復(fù)合靶板抗侵徹能力數(shù)值仿真研究

馬 陽，梁振剛，王 健

(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽 110159)

穿甲彈的侵徹能力隨著材料技術(shù)的發(fā)展不斷提高，對(duì)裝甲車輛的生存造成嚴(yán)重威脅[1]。為提高裝甲車輛的防護(hù)能力，在其表面披掛復(fù)合裝甲。目前常用的復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)有雙層復(fù)合裝甲和多層復(fù)合裝甲。多層復(fù)合靶板由于質(zhì)量輕、抗擊打能力強(qiáng)、沖擊韌性高等優(yōu)點(diǎn)被大量應(yīng)用于坦克和裝甲車輛。劉潤華等[2]對(duì)雙層復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的理論研究、試驗(yàn)和優(yōu)化，證明無間隔復(fù)合靶板的抗侵徹能力比有間隔復(fù)合靶板好。周楠等[3]使用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究不同組合形式的復(fù)合靶板抗侵徹性能，證明在靶板總厚度一定的情況下，三層復(fù)合靶板的抗侵徹性能優(yōu)于雙層復(fù)合靶板。

常見的三層復(fù)合靶板前層面板材料為陶瓷，背板材料為金屬材料，中間夾層材料常用低密度的纖維復(fù)合材料[4]。焦志剛等[5]用數(shù)值仿真軟件研究不同材料組合復(fù)合靶板的抗侵徹性能，發(fā)現(xiàn)同等厚度條件下，SiC陶瓷-玻璃纖維-裝甲鋼復(fù)合靶板的防護(hù)系數(shù)較高。李樹濤等[6]以實(shí)驗(yàn)方法研究復(fù)合裝甲抗沖擊性能，證明復(fù)合裝甲中的纖維層能有效提高復(fù)合裝甲的抗沖擊性能。Song F等[7]以實(shí)驗(yàn)方法研究復(fù)合靶板中陶瓷的作用，證明陶瓷在復(fù)合靶板抗侵徹過程中起核心作用，且只有在背板RHA鋼的支撐下才能發(fā)揮作用。Wu G等[8]使用有限元仿真軟件研究不同厚度復(fù)合裝甲的抗彈性能，證明改變復(fù)合靶板中各層材料厚度，會(huì)對(duì)復(fù)合靶板的抗彈性能有很大影響。

本文基于文獻(xiàn)[9]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)桿式穿甲彈垂直侵徹半無限靶的理論，采用數(shù)值模擬的方法，在有限元仿真軟件中建立25mm桿式穿甲彈侵徹三層復(fù)合靶板的有限元模型，研究RHA鋼、SiC陶瓷和玻璃纖維材料及其厚度比例對(duì)復(fù)合靶板抗侵徹能力的影響，為裝甲靶板設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型建立

1.1 材料模型

復(fù)合靶板面板SiC陶瓷材料采用有限元仿真軟件中的JH2本構(gòu)模型，其狀態(tài)方程為

p0=K1μ+K2μ2+K3μ3

(1)

式中：K1為陶瓷的體積模量；K2、K3為陶瓷常數(shù)；p0為靜水壓力；μ為體應(yīng)變。陶瓷的主要材料參數(shù)如表1所示，其中ρ為密度；G為剪切模量；A為無損標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度參數(shù)；B為斷裂標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度參數(shù)。

表1 陶瓷的主要材料參數(shù)

靶板夾層材料玻璃纖維、背板材料RHA鋼和穿甲彈材料鎢合金均采用在超高速撞擊數(shù)值模擬分析中常用的Shock狀態(tài)方程，即

(2)

式中：P為材料壓力；ρ0為初始密度；c0、s為材料參數(shù)；γ0為Mie-Gruneisen系數(shù)。玻璃纖維材料模型參數(shù)如表2所示，其中σs為屈服強(qiáng)度。RHA鋼和鎢合金的主要材料參數(shù)如表3所示，其中c為應(yīng)變率相關(guān)系數(shù)。RHA鋼和鎢合金的失效模型為Plastic Strain模型，強(qiáng)度模型分別為Piecewise JC和Johnson-Cook模型。

表2 玻璃纖維材料參數(shù)

