓷的二分之一，本实施例中选用大正方形陶瓷的长宽高为：50×50×4mm，小正方形陶瓷的长宽高为：25×25×4mm，长方形陶瓷的长宽高为：50×25×4mm；第一层陶瓷5中大正方形陶瓷拼接在中间，四周用长方形陶瓷拼接，四个角由小正方形陶瓷拼接，如图2所示，拼接后的面积为150×150mm。

第二层陶瓷面板是由大正方形陶瓷拼接而成，如图3所示，表面积为150×150mm；第一层陶瓷面板和第二层陶瓷面板拼接后的面积一样大，并且各自的拼接缝隙相互错开，消除防弹装甲板的薄弱区。

本实施例中背板的尺寸为200×200mm，厚度是双层陶瓷厚度的总和，本实施例中厚度为8mm，面密度为10㎏/㎡，背板的示意图如图4所示。装甲板是以双层陶瓷面板粘接超高分子量聚乙烯层合板背板的三层结构，双层陶瓷层的尺寸为150×150mm，总厚度为8mm，陶瓷面板的尺寸小于背板的尺寸，在背板四周多余位置的四角处钻有四个用于安装螺栓的螺栓孔；同时，由于背板的紧缩现象首先在背板的对称中心轴线发生，并且越靠近轴线紧缩越严重，所以需在背板四边的多余位置的轴线上每边钻一个铆钉孔，为了使得协同变形的夹具与背板紧密的结合在一起，使得夹具和背板一起变形，且根据装甲板的尺寸，再在轴线的对称位置钻两个铆钉孔安装铆钉；为了防止装甲板受到冲击后，螺栓孔太靠近背板的边缘而被撕裂，以及协同变形夹具在变形的过程中把铆钉孔撕裂，故螺栓孔和铆钉孔要离背板边缘有足够的距离。

协同变形夹具2是由上下两层环形框组成的，包括上盖2-1和下盖2-2，分别如图5和图6所示，外框尺寸与层合板相同，内框尺寸略大于陶瓷面板的尺寸，使得协同变形夹具有足够的安装空间，与陶瓷面板不发生干涉，开孔的个数和大小与装甲板的背板7相同；上下盖的边缘靠近直角拐角处有用于弱化盖板强度的凹槽，使得夹具的四边容易变形，在背板变形后能和其一同变形；下盖2-2的下表面四个直角处有方形凸台，来增加下盖直角处的强度，并且凸台卡在装甲车相应的位置上，以此来减轻螺栓所受的冲击力；上盖和下盖分别安装在装甲板背板的上下面上，其中四个角的螺栓孔用于把协同变形的夹具和装甲板固定在装甲车上，四边的铆钉孔用铆钉把夹具与背板铆接在一起，夹具能跟随背板一起变形吸能；由于夹具需要与背板的四个边一同变形，故夹具不应过硬，本实施例中夹具材料为铝合金，且厚度不宜过大，厚度设计为2mm。

为了使得夹具与装甲板背板固定时占用的空间小，且为了使得连接紧密，本发明中选择铆钉3连接，且为子母对拧铆钉，铆钉把上下两片夹具紧紧的与背板固定在一起；铆钉拧紧后的长度略小于层合板和上下两块夹具的总和，本实施例中长度为16mm，子母铆钉如图7所示，因为在夹具协同变形的时候，其受力不是很大，且受安装位置空间的限制，故其中母铆钉的直径为φ8mm。

所述螺栓4为内六角螺栓，这样减小了安装时螺栓占用的空间，且使得安装方便，螺栓把夹具和装甲板一起固定在装甲车上，另外根据背板多余空间的大小，本实施例中选择的螺栓型号为m10。

