多層異質(zhì)陶瓷復(fù)合靶板抗侵徹試驗(yàn)及數(shù)值模擬

高 華，熊 超，殷軍輝，鄧輝詠，王緒財(cái)

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003；2.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第53研究所，山東 濟(jì)南 250031)

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)條件下反裝甲武器毀傷效能提高，對(duì)裝甲防護(hù)裝備的“機(jī)動(dòng)性”與“防護(hù)性”要求越來(lái)越高，而多層異質(zhì)復(fù)合裝甲可實(shí)現(xiàn)組元材料優(yōu)點(diǎn)的集成，對(duì)多層異質(zhì)靶板的研究具有重要意義。

陶瓷因其高強(qiáng)度和低密度的特點(diǎn)在防護(hù)中得到廣泛應(yīng)用[1-3]，由于陶瓷材料易脆，因此通過(guò)與其他材料復(fù)合提高裝甲強(qiáng)度和韌性。關(guān)于陶瓷復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)，研究人員主要研究復(fù)合靶抗彈性能及其抗彈機(jī)理[4-5]；通過(guò)數(shù)值模擬分析侵徹過(guò)程，研究彈靶材料變形過(guò)程[6]；建立理論模型，研究彈靶材料參數(shù)與抗彈性能關(guān)系[7-8]。王長(zhǎng)利等[9]用爆炸成型彈對(duì)陶瓷裝甲進(jìn)行穿深試驗(yàn)，得到3種裝甲在3 km/s速度侵徹下質(zhì)量防護(hù)系數(shù)和差分防護(hù)因子；張雁思等[10]通過(guò)數(shù)值仿真研究復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)層間位置對(duì)抗破片侵徹性能的影響以及陶瓷板與玻纖厚度比值與抗侵徹性能關(guān)系；李金柱等[11]基于考慮損傷的金屬空腔膨脹理論和陶瓷空腔膨脹理論，研究陶瓷復(fù)合靶抗侵徹性能。

以上研究主要集中在兩層結(jié)構(gòu)復(fù)合的靶板研究，而對(duì)于3層及以上多層異質(zhì)靶板結(jié)構(gòu)，有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)十分缺乏，而且由于包含特性各異的多種材料，導(dǎo)致對(duì)其抗侵徹特性分析十分復(fù)雜。筆者進(jìn)行了4種結(jié)構(gòu)復(fù)合靶板試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，得到了芳綸及裝甲鋼的不同排布方式以及泡沫鋁夾芯對(duì)防護(hù)性能影響規(guī)律，為裝甲輕量化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 侵徹試驗(yàn)及結(jié)果

1.1 侵徹試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為測(cè)試靶板不同結(jié)構(gòu)形式及有無(wú)泡沫鋁夾芯對(duì)抗彈性能影響，設(shè)計(jì)4種不同結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)Ⅰ，10 mm氧化鋁陶瓷+10 mm芳綸板+6 mm 616裝甲鋼；結(jié)構(gòu)Ⅱ，10 mm氧化鋁陶瓷+6 mm 616裝甲鋼+10 mm芳綸板；結(jié)構(gòu)Ⅲ，10 mm氧化鋁陶瓷+10 mm芳綸板+30 mm泡沫鋁+6 mm 616裝甲鋼；結(jié)構(gòu)Ⅳ，10 mm氧化鋁陶瓷+6 mm 616裝甲鋼+30 mm泡沫鋁+10 mm芳綸板。靶板尺寸150 mm×150 mm.

依據(jù)DOP(depth-of-penetration)實(shí)驗(yàn)方法，每種結(jié)構(gòu)進(jìn)行3次有效射擊，計(jì)算其防護(hù)系數(shù)，參照靶為45 mm 603裝甲鋼。試驗(yàn)用槍為14.5 mm彈道槍，槍口到靶板距離10 m。采用14.5 mm穿甲彈，簡(jiǎn)化模型如圖1所示。采用紅外光幕測(cè)速靶系統(tǒng)對(duì)入射彈丸速度進(jìn)行測(cè)試，靶板固定狀態(tài)及示意圖如圖2所示，以結(jié)構(gòu)Ⅰ為例說(shuō)明。

首先進(jìn)行參照靶彈道試驗(yàn)，得出相應(yīng)參考侵徹穿深Pref；然后進(jìn)行由試驗(yàn)靶板/參照靶組成的復(fù)合靶彈道試驗(yàn)，得出射彈在參照靶中剩余侵徹深度Pres以及試驗(yàn)靶板的穿深δ1；最后通過(guò)測(cè)得數(shù)據(jù)計(jì)算靶板防護(hù)系數(shù)。靶板防護(hù)系數(shù)fm計(jì)算公式為

