步槍彈侵徹帶軟硬復(fù)合防護明膠靶標(biāo)的數(shù)值模擬

羅少敏,徐誠,陳愛軍,張曉云,劉蘇蘇

(1.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院,江蘇南京 210094;2.南京理工大學(xué)理學(xué)院,江蘇南京 210094)

步槍彈侵徹帶軟硬復(fù)合防護明膠靶標(biāo)的數(shù)值模擬

羅少敏1,徐誠1,陳愛軍2,張曉云1,劉蘇蘇1

(1.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院,江蘇南京 210094;2.南京理工大學(xué)理學(xué)院,江蘇南京 210094)

為研究步槍彈撞擊帶軟硬復(fù)合防護明膠靶標(biāo)的作用過程和作用機理,采用顯式有限元方法對7.62 mm步槍彈侵徹復(fù)合靶標(biāo)過程進行數(shù)值模擬,分析侵徹過程中的典型現(xiàn)象及明膠靶標(biāo)動態(tài)響應(yīng)。數(shù)值計算結(jié)果表明:陶瓷錐的形成是由壓縮應(yīng)力波和拉伸應(yīng)力波共同作用的結(jié)果;彈頭加速度變化存在明顯的分段與拐點,侵徹陶瓷面板過程中,加速度達到最大,侵徹聚乙烯(PE)背板層時,出現(xiàn)第二個拐點;由于防護層存在多個界面,撞擊過程中PE背板界面存在速度多峰現(xiàn)象:當(dāng)彈頭運動加速度達到最大時,PE背板界面出現(xiàn)第一個速度峰,明膠界面出現(xiàn)第一個壓力峰;當(dāng)彈頭開始侵徹PE背板時,背板層出現(xiàn)第二個速度峰;在步槍彈撞擊過程中明膠內(nèi)壓力波傳遞呈現(xiàn)球形波基本形態(tài),壓力峰值隨距離增加呈指數(shù)衰減。

兵器科學(xué)與技術(shù);槍彈;數(shù)值模擬;軟硬復(fù)合防護;明膠;侵徹

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)場槍彈與破片對士兵的威脅最大,由硬質(zhì)防彈插板和軟質(zhì)防彈衣組成的軟硬復(fù)合防護成為最主要的單兵防護具。一般情況下,步槍彈的速度達到700～980 m/s,在該速度段內(nèi)針對步槍彈對帶軟硬復(fù)合防護的有生目標(biāo)作用效應(yīng)的研究具有重要的現(xiàn)實意義和工程應(yīng)用價值。

關(guān)于步槍彈撞擊軟硬復(fù)合防護的研究,國內(nèi)外主要集中在步槍彈直接侵徹陶瓷及侵徹陶瓷面板與背板組成的復(fù)合防護層,研究侵徹全過程動態(tài)響應(yīng)和防護層防護能力。Krishnan等[1]研究了陶瓷/高聚乙烯(UHMWPE)復(fù)合板的抗彈性能,以數(shù)值模擬對比彈道穿深實驗驗證了有限元網(wǎng)格的精細程度對計算結(jié)果的影響,分析了彈頭對陶瓷/高聚乙烯復(fù)合板的侵徹過程,為單兵防彈衣的毀傷預(yù)測提供了參考。Feli等[2-3]研究了槍彈侵徹陶瓷—纖維復(fù)合材料過程,認為隨著彈頭初始速度的減小陶瓷錐最大角度增大,同時隨著初始速度的增加,纖維凹面層數(shù)增多,頂部復(fù)合板的變形減小。Fawaz[4]等基于Hypermesh和LS-DYNA平臺研究了陶瓷復(fù)合防護的侵徹響應(yīng),認為在有角度侵徹比垂直侵徹,破壞更為嚴(yán)重,為防護材料的優(yōu)化提供了合理的依據(jù)。但上述研究未直接涉及到步槍彈對軟硬復(fù)合防護后的有生目標(biāo)作用效應(yīng)。由于有生目標(biāo)的特殊性和復(fù)雜性,對其作用效應(yīng)的研究難以直接進行,國內(nèi)外通常采用明膠靶標(biāo)來模擬。帶軟硬復(fù)合防護的明膠靶標(biāo)是彈道實驗和評估步槍彈對帶防護有生目標(biāo)的作用效應(yīng)的主要靶標(biāo),目前國內(nèi)外未見采用數(shù)值模擬研究步槍彈對帶軟硬復(fù)合防護的明膠靶標(biāo)作用效應(yīng)相關(guān)文獻報道。

