高強(qiáng)聚乙烯層合板抗侵徹性能

彭文均 王曉強(qiáng)

1 海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局，湖北武漢430064

2 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心軍事代表室，湖北武漢430064

0 引 言

水下接觸爆炸的兩個(gè)主要?dú)厥菦_擊波和高速破片，其中高速破片的初始速度可以達(dá)到1 100 m/s 以上，具有很強(qiáng)的穿甲破壞能力［1］。為抵御高速破片的侵徹，水面艦艇一般都設(shè)有裝甲防護(hù)結(jié)構(gòu)。艦船裝甲結(jié)構(gòu)又有不同的組成，如空艙/液艙/裝甲板、陶瓷/船用鋼［2］和船用鋼/裝甲板等，其中裝甲板在裝甲結(jié)構(gòu)的防護(hù)中起主要作用，其一般由復(fù)合材料層合板構(gòu)成。復(fù)合材料層合板主要包括玻璃纖維增強(qiáng)、芳綸（KFRP）纖維增強(qiáng)、碳纖維增強(qiáng)和高強(qiáng)聚乙烯（UHMWPE）增強(qiáng)等，其中高強(qiáng)聚乙烯增強(qiáng)層合板具有密度小、防護(hù)效率高等優(yōu)點(diǎn)，在艦船防護(hù)中具有舉足輕重的作用，因此，研究高強(qiáng)聚乙烯層合板在高速破片侵徹下的抗侵徹性能具有十分重要的意義。

方案一：采用慣性傳感器：可采用慣性傳感器進(jìn)行慣性導(dǎo)航來(lái)確定小車(chē)的路程。作為不需外部依賴(lài)的導(dǎo)航方式，慣性導(dǎo)航有著特殊的優(yōu)勢(shì)，在飛行器定位等有著廣泛的應(yīng)用。但由于我們僅為二維平面的運(yùn)動(dòng)，且通過(guò)加速度進(jìn)行兩次積分計(jì)算路程勢(shì)必會(huì)造成較大的誤差，而通過(guò)濾波等手段處理則大大增加了程序的復(fù)雜性且未必能較好的消除誤差。

以UHMWPE 纖維作為增強(qiáng)材料，層合板的防彈能力是KFRP 的3.6 倍。到目前為止，UHMWPE纖維的防彈性能仍是最好的［3］。纖維增強(qiáng)塑料（Fiber Reinforced Plastics，F(xiàn)RP）的成型方法主要有手糊、層壓、噴射和纏繞等［4］，而用于防彈板制作的主要是前兩種。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的防彈性能方面進(jìn)行了很多研究［5］，得出成型壓力為12.5 MPa 時(shí)，高強(qiáng)聚乙烯防彈板的防彈性能最好，纖維的剪切和拉伸變形是兩種主要的響應(yīng)模式，同時(shí)靶板還會(huì)出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象［6-7］，另外，還有學(xué)者通過(guò)彈道試驗(yàn)得到了立方體破片侵徹高強(qiáng)聚乙烯層合板的彈道極限和剩余速度的經(jīng)驗(yàn)公式［8］。以上這些針對(duì)高強(qiáng)聚乙烯層合板的研究所針對(duì)的破片主要是制式彈，這與世界上較為通用的破片模擬彈有所差別，這就導(dǎo)致在使用這些經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)容易出現(xiàn)誤差。

在以上研究背景下，本文將以較為通用的破片模擬彈侵徹不同面密度的高強(qiáng)聚乙烯層合板為研究對(duì)象開(kāi)展彈道試驗(yàn)研究，分析層合板的變形模式和吸能機(jī)理，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到彈道極限和剩余速度的經(jīng)驗(yàn)公式，并將經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果和比較著名的經(jīng)驗(yàn)估算公式進(jìn)行比較。

1 彈道試驗(yàn)概述

1.1 破片的發(fā)射及測(cè)試系統(tǒng)