(1)

式中：ρ1為復(fù)合裝甲密度；ρref為參照靶密度。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

表1 靶板侵徹測(cè)試結(jié)果

由表1可知，對(duì)于初速約1 010 m/s的14.5 mm穿甲彈，以參照板剩余穿深作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，防護(hù)性能:結(jié)構(gòu)Ⅰ>結(jié)構(gòu)Ⅲ>結(jié)構(gòu)Ⅱ>結(jié)構(gòu)Ⅳ，以等效質(zhì)量防護(hù)系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，防護(hù)性能:結(jié)構(gòu)Ⅰ>結(jié)構(gòu)Ⅱ>結(jié)構(gòu)Ⅲ>結(jié)構(gòu)Ⅳ。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

2.1 陶瓷板破壞形貌分析

圖3為結(jié)構(gòu)Ⅰ～Ⅳ陶瓷板破壞形貌，可知，彈丸貫穿陶瓷面板破壞模式基本相同，為典型脆性破碎。陶瓷板波阻抗高于裝甲鋼和芳綸[12]，由陶瓷至背板呈現(xiàn)由高到低波阻抗匹配特征，彈體沖擊應(yīng)力波在陶瓷背板形成反射拉伸波，陶瓷材料抗拉性能低于抗壓性能，導(dǎo)致陶瓷面板產(chǎn)生崩落破壞。4種結(jié)構(gòu)中，陶瓷面板完好程度:結(jié)構(gòu)Ⅲ>結(jié)構(gòu)Ⅳ>結(jié)構(gòu)Ⅰ>結(jié)構(gòu)Ⅱ。

從圖3中的對(duì)比可知，芳綸作為陶瓷支撐板優(yōu)于裝甲鋼作為支撐板；泡沫鋁夾芯的加入有助于提高陶瓷面板完整程度。分析認(rèn)為芳綸和泡沫鋁均為低阻抗材料，其作為陶瓷背板，具有良好吸波能力和緩沖吸能效果，有助于減小彈丸侵徹復(fù)合靶產(chǎn)生應(yīng)力波對(duì)陶瓷板損傷。

2.2 芳綸板破壞形貌分析

圖4給出了不同結(jié)構(gòu)芳綸板破壞形貌。結(jié)構(gòu)Ⅰ從迎彈面看，侵徹區(qū)斷裂纖維反向回彈，有大量纖維外翻現(xiàn)象。從背彈面可以看出由受沖擊面至沖擊背面呈喇叭形放大，這是由于纖維復(fù)合材料在彈體高速撞擊作用下正面發(fā)生壓縮和剪切破壞，剪切波具有橫向傳播效應(yīng)，因而在芳綸板背面形成喇叭形放大變形錐。結(jié)構(gòu)Ⅱ中芳綸破壞模式主要為纖維剪斷失效，形成直徑為21.4 mm彈孔，侵徹區(qū)以外幾乎沒(méi)有變形。結(jié)構(gòu)Ⅱ芳綸位于616裝甲鋼之后，其剛度、強(qiáng)度較低，不足以為裝甲鋼變形提供支撐，彈丸侵徹裝甲鋼時(shí)，彈丸和裝甲鋼形成組合彈體，對(duì)芳綸產(chǎn)生剪切破壞，不利于芳綸變形吸能。結(jié)構(gòu)Ⅲ中芳綸呈“十字正交形”破壞，泡沫鋁夾芯強(qiáng)度和剛度較低，在彈丸侵徹芳綸時(shí)缺乏對(duì)芳綸板背彈面約束作用，有纖維外翻現(xiàn)象，但變形程度明顯低于結(jié)構(gòu)Ⅰ中纖維材料。結(jié)構(gòu)Ⅳ中芳綸同結(jié)構(gòu)Ⅱ芳綸破壞形貌基本相同，彈孔直徑為18.3 mm，小于結(jié)構(gòu)Ⅱ。

從圖4可知，芳綸板后置泡沫鋁，纖維破壞程度以及變形區(qū)域減小，不利于纖維材料變形吸能；芳綸板置于裝甲鋼之前產(chǎn)生纖維拉伸斷裂，更有利于纖維材料變形吸能。