本文結(jié)合相關(guān)彈道實驗,建立了與之對應(yīng)的有限元數(shù)值計算模型,利用顯式有限元方法進行數(shù)值模擬,再現(xiàn)了7.62 mm步槍彈對帶軟硬復(fù)合防護的明膠靶標(biāo)的侵徹過程。數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好,驗證了所建立的有限元模型的正確性。在此基礎(chǔ)上,研究侵徹過程中典型物理現(xiàn)象和非貫穿侵徹時防護后明膠靶標(biāo)動態(tài)響應(yīng),為非貫穿侵徹帶軟硬復(fù)合防護有生目標(biāo)的毀傷機理認識、評估,槍彈優(yōu)化設(shè)計以及單兵防護裝備優(yōu)化設(shè)計提供了參考。

1 數(shù)值計算模型及實驗驗證

1.1 有限元模型

本文研究的帶軟硬復(fù)合防護明膠靶標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示,它由陶瓷面板、聚乙烯(PE)背板和高聚乙烯纖維軟防護層及明膠組成。陶瓷輕質(zhì)高強防彈插板為PE材料陶瓷復(fù)合板,由高性能PE纖維“UD”無緯布和氧化鋁陶瓷材料構(gòu)成,符合美國NIJ標(biāo)準(zhǔn)防Ⅲ級,規(guī)格尺寸為250 mm×300 mm.軟質(zhì)防護為超高分子量聚乙烯纖維防彈材料,符合GA141-2001警用標(biāo)準(zhǔn)防Ⅱ級。明膠材料為4℃、10%彈道明膠,作為仿生肌肉靶標(biāo),在制作過程中,將插板和軟防護與明膠材料一起脫模。本文主要研究7.62 mm步槍彈對該帶軟硬復(fù)合防護明膠靶標(biāo)的作用效應(yīng)。

對圖1所示靶標(biāo)進行有限元網(wǎng)格劃分,離散化后有限元網(wǎng)格如圖2(a)所示,為兼顧計算時長與計算精度,對防護層和明膠塊中心彈著點區(qū)域進行進一步細化:面板、背板層和軟防護在彈著點中心5倍半徑區(qū)域加密,向外劃分逐漸稀疏,面板和背板中心區(qū)域劃分30段,如圖2(b)所示;彈頭由彈頭殼被甲、鉛套和鋼芯組成,彈頭殼錐部與圓柱部過渡部分由3個單元轉(zhuǎn)化為2個單元,鉛套前部精細劃分,鋼芯部分由頭部向尾部逐漸稀疏,如圖2(c)所示。彈頭、陶瓷面板層、PE背板層和明膠塊采用SOLID單元,其中彈頭中彈頭殼共 9 792個單元,鉛套共10 400個單元,鋼芯共9 216個單元;陶瓷面板共63 000個單元;PE背板共126 000個單元;明膠塊共180 000個單元。軟防護共46層,采用Shell單元建模,中心加密方式與面板和PE背板一致,共165 600個單元。

數(shù)值模擬中邊界條件設(shè)置與實驗一致,彈頭殼、鉛套與鋼芯設(shè)置自動面面侵蝕接觸,靶板與軟質(zhì)防護以及明膠塊之間設(shè)置為自動面面接觸,陶瓷插板面板層與背板層之間設(shè)置固連失效接觸,實驗中軟防護層與層之間無膠粘材料,因此軟質(zhì)防護內(nèi)部設(shè)置自動單面接觸,彈頭與復(fù)合靶標(biāo)之間設(shè)置面面侵蝕接觸,整體采用單點積分,明膠塊設(shè)置沙漏控制。