由于反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部爆炸所產(chǎn)生的高速破片的形狀一般具有不規(guī)則性（預(yù)制破片除外），根據(jù)穿甲力學(xué)的理論知識(shí)，不同形狀的彈體，其侵徹機(jī)理和侵徹能力存在較大差異，這將對(duì)艦船裝甲防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其抗彈性能的評(píng)估帶來(lái)很多難以確定的因素。近年來(lái)，破片模擬彈（Fragment Simu?lating Projectile，F(xiàn)SP）在西方國(guó)家的彈道沖擊研究中被大量使用，主要有北約國(guó)家和美國(guó)。針對(duì)破片殺傷穿甲的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的FSP Stanag 2920 如圖1 所示，其彈體為圓柱體，頭部?jī)蓚?cè)有兩個(gè)鈍切削面，中間為平面凸緣，為美國(guó)國(guó)防部頒發(fā)的軍事標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-662F 和美國(guó)司法部頒布的警用人體裝甲彈道標(biāo)準(zhǔn)NIJ-0101.04 所采用。因此，本文將以10 g FSP 作 為UFRP（UHMWPE Fiber Rein?forced Plastics）的主要防護(hù)對(duì)象。

圖1 試驗(yàn)用10 g 破片模擬彈Fig.1 10 g FSP for the experiment

本文將以10 g 破片模擬彈（材料為45 號(hào)鋼，淬火處理）侵徹不同面密度的高強(qiáng)聚乙烯層合板為研究對(duì)象，通過(guò)彈道試驗(yàn)研究層合板的變形和吸能情況，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果研究彈道極限和剩余速度隨面密度變化的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。

在同一破片、同種材料靶板的情況下，認(rèn)為式（5）中的v50和n 值僅與面密度Ad有關(guān)，以此為依據(jù)，再結(jié)合表1 中的面密度、彈道極限值和剩余速度值，分別擬合得到了不同面密度對(duì)應(yīng)的n 值，如表3 所示。

剩余速度的計(jì)算和預(yù)測(cè)在裝甲設(shè)計(jì)中也具有舉足輕重的作用，它是衡量靶板抗侵徹性能的一個(gè)重要指標(biāo)。Chocrons 等［13］認(rèn)為，剩余速度可以根據(jù)Lambert方程進(jìn)行計(jì)算：

圖2 彈道試驗(yàn)示意圖Fig.2 Sketch of ballistic impact experiment

1.2 試驗(yàn)靶板的制備

為了研究UFRP 的彈道極限隨面密度的變化情況，主要研究的面密度Ad有7.1，14.0，15.4，19.3，20.6，30.3 kg/m2等，靶板面內(nèi)大小為300 mm× 300 mm，滿足文獻(xiàn)［9］提出的最小靶板尺寸200 mm × 200 mm 的要求，靶板四周被固定在支架上。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，表1 只列出了部分較為典型的彈道試驗(yàn)結(jié)果。

表1 10 g FSP 侵徹不同面密度層合板的部分試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Ballistic experimental results

2 彈道試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 彈道試驗(yàn)結(jié)果

采用高速攝影設(shè)備拍攝了彈道試驗(yàn)T2-U13的破片模擬彈侵徹過(guò)程，取侵徹開(kāi)始、侵徹中和侵徹結(jié)束3 個(gè)階段作為典型的考察階段，具體的侵徹情況如圖3 所示。

馬國(guó)平挺直腰身，走到隊(duì)列面前：“我昨天到團(tuán)部開(kāi)會(huì)，團(tuán)長(zhǎng)說(shuō)，根據(jù)情報(bào)，日軍從大別山敗退之后，重新組織兵力，隨時(shí)準(zhǔn)備反撲過(guò)來(lái)。我連首當(dāng)其沖，必須隨時(shí)作好戰(zhàn)斗準(zhǔn)備！”

圖3 T2-U13 的破片侵徹過(guò)程Fig.3 Penetration process of T2-U13

在破片模擬彈侵徹較厚UFRP 靶板的侵徹過(guò)程中（圖3），侵徹開(kāi)始階段處于表面的纖維發(fā)生斷裂，且在慣性力的作用下向靶前運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，UFRP 表層破壞時(shí)噴射出的基體碎片也產(chǎn)生了大量的白色粉末；當(dāng)初速度小于彈道極限時(shí)，靶板的背部凸起和變形區(qū)域纖維隨著侵徹的進(jìn)行而逐漸增大，且U13 呈現(xiàn)出明顯的分層和大范圍的凸起變形，這就是高強(qiáng)聚乙烯層合板具有優(yōu)越的抗彈性能的具體體現(xiàn)。

