一種防彈玻璃抗大口徑穿燃子彈侵徹能力研究

朱紹武,高旭東,董曉亮

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 南京 210094)

0 引言

防彈玻璃是指既具有玻璃的高透光性、可視性,同時又具有一定防彈能力的透明材料。其防彈原理是玻璃將穿甲彈的沖擊動能轉(zhuǎn)化為玻璃的彈性勢能和破碎后的表面能,從而達(dá)到防彈目的。近些年常見的防彈玻璃結(jié)構(gòu)是由面板、背板以及起粘接作用的中間層組成,其防彈原理是利用硬而脆的面板受沖擊后破裂來吸收一部分入射能量,繼而通過中間層和背板的變形來吸收剩余能量。面板通常由無機(jī)玻璃或透明陶瓷制成,用來磨蝕和鈍化彈丸,中間層由聚乙烯醇縮丁醛(PVB)或聚氨酯(PU)制成,可吸收彈丸能量,阻攔裂紋擴(kuò)張,而背板由聚碳酸酯(PC)組成,聚碳酸酯具有較強(qiáng)的沖擊強(qiáng)度和足夠的韌性,能夠降低防彈玻璃的面密度同時減少靶后破片。

針對防彈玻璃的抗侵徹性能,早期的研究通常簡化為防彈玻璃受到靜態(tài)力時的響應(yīng)[1-2];Bless等[3]通過高速攝影觀察撞擊過程,發(fā)現(xiàn)了沖擊區(qū)內(nèi)損傷的快速傳播與破壞波的觀測結(jié)果一致,并繪制了損傷圖;楊杰等[4-6]以聚乙烯醇縮丁醛(PVB)夾層防彈玻璃為主要研究對象,通過大量的試驗(yàn)結(jié)論分析沖擊載荷下玻璃的動態(tài)力學(xué)特性,研究玻璃在沖擊載荷下的破壞機(jī)理和防護(hù)機(jī)理,提出了單層透明材料難以滿足防彈要求,必須采取層合的方式組成透明裝甲系統(tǒng)來提高抗彈能力。Grujicic等[7]研究了透明裝甲的結(jié)構(gòu)、材料以及各層的作用,并提出了透明裝甲的設(shè)計方法和材料選擇方案。Anderson等[8]認(rèn)為玻璃的破壞失效與彈道侵徹的時間進(jìn)程相關(guān),并量化了相關(guān)性。

本文基于12.7、14.5 mm兩種口徑穿燃彈,對一種抗7.62 mm穿燃彈防彈玻璃開展了抗侵徹試驗(yàn),通過分析裝甲與彈丸的破壞形貌,獲得了該防彈玻璃的抗侵徹機(jī)理。同時采用仿真計算,研究了2種口徑穿燃彈的初速、裝甲傾角對裝甲抗侵徹能力和后效威力的影響,包括穿燃彈極限穿透速度、剩余速度變化規(guī)律,此外本文還將計算該型防彈玻璃的防護(hù)系數(shù)。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)彈靶條件

分別開展了12.7、14.5 mm制式穿燃彈以不同初速度侵徹該型抗7.62 mm穿燃彈防彈玻璃的試驗(yàn)。試驗(yàn)靶板長寬尺寸為200 mm×200 mm,圖1(b)所示結(jié)構(gòu)示意圖中,相鄰層采用厚度為2 mm的PVB膠層粘合而成。2種口徑穿燃彈實(shí)物圖如圖2所示,彈芯尺寸圖如圖3所示。

圖1 防彈玻璃

圖2 穿燃彈

圖3 2種口徑穿燃彈彈芯結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)裝置包括發(fā)射裝置、靶架以及測速系統(tǒng)等,其中發(fā)射裝置為12.7 mm口徑彈道槍和14.5 mm口徑彈道槍,試驗(yàn)現(xiàn)場布局如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場布局

測速系統(tǒng)包括計時儀測速系統(tǒng)和高速攝影系統(tǒng)。計時儀測速系統(tǒng)采用LNG202-2型六通道電子計時儀獲得彈丸初速度,測試精度可達(dá)到10-6s;高速攝影系統(tǒng)通過高速攝影儀獲得彈丸貫穿靶板后的剩余速度和飛行姿態(tài)。