圖2 彈頭侵徹靶板及明膠有限元網(wǎng)格Fig.2 Finite element mesh of bullet impacting armor and gelatin

1.2 材料模型與參數(shù)

彈頭的被甲、鉛套和鋼芯采用Johnson-Cook模型結(jié)合Gruneisen狀態(tài)方程來描述彈頭在侵徹過程中材料的力學(xué)行為,其材料參數(shù)與文獻[5]相同。陶瓷面板采用Johnson-Hoimquist模型來描述,根據(jù)文獻[6-7]來進行主要參數(shù)的賦值。描述背板和軟防護的材料性能都采用 MAT_COMPOSITE_ FAILURE_OPTION_MODEL材料模型,對于PE背板采用SOLID單元,對于軟防護采用SHELL單元。該模型由Cheng等[8]嵌入LS-DYNA軟件中,是包含8種失效模式的正交異型材料模型,根據(jù)所做基礎(chǔ)材料實驗及文獻[9]確定主要材料參數(shù)值。表1給出了PE背板采用的材料模型參數(shù),表2給出了PE纖維軟防護的材料模型參數(shù)。明膠靶標(biāo)采用流體彈塑性材料模型(MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO)結(jié)合LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程來描述,材料參數(shù)參考文獻[10-11],與文獻[5,12]相同。

1.3 模型驗證

為驗證本文所建立有限元仿真模型的可信性和準(zhǔn)確性,進行了7.62 mm步槍彈侵徹帶軟硬復(fù)合防護的明膠靶標(biāo)實驗。實驗中采用的軟硬復(fù)合防護靶標(biāo)結(jié)構(gòu)尺寸與圖1相同,入靶速度由光電測速靶測量,明膠內(nèi)壓力由壓電晶體傳感器測量,高速攝像機拍攝彈頭與防護及靶標(biāo)作用過程。下面從實驗后彈頭結(jié)構(gòu)形態(tài)和穿深、背凸量、最大壓力、明膠靶標(biāo)瞬時凹入量等方面將計算結(jié)果與實驗結(jié)果進行了比較。

表1 PE背板材料主要參數(shù)Tab.1 Mechanics properties of materials of PE

表2 軟防護材料主要參數(shù)Tab.2 Mechanics properties of materials of so ft armor

數(shù)值仿真結(jié)果和實驗結(jié)果皆顯示步槍彈均未穿透防護:步槍彈穿過陶瓷面板,繼續(xù)侵徹PE背板層,最終停留在插板背板層中。如圖3所示,彈頭作為投射物在撞擊過程中受到防彈插板阻礙,不斷破碎及變形,彈芯頭部墩粗,呈明顯的“蘑菇”形,計算的彈頭形態(tài)與實驗結(jié)果基本一致。

表3給出了計算獲得的典型侵徹特征量與實驗結(jié)果的比較,可知計算獲得的步槍彈穿深、剩余長度、明膠中壓力峰值以及明膠靶標(biāo)最大瞬時凹入量等與實驗結(jié)果基本一致。綜合計算與實驗對比情況可知,本文所建立的有限元模型具有較好的可信度和準(zhǔn)確性,能夠有效地模擬殺傷元對軟硬復(fù)合防護后的明膠靶標(biāo)的侵徹作用和動態(tài)響應(yīng)。