2.3 裝甲鋼破壞形貌分析

圖5為4種結(jié)構(gòu)中616裝甲鋼破壞形貌，結(jié)構(gòu)Ⅰ、Ⅲ裝甲鋼破壞形貌相似，彈丸貫穿芳綸板后，繼續(xù)侵徹?cái)D鑿裝甲鋼背板，裝甲鋼均處于穿透臨界，背彈面彈道位置形成局部隆起變形，結(jié)構(gòu)Ⅰ隆起變形產(chǎn)生撓度明顯低于結(jié)構(gòu)Ⅲ，說(shuō)明30 mm泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)降低了復(fù)合裝甲防護(hù)性能。結(jié)構(gòu)Ⅱ、Ⅳ裝甲鋼破壞形貌具有相同特征，迎彈面可觀察到剪切擠鑿破壞，背彈面具有沖塞破壞和花瓣形破壞雙重特征。結(jié)構(gòu)Ⅱ、Ⅳ背板分別為芳綸和泡沫鋁，其剛度和強(qiáng)度不足以為裝甲鋼變形提供支撐，導(dǎo)致彈丸推動(dòng)靶板向前運(yùn)動(dòng)變形時(shí)產(chǎn)生彎矩，在侵徹區(qū)形成徑向和環(huán)向拉伸應(yīng)力，當(dāng)達(dá)到裝甲鋼拉伸強(qiáng)度，侵徹區(qū)產(chǎn)生花瓣?duì)盍鸭y。

結(jié)構(gòu)Ⅰ與Ⅲ以及結(jié)構(gòu)Ⅱ與Ⅳ中裝甲鋼破壞形貌對(duì)比可知，泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)并未改變裝甲鋼破壞模式。結(jié)構(gòu)Ⅰ與Ⅱ以及結(jié)構(gòu)Ⅲ與Ⅳ中纖維破壞形貌相比可知，復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)不同影響裝甲鋼破壞模式，裝甲鋼后置于芳綸板，其破壞以剪切擠鑿破壞為主，裝甲鋼前置于芳綸板，其破壞以充塞和花瓣形破壞為主。

2.4 泡沫鋁破壞形貌分析

圖6為結(jié)構(gòu)Ⅲ、Ⅳ泡沫鋁破壞形貌，結(jié)構(gòu)Ⅲ泡沫鋁侵徹區(qū)域最大彈孔直徑57 mm，明顯大于彈丸直徑，且產(chǎn)生崩裂破碎，相較于結(jié)構(gòu)Ⅲ，結(jié)構(gòu)Ⅳ泡沫鋁最大彈孔直徑35 mm，彈孔由迎彈面至背彈面呈錐形分布，二者破壞形貌差異是由于結(jié)構(gòu)Ⅲ中彈丸侵徹芳綸板產(chǎn)生“十字正交形”破壞，泡沫鋁隨芳綸產(chǎn)生大面積變形，結(jié)構(gòu)Ⅳ中裝甲鋼位于泡沫鋁之前，彈丸侵徹裝甲鋼產(chǎn)生碟形區(qū)面積小，泡沫鋁的承載區(qū)域主要為碟形區(qū)，因而破壞面積小。兩種結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)Ⅲ泡沫鋁承載面積大，有助于消耗彈丸動(dòng)能。

通過(guò)4種結(jié)構(gòu)不同材料破壞形貌差異可知，對(duì)于初速約1 010 m/s的14.5 mm穿甲彈，結(jié)構(gòu)Ⅰ更有利于發(fā)揮多種材料性能，提高防護(hù)能力，相較于結(jié)構(gòu)Ⅰ，含泡沫鋁夾芯的結(jié)構(gòu)Ⅲ防護(hù)性能有所降低，但陶瓷面板損傷面積減小，有助于提升裝甲抗多次打擊能力。

3 數(shù)值模擬

泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)有助于提升裝甲抗多次打擊能力，通過(guò)數(shù)值模擬手段進(jìn)一步分析泡沫鋁板厚度對(duì)復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)抗侵徹性能的影響具有重要意義。

3.1 仿真模型

采用有限元軟件LS-DYNA，對(duì)彈丸侵徹復(fù)合靶進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，由于侵徹是軸對(duì)稱的，建立1/4對(duì)稱模型，在對(duì)稱面及周邊施加位移約束；彈丸與靶板以及靶板間均使用面-面侵蝕接觸算法；采用六面體網(wǎng)格，彈體頭部網(wǎng)格劃分密集，彈桿部位相對(duì)稀疏，靶板網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，以結(jié)構(gòu)Ⅰ為例劃分網(wǎng)格后彈體和靶板單元如圖7所示。