表3 RHA鋼和鎢合金的主要材料參數(shù)

1.2 模型驗(yàn)證

文獻(xiàn)[9]實(shí)驗(yàn)中彈靶結(jié)構(gòu)如圖1所示。穿甲彈脫殼后的合金桿直徑為25mm、長度為121mm，材料為鎢合金。復(fù)合靶板厚160mm、寬800mm。復(fù)合靶板由三部分組成，前層面板材料為SiC陶瓷，中間夾層材料為玻璃纖維，后層背板材料為RHA鋼，各層厚度依次為72mm、35mm和50mm。靶板表面覆蓋一層3mm的薄鐵板。

圖1 彈靶結(jié)構(gòu)

為觀察彈體侵徹靶板的過程，并提高計(jì)算效率，仿真采用二維二分之一對(duì)稱模型。添加彈靶在垂直于對(duì)稱面方向上的位移及轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的邊界條件，其余邊界按無反射邊界處理。整個(gè)模型均使用拉格朗日算法，單個(gè)網(wǎng)格的尺寸為0.5mm×0.5mm，網(wǎng)格數(shù)262050個(gè)，采用幾何應(yīng)變控制網(wǎng)格的失效，即當(dāng)網(wǎng)格應(yīng)變達(dá)到侵蝕臨界值時(shí)，此網(wǎng)格就會(huì)被刪除。經(jīng)調(diào)整，網(wǎng)格尺寸可使數(shù)值計(jì)算收斂于合理結(jié)果。

仿真計(jì)算結(jié)果顯示，彈丸的侵徹深度為146.26mm，復(fù)合靶板中的RHA鋼背板未被穿透。實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9]中彈丸侵徹深度為142.5mm，仿真結(jié)果相比實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差為2.6%，模型具有較高的可信性，可以用于穿甲彈侵徹復(fù)合靶板的仿真研究。

1.3 方案設(shè)計(jì)

一般桿式穿甲彈用于直瞄射擊，其著靶速度略低于初速，桿式穿甲彈初速通常在1500m/s左右[10]，經(jīng)過在空中的速度衰減，著靶速度約在1200m/s，故仿真時(shí)著速取1200m/s。

在實(shí)驗(yàn)仿真模型的基礎(chǔ)上，建立彈丸以1200m/s的速度侵徹不同厚度SiC陶瓷-玻璃纖維-RHA鋼三層復(fù)合靶板的模型，設(shè)計(jì)不同的復(fù)合靶板各層厚度及靶板總厚度方案如表4所示。

表4 靶板各層厚度及靶板總厚度 mm

依據(jù)以下兩種思路進(jìn)行方案設(shè)計(jì)：(1)只增加復(fù)合靶板中某一層的厚度，觀察材料厚度變化對(duì)復(fù)合靶板抗侵徹性能的影響(如方案1～10只增加背板的厚度，方案11～14只增加面板的厚度，方案15～18只增加夾層的厚度)；(2)通過調(diào)整面板和夾層的厚度，觀察面板和夾層厚度匹配對(duì)復(fù)合靶板抗侵徹性能的影響(如方案11與方案15，其靶板總厚度及背板厚度相同，面板和夾層厚度比分別為1∶5和5∶1)。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 RHA鋼厚度對(duì)復(fù)合靶板抗侵徹能力的影響

穿甲彈在侵徹復(fù)合靶板的過程中，彈體長度逐漸變短、速度逐漸降低[11]，方案1～7中彈丸侵徹后存在剩余速度，方案8～10穿甲彈未能穿透靶板。方案1～10的彈丸剩余速度如圖2所示。

圖2 彈丸侵徹不同厚度背板剩余速度

觀察圖2中不同方案的彈丸剩余速度，剩余速度隨RHA鋼厚度的增大而減小，復(fù)合靶板消耗彈丸動(dòng)能越多，靶板抗侵徹能力越強(qiáng)，同時(shí)靶板質(zhì)量越大。分析認(rèn)為穿甲彈剩余速度變化的趨勢(shì)與背板RHA鋼厚度負(fù)相關(guān)，RHA鋼厚度在復(fù)合靶板防護(hù)能力中發(fā)揮極重要的作用。

