陣列式陶瓷顆粒破片防護(hù)層防彈性能仿真研究＊

安振濤，甄建偉

（解放軍軍械工程學(xué)院，石家莊 050003）

0 引言

!陣列式陶瓷顆粒破片防護(hù)層是由大量陶瓷顆粒經(jīng)改性樹脂粘結(jié)固化而成，它與防彈陶瓷板一樣具有很強(qiáng)的防彈能力[1－6]，其具有輕質(zhì)、高強(qiáng)的特點(diǎn)，特別適合作為輕型裝甲車輛的防護(hù)材料使用。由于組成防護(hù)層的陶瓷顆粒相互獨(dú)立，當(dāng)高速彈丸侵徹防護(hù)層時(shí)，只有一個(gè)或幾個(gè)陶瓷顆粒發(fā)生破碎，防護(hù)層的其它部分仍保持原有性能，因此整個(gè)破片防護(hù)層仍具有很強(qiáng)的防彈能力，克服了防彈陶瓷板破碎后整體失效的缺點(diǎn)。陣列式陶瓷顆粒破片防護(hù)層是一種新型的防彈復(fù)合材料，尚未發(fā)現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)刊載，因此非常有必要對這種材料的防彈性能進(jìn)行研究。文中在已制備的特定參數(shù)陣列式陶瓷顆粒破片防護(hù)層的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值仿真技術(shù)來研究防護(hù)層的防彈性能，從而為破片防護(hù)層的性能改進(jìn)提供理論參考。

1 模型的建立

1.1 陶瓷顆粒的結(jié)構(gòu)和尺寸

陣列式陶瓷顆粒破片防護(hù)層中陶瓷顆粒為圓柱形結(jié)構(gòu)，圓柱體的兩端分別為球面和平面，球面作為迎彈面，可以提高防護(hù)層的防彈能力。已制備的陶瓷顆粒及其尺寸如圖1所示。

圖1 陶瓷顆粒及其尺寸參數(shù)

1.2 陶瓷顆粒的排列方式

一般來說，陶瓷顆粒的排列方式有兩種，如圖2所示。

其中圖2（a）的排列方式稱為直排式，圖2（b）稱為斜排式。當(dāng)陶瓷顆粒的直徑一定時(shí)，經(jīng)簡單的幾何計(jì)算，就可得出直排方式下顆粒之間的縫隙要大于斜排式。因此文中選用斜排的方式排列陶瓷顆粒。

圖2 陶瓷顆粒的排列方式

1.3 仿真模型

圖3 陣列式陶瓷顆粒破片防護(hù)層抗侵徹仿真模型

圖4 陶瓷顆粒在改性樹脂中所處的位置

根據(jù)陶瓷顆粒的尺寸，應(yīng)用Autodyn軟件建立斜排方式的仿真模型，如圖3所示。為了觀察到陶瓷顆粒，改性樹脂的模型僅顯示了一部分。陶瓷顆粒的尺寸如圖1所示，它在改性樹脂中的位置見圖4，在陶瓷顆粒的迎彈面和背彈面外改性樹脂的厚度均為2mm，也就是說陶瓷顆粒完全被改性樹脂所包覆。陣列式陶瓷顆粒破片防護(hù)層的下部分是厚度為2mm的鋼板，用于提高防護(hù)層的整體強(qiáng)度。用于侵徹防護(hù)層的破片根據(jù)GJB 4300－2002《軍用防彈衣安全技術(shù)性能要求》，采用1.1g模擬破片，類似于STANAG 2920標(biāo)準(zhǔn)中的1.1g模擬破片，其尺寸如圖5所示。破片的初始速度設(shè)定為700m／s，即驗(yàn)證防護(hù)層是否能達(dá)到Ⅳ級的防破片等級。