1.2 結(jié)果與分析

通過試驗(yàn)得到了12.7、14.5 mm穿燃彈以不同初速正侵徹靶板后靶板與彈丸的破壞情況。

在12.7 mm穿燃彈侵徹試驗(yàn)中選取2個較為典型的回收靶板進(jìn)行破壞形貌分析:圖5(a)、(b)所示回收靶板的各玻璃層均完全破碎并產(chǎn)生大量裂紋,粘連大量玻璃碎片的PVB膠層仍呈分層排列,結(jié)構(gòu)較為完整。迎彈面的薄層玻璃碎片粘連在PVB膠層,外翻形成規(guī)則的花瓣?duì)罘?。彈丸入孔呈五角星?著靶點(diǎn)中心約2倍彈徑區(qū)域內(nèi)發(fā)生了粉碎性破壞,玻璃碎片呈細(xì)小粉末狀,該區(qū)域PVB膠層被穿透并且破碎散開。透過PC背板可以看到密集的徑向裂紋,裂紋原點(diǎn)較彈丸著靶點(diǎn)偏向一側(cè),這些連續(xù)的徑向裂紋從裂紋擴(kuò)展原點(diǎn)出發(fā),向四周擴(kuò)展到了防彈玻璃的邊緣,同時穿插著大量不連續(xù)的、以徑向裂紋原點(diǎn)為圓心的環(huán)向裂紋[9]。PC背板在彈丸的沖擊作用下發(fā)生塑性變形,在背面形成鼓包,形成20 mm長的細(xì)長裂縫,彈丸出孔位置相對于著靶點(diǎn)發(fā)生較大偏移。

圖5 12.7 mm穿燃彈侵徹試驗(yàn)的部分裝甲形貌

圖5(c)、(d)所示為極限穿透速度工況下的回收靶板,相對于圖5(a)所示靶板,迎彈面外翻的PVB膠層較小,彈丸入孔近似為圓形,并且孔徑明顯較大。透過PC背板可以看到徑向裂紋的原點(diǎn)和環(huán)向裂紋的圓心均與著靶點(diǎn)重合。彈丸頭部露出PC背板并出現(xiàn)較大偏轉(zhuǎn),出孔位置偏向一側(cè)。

在14.5 mm穿燃彈侵徹試驗(yàn)中選取極限穿透速度工況的回收靶板進(jìn)行破壞形貌分析:如圖6所示,靶板上端各PVB膠層在彈丸的沖擊作用下飛散出去,部分粘連玻璃碎片的PVB膠層散落在靶板內(nèi),下端各PVB膠層仍呈分層排列,與12.7 mm穿燃彈侵徹試驗(yàn)的回收靶板相比,靶板的結(jié)構(gòu)完整性較差。迎彈面下端的PVB膠層外翻形成規(guī)則的花瓣?duì)罘?。彈丸出孔PC背板位置相對于著靶點(diǎn)發(fā)生較大偏移,透過PC背板可以看到玻璃裂紋明顯,與12.7 mm穿燃彈侵徹試驗(yàn)中各工況觀察到的裂紋相比,裂紋寬度更大。

圖6 14.5 mm穿燃彈侵徹試驗(yàn)的部分裝甲形貌Fig.6 Failure modes of some armor in the penetration test of 14.5 mm armor-piercing incendiary bullet

通過高速攝像拍攝到的剩余彈體可以看出:2種口徑穿燃彈貫穿靶板后,銅披已經(jīng)脫落,且彈芯結(jié)構(gòu)較為完整,彈芯頭部幾乎未發(fā)生磨蝕或破碎,如圖7所示。

圖7 剩余彈體形貌

彈丸侵徹過程中,彈道偏離角是影響裝甲抗侵徹能力的重要因素。測量12.7 mm侵徹試驗(yàn)中各工況出孔相對靶板中心點(diǎn)的偏移量,如圖8所示,并通過幾何關(guān)系計算得到彈道偏離角。

圖8 靶板出孔偏移量

忽略彈丸著靶前的攻角因素造成彈丸侵徹過程中的彈道偏離,研究彈道偏離角與彈丸初速度之間的關(guān)系。彈道偏離角隨彈丸初速度變化規(guī)律如圖9所示,當(dāng)彈丸初速度為極限穿透速度時,此時彈道偏離角最大,隨著彈丸初速度的增大,彈道偏離角減小,且加速度不斷增大。