当装甲板受到子弹的高速冲击时，由于陶瓷面板的面积大，对背板的作用面积也大，所以背板的受力面积大；背板在冲击力的作用下开始变形，背面产生鼓包，随着鼓包的增大，四边由于纤维向中间拉伸而开始逐渐的向内紧缩，但是背板四边被铆钉与夹具铆接在一起，在协同变形夹具的作用下，有阻碍四边的向内紧缩的作用；当紧缩力进一步的增大，夹具已不足以抵抗子弹的冲击力，由于协同变形夹具四边凹槽的弱化处理，使得夹具的四边也随着背板的四边向内紧缩。此外协同变形夹具四角处有方形凸台的强化处理，使得此处的夹具不会受到较大的子弹冲击力而发生破坏，同时，凸台安装在具有对应凹槽装甲车位置上，能够减轻螺栓的受力；随着冲击的进行，背板的四边开始向子弹冲击方向发生曲翘，开始时，夹具阻碍变形的发生，但是在巨大的冲击作用下，夹具与背板一起变形。另外，由于夹具的变形，吸收子弹的部分能量，故协同变形夹具增强了装甲的防弹能力。

被子弹冲击而损坏的装甲板可以直接拆卸夹具，换下新的装甲板和协同变形夹具，具有安装便捷、省时的特点。

实施例2：

本发明提供了一种协同复合材料层合板变形吸能的装置，其具体结构包括：装甲板1，环状框协同变形夹具2，铆钉3和螺栓4，其中装甲板包括：第一层陶瓷面板5，第二层陶瓷面板6和背板超高分子量聚乙烯层合板7，但是相对于实施例1，实施例2中装甲板尺寸增大了；装甲板受到冲击后，层合板会发生背面鼓包，四边紧缩，层间分离等失效现象，由于此时的层合板较厚，故背面层间分离会变得更加严重。

尺寸增大和厚度增厚的装甲板，其中陶瓷面板的总体尺寸为250×250×12mm，所用的拼接陶瓷同实施例1一样，层合板的面积为300×300mm，厚度为12mm，此时增大层合板的尺寸和厚度，故其所能承受的冲击力也相应的增大，用于固定在装甲车上的螺栓直径也需增大才能综合提高防弹性能，故层合板的螺栓孔也要增大，本实施例中设计螺栓孔的直径为φ14mm。

所述层合板尺寸的增大，其四边的紧缩长度范围也增大了，故要使得协同变形的夹具能够和层合板一起变形，要么增加铆钉的数量，要么增大铆钉的直径，或两种情况同时存在。本实施例2中为增加铆钉的数量，其他情况同实施例2一样。

所述协同变形夹具，其外框尺寸也相应的增大到与背板的尺寸一样为300×300mm，内框的尺寸也相应的增大；此外，由于此时的冲击力大，层合板的变形也大，故夹具的上盖和下盖厚度也需相应的变厚才能吸收更多的能量，本实施例中设计为3mm，外框的尺寸与层合板相同，其螺栓孔和铆钉孔的位置和大小与层合板上一致。

协同变形夹具上下盖厚度的增加使得夹具的变形更加的不易控制，同时夹具要想能够随复合装甲背板一起协同变形，上下盖上的凹槽的位置和数量也要做相应的改变，本实施例中通过改变凹槽的数量来使得上下盖的四边也能从中间向四周紧缩，在上下盖的四边都增加两个凹槽来进一步对夹具的四边进行弱化处理，凹槽分布在四边中间孔的对称两侧，如图8所示。

所述铆钉为子母对拧铆钉，母铆钉的直径为φ8mm，相邻的铆钉孔的间距不变，安装铆钉的个数变多了，由于层合板和夹具厚度的增加，铆钉拧紧后的有效长度增加到24mm。由于铆钉的数量的增多，使得整个铆钉的夹紧力变大，在层合板变形的过程中，协同变形夹具能很好地与层合板贴合在一起，阻碍层合板的变形；同时，由于协同变形厚度的增加，层合板需要对夹具施加更大的拉力才能使得夹具变形，故协同变形夹具能有效减小层合板的变形，其在变形同样的情况下，较厚的协同变形夹具能够吸收更多的能量，也能够更好的防住子弹的冲击。

所述螺栓为内六角螺栓，螺栓的型号为m12，其能够对夹具和层合板施加更大的夹紧力，使其不至于由于冲击力的增大而撕裂螺栓孔，实施例2的安装示意图如图8所示，此示意图的a-a剖视图拆去了紧固螺栓。