圖5 模擬破片的尺寸

1.4 材料參數(shù)設(shè)置

仿真過程中涉及的模型有破片、陶瓷顆粒、改性樹脂和鋼板，它們的材料分別為剛性鑄鐵、Al2O3陶瓷、環(huán)氧樹脂和低碳鋼。在強(qiáng)沖擊載荷作用下，材料將產(chǎn)生復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，例如：應(yīng)變硬化、應(yīng)變率硬化、塌陷、破碎等現(xiàn)象。在AUTODYN軟件中，這些現(xiàn)象一般可以由三個(gè)模型來描述，它們分別是狀態(tài)方程、強(qiáng)度模型和破壞準(zhǔn)則。針對各種材料性質(zhì)的不同，分別選用了不同的本構(gòu)模型，見表1。

表1 不同材料的本構(gòu)模型

下面分別對各種材料模型進(jìn)行描述，并確定其主要參數(shù)。

1）破片

破片采用Shock狀態(tài)方程。Shock狀態(tài)方程可以描述為：

其中，假定Γρ＝Γ0ρ0＝常數(shù)（Γ為Gruneisen常數(shù)），PH和eH分別為Hugoniot曲線上某點(diǎn)的壓力和內(nèi)能。破片的材料模型主要參數(shù)見表2。

表2 破片的材料模型參數(shù)

2）陶瓷顆粒

陶瓷顆粒采用Johnson－Holmquist強(qiáng)度模型來描述其強(qiáng)度行為。此模型由Johnson＆Holmquist于1993年提出，分為分段式（JH1）和連續(xù)式（JH2）兩種形式。文中采用JH2強(qiáng)度模型，該模型包含陶瓷材料未損傷和已完全損傷的強(qiáng)度。在損傷破碎狀態(tài)下其強(qiáng)度表示為：

其中：D為損傷因子，σi＊和σf＊分別表示完整（D ＝0）和破碎（D ＝1）狀態(tài)時(shí)材料的無量綱等效應(yīng)力。陶瓷顆粒的材料模型主要參數(shù)見表3。

表3 陶瓷靶板的材料模型參數(shù)

3）改性樹脂

仿真模型中的粘結(jié)材料為環(huán)氧樹脂，材料參數(shù)選用AUTODYN材料庫中的EPOXY RES2。EPOXY RES2材料采用Shock狀態(tài)方程，環(huán)氧樹脂的材料模型主要參數(shù)見表4。

表4 環(huán)氧樹脂的材料模型參數(shù)

4）鋼板

鋼板采用和破片材料相同的狀態(tài)方程和強(qiáng)度模型。鋼板的材料模型主要參數(shù)見表5。

表5 鋼板的材料模型參數(shù)

圖6 破片侵徹的不同位置

2 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)仿真模型的參數(shù)設(shè)置建立模型，計(jì)算的時(shí)間域設(shè)定為0～0.1ms。對于陣列式陶瓷顆粒破片防護(hù)層來說，有3個(gè)特殊的位置，如圖6所示。對這3個(gè)位置的侵徹過程進(jìn)行研究，就基本可以確定整個(gè)防護(hù)層的防彈性能，因此分別建立破片對這3個(gè)位置的侵徹模型，為了減少對計(jì)算資源的浪費(fèi)，模型中陶瓷顆粒數(shù)量的確定原則是，保證受直接侵徹的陶瓷顆粒被其它顆粒所包圍的最小數(shù)量。3個(gè)侵徹位置所對應(yīng)的仿真模型分別如圖7（a）～圖9（a）所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)每個(gè)模型中陶瓷顆粒的數(shù)量各不相同，位置1～3對應(yīng)模型中的陶瓷顆粒的數(shù)量分別為7、10和12個(gè)。