圖9 彈道偏離角與彈丸初速度的關(guān)系

由于該型防彈玻璃為多層復(fù)合裝甲,且各層材料力學(xué)性能差異較大,彈體在侵徹過程中受到不對稱側(cè)向力作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩,造成運(yùn)動姿態(tài)發(fā)生改變。彈丸貫穿靶板的工況中,當(dāng)彈丸的初速度過小時,受到不對稱側(cè)向作用力的作用時間較長,彈丸姿態(tài)發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn),彈道偏離角較大,而隨著彈丸初速度增大,受到不對稱側(cè)向作用力的作用時間減少,彈丸侵徹過程中姿態(tài)趨于平穩(wěn),彈道偏離角較小。

測量12.7 mm侵徹試驗(yàn)中各工況的PC背板裂縫長度,擬合得到出孔裂縫長度隨12.7 mm穿燃彈初速度的變化關(guān)系,如圖10所示,出孔裂縫長度與彈丸初速度成正比增長關(guān)系。

圖10 出孔裂縫長度與彈丸初速度的關(guān)系

通過上述防彈玻璃破壞情況與分析,可以得出該防彈玻璃的抗侵徹機(jī)理:彈丸初速度是正侵徹工況下彈道發(fā)生偏離的主要原因:當(dāng)彈丸初速度與極限穿透速度相同時,此時的彈道偏離角最大,隨著彈丸初速度的增大,彈道偏離角減小。各玻璃層在受到彈丸沖擊時,形成大量的徑向裂紋和環(huán)向裂紋,同時在彈丸著靶點(diǎn)附近產(chǎn)生細(xì)小的玻璃碎片,吸收了大量的彈丸沖擊能量作為表面能,從而有效的消耗了彈丸的能量。PVB膠層使得受到?jīng)_擊完全破碎的靶板保持一個整體,極大程度地減少了飛濺物。由于PC背板具有一定的沖擊強(qiáng)度和足夠的韌性,通過鼓包的形式,吸收了彈丸的沖擊能量轉(zhuǎn)化為PC背板的拉伸變形能,同時較小的孔徑也很大程度地減少了靶后破片。

2 仿真模型

2.1 幾何模型

仿真采用的靶板結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示,為了提高數(shù)值計算的效率,簡化數(shù)值計算模型,忽略了聚丙烯醇縮丁醛(PVB)層,簡化后模型的長寬尺寸為200 mm×200 mm,厚度為69 mm。仿真采用12.7 mm制式穿燃彈彈芯和14.5 mm制式穿燃彈彈芯,幾何模型如圖3所示。12.7 mm制式穿燃彈彈芯的質(zhì)量為30 g,14.5 mm制式穿燃彈彈芯的質(zhì)量為40.5 g,2種口徑穿燃彈的彈芯材料均為T12A鋼。

2.2 仿真模型

本文基于ANSYS/LS-DYNA軟件建立相應(yīng)的仿真模型,穿燃彈彈芯和防彈玻璃均采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元,單元算法為拉格朗日算法。為減少計算量,采用1/2有限元模型,如圖11所示,各層材料見圖1(b),該數(shù)值計算模型網(wǎng)格數(shù)量共3 258 640個,網(wǎng)格尺寸為0.5 mm。

通過關(guān)鍵字BOUNDARY_SPC_SET設(shè)置穿燃彈和防彈玻璃的對稱面約束,穿燃彈和防彈玻璃之間通過關(guān)鍵字CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE設(shè)置侵蝕接觸,2種口徑穿燃彈和靶板內(nèi)部分別通過關(guān)鍵字CONTACT_ERODING_SINGLE_SURFACE設(shè)置自接觸。PVB膠層與玻璃層之間的粘合作用則是通過設(shè)置關(guān)鍵字CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_TIEBREAK來實(shí)現(xiàn),設(shè)置關(guān)鍵字變量OPTION、NFLS和SFLS來控制破壞粘合作用所需應(yīng)力值。

穿燃彈采用高應(yīng)變率下適用的JOHNSON_COOK(JC)材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程共同表征,玻璃材料通過JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS(JH2)材料模型[12]進(jìn)行表征,PC背板采用的聚碳酸酯材料,使用4號材料模型ELASTIC_PLASTIC_HYDRO進(jìn)行表征,具體材料參數(shù)如表1—表3所示[13-15]。

表3 聚碳酸酯的材料參數(shù)Table 3 Material parameters of makrolon

2.3 仿真模型校驗(yàn)