彈體模型未考慮實(shí)際彈丸表面的覆銅層。彈丸、616以及603裝甲鋼采用Johnson-Cook模型，芳綸采用Solid-Composite-Failure-Solid-Mode模型，陶瓷采用JH-2模型，相應(yīng)的材料參數(shù)如表2～4所示[6,10]，泡沫鋁采用CRUSHABLE-FOAM模型，泡沫鋁密度為0.5 g/cm3，彈性模量為366 MPa，失效應(yīng)變?yōu)?.5，表中各符號(hào)均為L(zhǎng)S-DYNA材料模型特定參數(shù)符號(hào)。

表2 彈頭、616裝甲鋼以及603裝甲鋼材料模型參數(shù)

表3 陶瓷材料模型參數(shù)

表4 芳綸材料模型參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬驗(yàn)證

對(duì)4種結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合靶板進(jìn)行數(shù)值仿真，仿真結(jié)果如圖8所示，具體如表5所示。

表5 數(shù)值仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

結(jié)構(gòu)仿真總穿深/mm實(shí)際總穿深/mm誤差/%結(jié)構(gòu)Ⅰ26.5026.340.60結(jié)構(gòu)Ⅱ29.0028.143.05結(jié)構(gòu)Ⅲ57.2456.920.56結(jié)構(gòu)Ⅳ58.8558.390.79

3.3 泡沫鋁厚度分析

為進(jìn)一步分析泡沫鋁厚度對(duì)復(fù)合靶防護(hù)性能影響，陶瓷/芳綸/泡沫鋁/裝甲鋼的結(jié)構(gòu)不變，陶瓷厚度10 mm，芳綸厚度10 mm，裝甲鋼厚度6 mm，設(shè)置泡沫鋁厚度h分別為2、5、10、20、30 mm，彈丸初速1 017 m/s，利用上述材料模型對(duì)彈丸侵徹復(fù)合靶進(jìn)行數(shù)值模擬得到彈丸剩余速度，圖9為不同泡沫鋁厚度下彈丸速度時(shí)程曲線。

可知，彈丸在0—0.012 ms侵徹陶瓷板，速度降低緩慢，陶瓷板通過(guò)侵蝕彈體減少?gòu)椡鑴?dòng)能；彈丸在0.012—0.03 ms侵徹芳綸板，速度下降加快；彈丸侵徹泡沫鋁過(guò)程中彈丸速度基本不變，隨泡沫鋁厚度增加，彈丸侵徹泡沫鋁層耗時(shí)越長(zhǎng)；彈丸侵徹裝甲鋼速度下降最快。分析表明，泡沫鋁厚度由30 mm降至10 mm，彈丸剩余速度降低，復(fù)合靶板防護(hù)性能升高，說(shuō)明泡沫鋁不宜過(guò)厚，泡沫鋁厚度由10 mm降至2 mm，裝甲防護(hù)性能下降，泡沫鋁板厚度h不同的多層異質(zhì)靶板防護(hù)性能由高至低依次為：10、20、5、2、30 mm，即泡沫鋁5種厚度中h為10 mm時(shí)防護(hù)性能最優(yōu)。

4 結(jié)論

利用初速約為1 010 m/s的14.5 mm穿甲彈對(duì)復(fù)合靶進(jìn)行了侵徹試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值仿真，主要結(jié)論如下：

1)4種復(fù)合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)Ⅰ(10 mm陶瓷+10 mm芳綸+6 mm 616裝甲鋼防)護(hù)性能最優(yōu)，結(jié)構(gòu)Ⅲ(10 mm陶瓷+10 mm芳綸+30 mm泡沫鋁+6 mm 616裝甲鋼)的陶瓷面板損傷面積最小。

2)芳綸和泡沫鋁為低阻抗材料，具有良好吸波能力和緩沖吸能效果，有助于減小彈丸侵徹復(fù)合靶產(chǎn)生的應(yīng)力波對(duì)陶瓷板損傷，提高復(fù)合裝甲抗多次打擊能力。

3)616裝甲鋼在前，芳綸板在后時(shí)，芳綸難以為裝甲鋼變形提供足夠支撐，彈丸侵徹阻力減?。环粗?，裝甲鋼能為芳綸板提供支撐，增加彈丸侵徹阻力，有助于提高靶板防護(hù)性能。

4)泡沫鋁厚度不同的陶瓷復(fù)合裝甲防護(hù)性能由高至低依次為：h=10、20、5、2、30 mm，5種厚度中h為10 mm防護(hù)性能最優(yōu)。