圖7 位置1對應(yīng)的仿真模型

圖8 位置2對應(yīng)的仿真模型

圖9 位置3對應(yīng)的仿真模型

圖 7（a）～圖9（a）表示了仿真模型中 0.1ms 時(shí)刻各種材料的狀態(tài)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，無論破片的侵徹位置在何處，破片侵徹所造成的改性樹脂的破壞面積都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于破片的直徑。另外，受破片直接侵徹的陶瓷顆粒破壞比較嚴(yán)重，而對于周圍的其它陶瓷顆粒幾乎未受到影響。圖7（b）～圖9（b）中為相應(yīng)模型中直接受沖擊的陶瓷顆粒在0.1ms時(shí)刻的狀態(tài)。從圖7（b）中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)破片的侵徹點(diǎn)在位置1時(shí)，受侵徹的陶瓷顆粒幾乎完全破碎；對于位置2的情況，如圖8（b）所示，2個(gè)陶瓷顆粒均有一定的破壞，但破碎情況較位置1時(shí)輕很多；對于位置3的情況，見圖9（b），3個(gè)陶瓷顆粒的破壞情況較位置2時(shí)更輕微。

圖10 破片速度的變化趨勢

當(dāng)破片對防護(hù)層侵徹時(shí)，破片的速度會(huì)隨著時(shí)間的延長逐漸變小，如圖10所示。對于侵徹位置的不同，破片的速度變化趨勢略有不同。由于陶瓷顆粒迎彈面曲率的存在，使得破片與陶瓷顆粒發(fā)生接觸的時(shí)刻各不相同，破片在位置1情況下首先與陶瓷顆粒發(fā)生接觸，然后依次是位置2和位置3的情況，這就造成在位置1的情況下，破片的速度首先下降。但在3種情況下，破片的速度在0.04ms內(nèi)均下降到100m／s以內(nèi)，然后進(jìn)入平臺(tái)下降期，在0.1ms時(shí)刻破片的速度均下降到40m／s以下。這說明在0～0.04ms內(nèi)，陶瓷顆粒對破片速度的下降起主要作用，在此時(shí)間域內(nèi)陶瓷顆粒發(fā)生整體破碎（位置1）或部分破碎（位置2和3），隨后支撐鋼板對破片速度的衰減起主要作用。

圖11 鋼板背面中心的位移變化情況

為陶瓷顆粒起整體支撐作用的鋼板在0～0.1ms內(nèi)也發(fā)生了微小的變形，見圖11，圖中表示了3種情況下鋼板背面中心點(diǎn)的位移情況。由于在3種情況下破片運(yùn)動(dòng)的軸線都穿過此中心點(diǎn)，因此可以預(yù)測鋼板背面此點(diǎn)的位移最大。對于3種情況，中心點(diǎn)的位移變化情況相差不大，幾乎都是隨時(shí)間線性增加，在0.1ms時(shí)刻位移均未超過2mm，因此鋼板的變形量遠(yuǎn)未達(dá)到失效的程度，仍具有很強(qiáng)的抗侵徹能力。

3 結(jié)論

1）采用陶瓷顆粒為主要防彈材料制備的破片防護(hù)層具有一定的抗侵徹能力，可以達(dá)到GJB 4300－2002《軍用防彈衣安全技術(shù)性能要求》中Ⅳ級的防破片等級要求。

2）陣列式陶瓷顆粒破片防護(hù)層的特殊結(jié)構(gòu)使其具有了很好的抗整體破碎能力，當(dāng)其受到高速破片的侵徹時(shí)，僅有少量陶瓷顆粒發(fā)生整體破碎或部分破碎，其它顆粒仍保持完好。這一特性使得防護(hù)層具有了良好的可修復(fù)性，從而降低了防護(hù)層的使用成本。

3）當(dāng)破片對防護(hù)層的不同位置進(jìn)行侵徹時(shí)，陶瓷顆粒均能使破片的速度降至40m／s以下，同時(shí)支撐鋼板僅發(fā)生輕微變形。當(dāng)陶瓷顆粒失去防彈作用后，鋼板可以對破片的余速有效的衰減，因此防護(hù)層中鋼板所起的作用也不能忽略。

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