通過試驗(yàn)得到了12.7 mm穿燃彈和14.5 mm穿燃彈以不同初速正侵徹防彈玻璃時,防彈玻璃的變形和破壞情況,將極限穿透速度工況的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,如表4、表5和圖12、圖13所示。

表4 12.7 mm穿燃彈試驗(yàn)結(jié)果誤差

表5 14.5 mm穿燃彈試驗(yàn)結(jié)果誤差

圖12 12.7 mm穿燃彈侵徹試驗(yàn)的裝甲破環(huán)形貌對比

圖13 14.5 mm穿燃彈試驗(yàn)的破環(huán)形貌對比

可以看出:仿真與試驗(yàn)測得的剩余速度誤差較小,在合理的誤差范圍內(nèi),并且仿真與試驗(yàn)得到的靶板破壞形貌基本吻合,說明本文的仿真模型能較好地模擬12.7 mm和14.5 mm穿燃彈侵徹該型防彈玻璃的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和破壞模式,后續(xù)可依據(jù)此模型進(jìn)一步開展抗侵徹規(guī)律的研究。

3 仿真研究的規(guī)律分析

3.1 極限穿透速度隨著角的變化規(guī)律

目前,裝甲抗侵徹能力的表征主要是通過極限穿透速度大小。利用數(shù)值模擬計算得到12.7 mm穿燃彈、14.5mm穿燃彈在不同裝甲傾角下侵徹防彈玻璃的極限穿透速度。圖14為2種口徑穿燃彈的極限穿透速度隨裝甲傾角的變化規(guī)律。

圖14 極限穿透速度隨裝甲傾角的變化曲線

可以看出12.7 mm穿燃彈、14.5 mm穿燃彈侵徹防彈玻璃的極限穿透速度與裝甲傾角均呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系增長,并且變化率相似。裝甲傾角在0～5°時,2種口徑穿燃彈的極限穿透速度均增長地非常緩慢,5～15°的裝甲傾角,極限穿透速度的增長幅度較為顯著,當(dāng)裝甲傾角增大到15～25°時,彈丸的極限穿透速度急劇增大。裝甲傾角較小時,傾角帶來的彈丸侵徹厚度的增加是造成彈丸極限穿透速度增大的主要原因,而較大的裝甲傾角會造成彈丸的偏轉(zhuǎn)角變大,進(jìn)一步增加了彈丸侵徹厚度,導(dǎo)致彈丸的極限穿透速度急劇增大。

相對于正侵徹,12.7 mm穿燃彈侵徹傾角為25°的防彈玻璃時,極限穿透速度增大了150 m/s,14.5 mm穿燃彈的極限穿透速度增大了105 m/s。當(dāng)裝甲傾角增幅相同時,隨著彈丸口徑的增大,極限穿透速度增幅減小。

3.2 彈丸剩余速度隨初速度的變化規(guī)律

12.7 mm穿燃彈和14.5 mm穿燃彈剩余速度試驗(yàn)值隨初速度的變化規(guī)律近似線性遞增,如圖15所示。當(dāng)2種口徑穿燃彈初速度相同時,剩余速度隨著穿燃彈口徑的減小而減小,且隨著初速度的增大,差值逐漸減小。

圖15 剩余速度試驗(yàn)值隨彈丸初速度的變化曲線

圖16所示為2種口徑穿燃彈剩余速度仿真值隨初速度的變化關(guān)系,擬合得到的規(guī)律與試驗(yàn)所得基本吻合。初速度為700 m/s時,2種口徑穿燃彈剩余速度差值約20 m/s,差值隨著初速度增大而減小,剩余速度在初速度達(dá)到1 200 m/s時相等。

圖16 剩余速度仿真值隨初速度的變化曲線

4 防彈玻璃抗穿燃彈侵徹能力計算

為了對該型防彈玻璃的抗侵徹能力進(jìn)行預(yù)測,利用文獻(xiàn)[11]提供的一種多組分復(fù)合裝甲混合律來初步預(yù)測該型防彈玻璃的抗侵徹能力,該公式的通式如下:

Ri=∑NiLi

(1)

式中,Ri為復(fù)合裝甲抗侵徹能力(mm),Li為第i種材料的復(fù)合裝甲水平等重厚度(mm),Ni為第i種材料的防護(hù)系數(shù)。

該公式中采用了復(fù)合裝甲設(shè)計中常用的“水平等重厚度”概念。由于任何一種復(fù)合裝甲都是層狀裝甲,因此在實(shí)際應(yīng)用中,可以把復(fù)合裝甲的每一層看做一個組分,從前至后依次進(jìn)行計算。該公式適用于任何一種多種材料、多種結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合裝甲。