2.2 SiC陶瓷和玻璃纖維厚度配比對(duì)復(fù)合靶板抗侵徹能力的影響

以方案14為例，彈丸侵徹面板、夾層、背板及穿透靶板的過程如圖3所示。

由圖3可以看到，陶瓷硬度高，在彈丸撞擊面板瞬間會(huì)使彈體頭部發(fā)生形變，彈丸在面板駐留的過程會(huì)消耗彈丸的能量。但陶瓷的脆性大，在高速?zèng)_擊下易產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展到面板背面。在彈體未穿透陶瓷層時(shí)，陶瓷產(chǎn)生大量碎片，并向四周飛濺掉落。而夾層玻璃纖維對(duì)面板SiC陶瓷有支撐作用，支撐著沒有掉落的陶瓷碎片繼續(xù)消耗彈丸動(dòng)能，阻礙彈體繼續(xù)侵徹，從而提高復(fù)合靶板的抗侵徹能力。

圖3 方案14彈丸侵徹復(fù)合靶板過程

提取彈丸在關(guān)鍵位置(時(shí)刻)的速度，繪制速度曲線。方案11～14中只增加面板厚度情況下的彈丸速度曲線如圖4所示。

圖4 改變面板厚度的彈丸速度曲線

方案15～18中只增加夾層厚度情況下的彈丸速度曲線如圖5所示。

圖5 改變夾層厚度的彈丸速度曲線

由圖4 、圖5可以看出，陶瓷或玻璃纖維厚度對(duì)穿甲彈剩余速度的影響趨勢(shì)相同，隨著陶瓷或玻璃纖維厚度的增加，穿甲彈穿透復(fù)合靶板所需的時(shí)間加長。

從方案11～18中找出靶板總厚度和背板厚度相同，面板與夾層厚度比例變化的情況，觀察彈丸速度的衰減趨勢(shì)，如圖6所示。改變面板與夾層的材料厚度比例，可以提高復(fù)合靶板的抗侵徹能力。

圖6 彈丸速度曲線

圖6a中，方案11與方案15面板與夾層厚度比例分別為1∶5和5∶1；圖6b中，方案12與方案16面板與夾層厚度比例分別為3∶10和10∶3；圖6c中，方案13與方案17面板與夾層厚度比例分別為2∶5和5∶2；圖6d中，方案14與方案18面板與夾層厚度比例分別為1∶2和2∶1。觀察圖6可以發(fā)現(xiàn)，在SiC陶瓷-玻璃纖維-RHA鋼組成的相同厚度復(fù)合靶板中，增加陶瓷的相對(duì)厚度能有效提高復(fù)合靶板的抗侵徹能力。

2.3 復(fù)合靶板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

復(fù)合靶板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要滿足三個(gè)指標(biāo)，首先靶板應(yīng)具備良好的抗侵徹能力，然后再考慮彈丸的侵徹深度和靶板的質(zhì)量[12]。若相同厚度的復(fù)合靶板均有較好的抗彈性能，且侵徹深度相差不大，可以通過調(diào)整面板與夾層的厚度比例關(guān)系來對(duì)靶板的質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。

表5基于方案8計(jì)算了具備較好抗彈性能、但陶瓷和玻璃纖維厚度比例不同的復(fù)合靶板質(zhì)量。其中，復(fù)合靶板總厚度均為200mm，背板RHA鋼厚度均為80mm。

表5 面板與夾層厚度比例不同的靶板質(zhì)量

由表5可知，綜合考慮復(fù)合靶板優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求，對(duì)于面板SiC陶瓷、夾層玻璃纖維和背板RHA鋼組合的200mm厚的靶板，三層材料厚度分別是20mm、100mm和80mm的靶板質(zhì)量最小。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)復(fù)合靶板總厚度及背板RHA鋼厚度一定時(shí)，改變面板與夾層材料厚度比例，可提高靶板的抗侵徹能力。

(2)在三層復(fù)合靶板總厚度200mm條件下，面板SiC陶瓷、夾層玻璃纖維和背板RHA鋼材料厚度比例為1∶5∶4的復(fù)合靶板，在具備較強(qiáng)的抗桿式穿甲彈侵徹的能力時(shí)靶板質(zhì)量最輕。