《多层非金属靶板的预测性分析终端弹道建模：开发、实验验证与不确定性量化》238页

军用地面战车需抵御战场弹道威胁。传统装甲钢显著增加载具重量，降低机动性并削弱有效载荷能力。新型材料与防护概念（即非金属装甲）的发展旨在优化防护与机动性平衡——主要通过减重实现——这类装甲同时作为载具壳体的主要结构元件。本研究通过实验与分析手段，探究高速穿甲弹冲击下多层非金属靶板的弹道响应，分析氧化铝、E玻璃纤维或碳纤维增强聚合物复合材料与铝合金板材组合的残余弹速、失效模式及能量吸收特性。结果表明：含铝夹层的陶瓷/复合靶板对12.7×99毫米APM2（硬化钢芯）与7.62×51毫米AP8（碳化钨芯）穿甲弹具有更优抗侵彻能力，且E玻璃纤维在复合背板中性能优于碳纤维。本研究结合两种文献分析模型并依据实验观察进行修正，建立基于能量的终端弹道模型，为陶瓷面板-复合背板靶标的弹道性能预测提供经济高效的现代方法。模型验证因公式错误、算法细节缺失及作者提供输入数据不足而面临挑战。已验证陶瓷板子模型，弹体与陶瓷损伤机制对弹体动能消耗贡献最大。实验与分析结果存在显著偏差，主要源于弹体与陶瓷材料性能输入值错误。通过现行侵彻模型量化并传递输入参数不确定性，评估分析结果准确性。预测显示：8毫米氧化铝/23.04毫米E玻璃复合靶板遭7.62×51毫米AP8弹体完全侵彻概率高达100%；而面密度相当的8毫米氧化铝/6.35毫米铝合金/11.52毫米E玻璃复合靶板经证实可拦截同种威胁的概率达60%。此发现凸显了运用预测性分析建模辅助装甲设计流程及制定风险知情决策的显著优势。

表.终端弹道分析模型比较

军用车辆在维和行动中具有重要作用。多数军用车辆需配备装甲防护系统，其防护类型与等级由任务需求决定。近年来特定地区恐怖主义活动加剧、政局动荡及其他地缘政治趋势引发任务需求的根本性变革。战斗用车辆设计要求抵御子弹、破片、爆炸冲击波、导弹等威胁。地面车辆装甲解决方案长期采用铝合金或钢材等金属材料应对高速弹体侵彻。现役装甲车辆为抵御战场新型威胁——尤其是更强火力直射与破片威胁——需持续提升防护性能，从而安全高效执行任务。传统装甲钢材因密度较高，会大幅增加车辆或防护装备重量，降低机动性并削弱有效载荷能力。防护需求正推动车重攀升至影响车辆运输后勤保障的程度。军事行动通常要求地面车辆具备复杂地形的高敏捷性。

车体及附加装甲通过覆盖车舱内外提升乘员生存率。轻量化装甲方案可增强车辆机动性，提升有效载荷能力或作战半径。减轻装甲车辆自重还能在保持同等防护水平的同时降低军事行动碳排放与燃油消耗。为应对轻量化材料需求增长，近年来非金属装甲技术备受关注。以聚合物基复合材料及工程陶瓷等先进材料替代厚重钢板的技术路径，正推动装甲系统轻量化发展。抵御弹道或爆炸威胁的最佳方式是设计能够通过耗散弹体动能及冲击波实现威胁拦截的防护系统。装甲材料选择需综合考量多重标准：除防护性能要求外，通常还需评估重量、厚度及成本等要素。装甲材料可划分为金属、聚合物、陶瓷及复合材料四大基础类别。复合材料凭借高强度比重特性，能以更低自重实现结构功能，成为关键材料类别。装甲车辆用复合材料需兼具结构性能与弹道防护性能。由陶瓷面层与纤维增强聚合物复合材料背板组成的装甲系统已广泛应用于抵御穿甲弹的弹道防护领域。

理解、量化及预测高速弹体与装甲系统相互作用机制对非金属防护系统设计与防护效能评估至关重要。当前抗弹道冲击结构的设计验证高度依赖昂贵实验测试，以评估弹药武器效应并改进防护性能。建模技术作为重要支柱，可在不完全替代实验的前提下降低测试成本，成为装甲系统设计、评估与性能认证的核心手段。通过失效分析与动态材料表征进行弹药目标交互识别、弹体侵彻模拟及目标防护能力评估的方法体系已形成。基于有限元法的装甲车辆设计验证通常需大量材料参数且耗时数小时，而解析模型仅需少量材料参数即可在数分钟内输出结果。因此快速解析模型更适用于装甲系统设计评估阶段及弹体效能分析。此类模型通过描述弹体与防护材料相互作用的物理机制（常基于能量守恒定律），为关键设计参数提供重要理论依据。

研究动机

荷兰通过多种途径强化北约区域东翼防区，其中举措包括提供装甲车辆。本文课题隶属荷兰国防部资助、荷兰应用科学研究组织（TNO）国防安全事业部所属爆炸、弹道与防护部门主导的研究项目。

研究问题

多层非金属靶板的设计、分析与测试对于军事地面战车实现装甲一体化设计具有关键意义——在为乘员提供战场弹道威胁防护的同时，需维持车体结构完整性并发挥其主要结构元件功能。本研究聚焦陶瓷面板粘接纤维增强聚合物复合材料背板构成的靶标体系，重点探究预测性分析建模如何支撑装甲设计并减少昂贵弹道测试。针对多层非金属装甲抗高速穿甲弹侵彻的解析建模与弹道测试存在的学术空白，现提出以下主研究问题及子问题：

主问题：应用文献中的简易解析模型预测陶瓷面板/纤维增强聚合物复合材料背板靶标抗高速刚性弹体弹道性能时存在哪些挑战？

子问题1：在陶瓷面板/复合材料背板装甲中嵌入金属夹层，其带来的防护效能提升与重量增加成本相比如何？

子问题2：物理及实验参数的预期变异性对仿真结果产生何种影响？

子问题3：为何应采用预测性建模辅助装甲设计流程以制定风险知情决策？

内容架构

绪论章节阐述研究背景、目标、动机及本论文拟解决的核心问题。第2章论述终端弹道学理论框架，解析弹道防护用非金属材料特性，并综述文献相关侵彻解析模型。第3章说明研究方法论依据，详述实验数据采集方法、本研究选用的基础解析模型及不确定性量化框架。第4章汇报力学与弹道测试实验结果，评估不同靶板构型的弹道防护与结构性能。第5章基于文献物理模型进行改进，构建陶瓷面板/纤维增强聚合物复合材料靶标抗高速刚性弹体的终端弹道预测模型，并通过实验结果对比验证模型有效性。第6章阐述统计学方法及不确定性分析结果。第7章总结全部研究结论并解答研究问题。第8章讨论本研究局限性及未来研究方向。