作為中國(guó)生產(chǎn)整體硬質(zhì)合金刀具的專(zhuān)業(yè)制造廠家，喜威一（北京）刀具有限公司擁有自己的品牌“CVE”，產(chǎn)品有硬質(zhì)合金標(biāo)準(zhǔn)刀具（銑刀、鉆頭及鉸刀）和非標(biāo)準(zhǔn)刀具（鉆鉸刀、內(nèi)冷鉆、階梯鉆、階梯鉸、復(fù)合刀具及成型刀具），并提供修磨、涂層服務(wù)；而刀具產(chǎn)品原材料均采用歐洲進(jìn)口合金棒料，擁有世界一級(jí)的生產(chǎn)設(shè)備。另外，該公司還是意大利UFS絲錐的中國(guó)總代理。

圖4 U9 靶板的背面變形（V0=402.3 m/s）Fig.4 Rear deformation of target U9

圖5 U10-U11 的靶板背面變形Fig.5 Rear deformation of target U10-U11

圖6 U12-U13 的靶板背面變形Fig.6 Rear deformation of target U12-U13

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

UFRP 在遭受破片模擬彈的高速侵徹時(shí)，不同厚度的靶板在相近速度侵徹時(shí)，以及同一厚度在不同沖擊速度時(shí)，都會(huì)呈現(xiàn)出不同的變形規(guī)律，如圖4～圖6 所示。

對(duì)于初速度小于彈道極限和在彈道極限附近的靶板背部的變形模式（圖4），主要體現(xiàn)在背部出現(xiàn)了大范圍的、較大的凸起，這是纖維發(fā)生拉伸變形的主要特征。同時(shí)，由于T2-U9 的速度較T1-U9 速度的更接近彈道極限，這就使得其單位面密度吸能較大，這與圖中所顯示的變形區(qū)域和凸起高度的大小一致。

本文根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，并參考常用經(jīng)驗(yàn)公式（式（4））的表達(dá)方式擬合得到了10 g 破片模擬彈侵徹高強(qiáng)聚乙烯層合板的彈道極限隨面密度的變化情況，并將計(jì)算結(jié)果列于表2 中。用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的彈道極限隨面密度的變化趨勢(shì)如圖7 所示。

3 彈道極限及剩余速度分析

3.1 彈道極限分析

國(guó)際上針對(duì)1.1 g 破片模擬彈侵徹高強(qiáng)聚乙烯層合板的彈道極限經(jīng)驗(yàn)公式較多，主要有：Ire?monger 等［10］和Lee 等［11］根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，給出了針對(duì)高強(qiáng)聚乙烯纖維平紋織物層合板的經(jīng)驗(yàn)公式，如式（1）；Grop 等［12］將破片的質(zhì)量因素考慮進(jìn)了破片彈侵徹Dyneema 裝甲的彈道極限公式，如式（2）。本文將質(zhì)量的差別代入式（2）即可得到針對(duì)10 g 破片模擬彈的彈道極限的計(jì)算公式，如式（3）所示。

受人員、船舶和通航環(huán)境等因素的影響，內(nèi)河水上交通事故時(shí)有發(fā)生，而快速有效的水上搜救是降低事故帶來(lái)的直接經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡的關(guān)鍵所在，而實(shí)施水上搜救的關(guān)鍵問(wèn)題之一就是能夠?qū)κй櫸矬w的漂移軌跡進(jìn)行精確的預(yù)測(cè)，從而提升搜救的針對(duì)性。針對(duì)這一問(wèn)題，采用Leeway模型和拉格朗日追蹤法對(duì)漂移物體的軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后結(jié)合航道邊界特征提出物體最終漂移位置的預(yù)測(cè)方法，利用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)模型仿真，仿真結(jié)果表明：提出的模型能夠在一定程度上體現(xiàn)內(nèi)河失蹤物體漂移的基本規(guī)律，能夠根據(jù)風(fēng)流特征預(yù)測(cè)物體最終漂移位置的分布情況。

分別采用式（1）和式（3）計(jì)算了本文試驗(yàn)所用到的面密度對(duì)應(yīng)的彈道極限速度，如表2 所示。從中可以看到，由于破片質(zhì)量的差異，采用常用的經(jīng)驗(yàn)公式無(wú)法真實(shí)地再現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果。