一般計算復(fù)合裝甲抗侵徹性能分為4個步驟,以穿燃彈正侵徹該型防彈玻璃(忽略PVB膠層)為例:

1) 計算各材料層的水平等重厚度Li。

(2)

式中:ρi為第i層材料的密度(×103kg/m3);δi為第i層材料的垂直厚度(mm);αt為裝甲的傾角(°)。

2) 確定各層裝甲材料防護(hù)系數(shù)值Ni。

防護(hù)系數(shù)Ni是標(biāo)準(zhǔn)均質(zhì)裝甲鋼半無限靶面密度與特種裝甲材料面密度之比。

(3)

式中,Tb為標(biāo)準(zhǔn)彈種射擊標(biāo)準(zhǔn)均質(zhì)裝甲鋼半無限靶時穿入深度;ρg為鋼密度7.85 g/cm3;Ti為特種裝甲被同一標(biāo)準(zhǔn)彈種射擊時的穿入深度。通過模擬試驗(yàn)方法測定12.7 mm穿燃彈模初速為500 m/s時正侵徹各裝甲材料的穿深(cm),如圖17所示,計算得到各層裝甲材料的防護(hù)系數(shù)。

圖17 各裝甲材料穿入深度

3) 按式(4)依次計算每一層材料的抗彈能力Ri,填入表7中。

Ri=NiLi

(4)

4) 計算復(fù)合裝甲總體抗彈能力。

通過式(1)將各層裝甲的抗彈能力值進(jìn)行累加,得到復(fù)合裝甲的總體抗彈能力值,計算結(jié)果如表6所示。

表6 防彈玻璃抗彈能力計算

計算得到該型防彈玻璃的面密度為等效厚度下均質(zhì)裝甲鋼的135.5%,防護(hù)系數(shù)為0.74,抗12.7 mm穿燃彈的能力相當(dāng)于15.8 mm的603均質(zhì)裝甲鋼。通過數(shù)值仿真計算12.7 mm穿燃彈侵徹15.8 mm的603均質(zhì)裝甲鋼,得到極限穿透速度為559 m/s,相對試驗(yàn)得到的12.7 mm穿燃彈侵徹防彈玻璃的極限穿透速度誤差為-4.8%,則認(rèn)為防彈玻璃的防護(hù)系數(shù)是可靠的。

該混合率計算方法簡便實(shí)用、適用范圍廣,為復(fù)合裝甲研究工作提供了一種有效方法,但是該公式?jīng)]有反映出裝甲結(jié)構(gòu)配置、材料結(jié)構(gòu)交互作用等因素對抗彈能力的影響。因此給出的結(jié)果是粗略的,只能用于初步預(yù)測復(fù)合裝甲的抗侵徹能力。

5 結(jié)論

基于12.7、14.5 mm兩種穿燃彈,開展了該型防彈玻璃的侵徹試驗(yàn)研究,揭示了該防彈玻璃的抗侵徹機(jī)理。通過仿真得到了2種口徑穿燃彈在不同裝甲傾角下的極限穿透速度、不同初速度下的剩余速度,分析了極限穿透速度和剩余速度隨穿燃彈口徑的變化關(guān)系,同時對其防護(hù)能力進(jìn)行工程計算,結(jié)論如下:

1) 初速度是導(dǎo)致彈道發(fā)生偏離的主要因素,當(dāng)彈丸初速度與極限穿透速度相同時,此時的彈道偏離角最大,隨著彈丸初速度的增大,彈道偏離角減小;PC背板的出孔裂縫長度與彈丸初速度成正比關(guān)系。

2) 2種口徑穿燃彈侵徹防彈玻璃的極限穿透速度與裝甲傾角均呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系增長,并且變化率相似。2種口徑穿燃彈的剩余速度隨初速度均成正比增長關(guān)系,初速度相同時,剩余速度隨著穿燃彈口徑的減小而減小,且隨著初速度的增大,差值逐漸減小。

3) 通過多組分復(fù)合裝甲混合律計算了該防彈玻璃對12.7 mm穿燃彈的防護(hù)系數(shù)為0.74。