表2 不同公式計(jì)算的破片模擬彈的彈道極限值Tab.2 Ballistic limit values of FSP calculated by different formulas

上述靶板在不同侵徹速度的變形模式可以概括為：初速度遠(yuǎn)小于彈道極限時(shí)，靶板主要呈現(xiàn)拉伸變形模式，背部出現(xiàn)一定的凸起，靶板的防護(hù)能力沒(méi)有完全發(fā)揮，單位面密度吸能較?。怀跛俣仍趶椀罉O限附近時(shí)，靶板出現(xiàn)剪切和拉伸兩種破壞模式，且背部出現(xiàn)較大凸起，靶板的防護(hù)能力完全發(fā)揮出來(lái)，單位面密度吸能出現(xiàn)極大值；初速度遠(yuǎn)大于彈道極限時(shí)，靶板呈現(xiàn)剪切破壞模式，背部的凸起和單位面密度吸能都較小。因此，高強(qiáng)聚乙烯層合板在彈道極限附近的防護(hù)效率最高。

圖7 破片模擬彈侵徹UFRP 的彈道極限曲線Fig.7 Ballistic limit curve of FSP penetrating UFRP

從表2 和圖7 中可以看到，式（1）的誤差較大，其主要原因是試驗(yàn)用的破片質(zhì)量與式中所表示的不一樣，前者是1.1 g，后者是10 g，從而導(dǎo)致式（1）的計(jì)算值偏大；式（3）的誤差呈現(xiàn)出由大變小再變大的趨勢(shì)，特別是當(dāng)UFRP 的面密度達(dá)到30.3 kg/m2時(shí)，經(jīng)驗(yàn)值與試驗(yàn)值的偏差最大，其主要原因是式（3）也是根據(jù)一定的試驗(yàn)結(jié)果得到的經(jīng)驗(yàn)公式，存在一定的誤差，另外，式（3）所表示的彈道極限隨面密度的變化趨勢(shì)較緩慢，與較薄的靶板不同，這可能與靶板較厚、具有較大的剛度和吸能機(jī)理等因素有關(guān)；式（4）的計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果的誤差較小，圖7 顯示出式（4）表示的曲線與試驗(yàn)值的變化趨勢(shì)一致，可以將其作為10 g 破片模擬彈侵徹高強(qiáng)聚乙烯層合板的彈道極限的經(jīng)驗(yàn)公式。因此，在以下關(guān)于剩余速度的研究中將采用式（4）作為彈道極限速度的經(jīng)驗(yàn)公式。

3.2 剩余速度分析

高強(qiáng)聚乙烯層合板的四邊被固定在支架上，采用靶網(wǎng)計(jì)時(shí)器法測(cè)速。

作為中國(guó)財(cái)稅改革的親歷者和見(jiàn)證者，劉克崮深知個(gè)人所得稅的一大功能是調(diào)節(jié)收入分配?！盁o(wú)論是起征點(diǎn)的上調(diào)，還是專(zhuān)項(xiàng)附加扣除，都有一定程度的反向操作，使得高低收入人群間的差距越來(lái)越大”。

采用14.7 mm 滑膛彈道槍發(fā)射破片，速度由裝藥量來(lái)控制。同時(shí)，為保證發(fā)射所必須的密封性能并達(dá)到規(guī)定的速度，破片又用特制的鋁合金卡環(huán)（彈托）包覆。彈托在出膛后會(huì)自動(dòng)分離，使破片以預(yù)定的速度飛行。在進(jìn)行彈道試驗(yàn)時(shí)，布置高速攝影機(jī)和照明設(shè)備在側(cè)面拍攝彈道侵徹的全過(guò)程，以觀察靶板的變形情況和彈丸的運(yùn)動(dòng)情況。彈道試驗(yàn)示意圖如圖2 所示。

表3 不同面密度Ad 下的n 值Tab.3 Values of Ad and n

n 值與Ad的關(guān)系可以根據(jù)上述結(jié)果擬合得到，通過(guò)多種函數(shù)的模擬研究發(fā)現(xiàn)，采用指數(shù)函數(shù)的形式可以對(duì)剩余速度有更好的預(yù)測(cè)：

為了直接得到剩余速度與面密度的關(guān)系，將式（4）、式（6）代入式（5），即可得到剩余速度的經(jīng)驗(yàn)公式：

由式（7）計(jì)算得到的剩余速度值與表1 所示的彈道試驗(yàn)得到的剩余速度值的對(duì)比情況如表4和圖8 所示。從中可以看到，除個(gè)別數(shù)據(jù)外，式（7）所計(jì)算的剩余速度較好地反映了試驗(yàn)值的變化趨勢(shì)，經(jīng)驗(yàn)值和試驗(yàn)值之間的誤差較小，能夠滿足裝甲設(shè)計(jì)中對(duì)UFRP 剩余速度的精度要求。因此，可以將式（7）作為10 g 破片模擬彈侵徹高強(qiáng)聚乙烯層合板剩余速度的經(jīng)驗(yàn)公式，以有效地指導(dǎo)UFRP 裝甲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

表4 剩余速度經(jīng)驗(yàn)值Tab.4 Experiential values of residual velocity

圖8 破片模擬彈的剩余速度曲線Fig.8 Residual velocity graph of FSP

4 結(jié) 論

本文針對(duì)10 g 破片模擬彈侵徹不同面密度的高強(qiáng)聚乙烯層合板進(jìn)行了彈道試驗(yàn)研究，分析了試驗(yàn)結(jié)果和靶板的變形模式、吸能機(jī)理，比較了不同的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)彈道極限的預(yù)測(cè)精確度，研究了不同類(lèi)型破片的彈道極限、剩余速度隨面密度的不同的變化趨勢(shì)，分別得到了適合本文研究對(duì)象的計(jì)算彈道極限和剩余速度的經(jīng)驗(yàn)公式，主要結(jié)論如下：

1）10 g 破片模擬彈侵徹時(shí)，靶板在不同侵徹速度的變形模式可以概括為：初速度遠(yuǎn)小于彈道極限時(shí)，靶板主要呈現(xiàn)拉伸變形模式，靶板的防護(hù)能力沒(méi)有完全發(fā)揮；初速度在彈道極限附近時(shí)，靶板出現(xiàn)剪切和拉伸兩種破壞模式，靶板的防護(hù)能力完全發(fā)揮出來(lái)；初速度遠(yuǎn)大于彈道極限時(shí)，靶板呈現(xiàn)剪切破壞模式，單位面密度吸能也較小。因此，高強(qiáng)聚乙烯層合板在彈道極限附近的防護(hù)效率最高。

(1)保持家?；ネ?lián)系，以便家長(zhǎng)及時(shí)了解子女的在校表現(xiàn)，學(xué)校及時(shí)了解學(xué)生在家表現(xiàn)和在社會(huì)上的表現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理、及時(shí)解決，避免發(fā)生惡性事件。

意境是文學(xué)作品一種文學(xué)形態(tài)，“意”即作者所賦予作品的思想情感，而“境”則是客觀事物。作者將表達(dá)的思緒情感寄托于某種物象景象,創(chuàng)造出“景中情”的意象來(lái),在意象創(chuàng)造的基礎(chǔ)上引發(fā)讀者的想象，使其感受到一種境界—“境生像外”?！霸⑶橛诰?借景抒情,寓理于景,借景達(dá)理”是陌生化賦予了意境不可思議的審美張力，作品的“弦外之音”與“景外之景”往往帶給讀者深刻的審美想象，讀者審美想象力越豐富,意境的互借互容就越充分,意境的審美張力就越大。如，作家狄更斯《霧都孤兒》作品中，通過(guò)倫敦環(huán)境的塑造，以及人物心理情感的刻畫(huà)，折射出人物悲慘的境遇，仿佛使讀者身臨其境，深切的體會(huì)作品中的凄涼意境。

2）本文根據(jù)試驗(yàn)得到的10 g 破片模擬彈侵徹UFRP 的彈道極限和剩余速度的經(jīng)驗(yàn)公式與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，可以用它們預(yù)測(cè)UFRP 靶板的彈道極限和剩余速度，以有效指導(dǎo)UFRP 裝甲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從而降低試驗(yàn)成本，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)精度和可靠性。

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