圖3 彈頭形態(tài)對比Fig.3 Comparison of bullet configurations

2 計算結(jié)果分析

2.1 侵徹過程中防護層應(yīng)力變化特性

彈體撞擊陶瓷面板,產(chǎn)生一束壓力波,壓力波在橫向和縱向方向傳播,彈著點及其附近區(qū)域開始產(chǎn)生損傷,如圖4中10 μs時刻。縱向壓力波沿彈道方向傳播,到達陶瓷面板與PE背板界面處時,由于陶瓷材料和高聚乙烯材料的密度和聲阻抗等性質(zhì)的差異,會反射形成一個拉伸波,被壓縮的固體材料會膨脹,拉伸波與彈體前進方向反向傳播,不同材料界面開始出現(xiàn)損傷,當(dāng)時長在30 μs時,陶瓷錐基本形成。圖4描述了典型時刻段防護材料應(yīng)力分布情況。反射拉伸波在陶瓷面板內(nèi)不斷傳播,陶瓷錐不斷擴展,至彈頭停止運動。

在由硬質(zhì)插板和軟質(zhì)防護材料組成的防護體系中,插板防護對彈頭的侵徹阻滯和動能消耗起主要作用。彈頭在界面擊潰過程中材料流動發(fā)生質(zhì)量侵蝕和變形,損耗部分動能,同時受到靶板阻力作用,侵徹速度下降,直至被攔截停止運動。彈頭與軟硬復(fù)合防護接觸全過程,伴隨了陶瓷擊潰、彈頭變形、背板背凸變形、軟質(zhì)防護變形和明膠靶標(biāo)動態(tài)凹陷等主要物理現(xiàn)象。在侵徹過程中,陶瓷材料受到拉壓應(yīng)力波的反復(fù)作用發(fā)生裂紋擴展、破碎及飛濺,如圖5所示。通過靶板z向應(yīng)變云圖與等值線可以看出,拉伸損傷和壓縮破壞對陶瓷錐的影響很大,陶瓷錐中心區(qū)域由于受到壓縮應(yīng)力波作用出現(xiàn)負應(yīng)變,在陶瓷錐邊沿區(qū)域由于受到反射拉伸波的作用出現(xiàn)正應(yīng)變,應(yīng)變云圖與陶瓷錐基本形態(tài)相似。背板層與彈頭直接接觸時,阻擋彈頭繼續(xù)侵徹,發(fā)生變形,壓縮軟質(zhì)防護層變形,同時明膠靶標(biāo)受到撞擊產(chǎn)生凹陷,彈頭直接侵徹結(jié)束后明膠靶標(biāo)發(fā)生長時間動態(tài)卸載消耗傳遞至模擬靶標(biāo)的能量。

表3 數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比Tab.3 Comparison of numerical and experimental results

2.2 彈靶相互作用過程中速度、加速度變化特性

彈頭速度變化、加速度的變化與整個侵徹過程中陶瓷面板、PE背板的物理特性相關(guān),與陶瓷錐的成型、背板的變形直接相關(guān)。圖6給出了計算所獲得的彈頭侵徹帶軟硬復(fù)合防護的明膠靶標(biāo)過程中速度曲線和加速度曲線,在彈頭速度衰減曲線上標(biāo)出了3個特征點:A0點為運動初始接觸點,B0點為彈頭部分即將穿過陶瓷面板與背板接觸時刻,C0點為運動速度為0時刻。

在加速度曲線上,A1點為運動初始點,B1點為加速度最大點,在C1點時加速度曲線出現(xiàn)第二個拐點,D1點加速度值減小為0.根據(jù)圖6和圖4,將彈頭侵徹過程和加速度變化分為3段:

1)A1B1段,約為0～20 μs,彈頭頭部與陶瓷面板初始接觸,加速度急劇增大,彈頭頭部材料向外流動而發(fā)生質(zhì)量侵蝕和變形。在彈頭界面擊潰過程中,陶瓷面板受到高速沖擊作用,開始出現(xiàn)初始裂紋,在頭部“擠進”陶瓷面板后,加速度達到最大,此階段視為彈頭侵徹過程的開坑階段。開坑部分直徑大于彈頭直徑。

2)B1C1段,約為20～50 μs,陶瓷面板由于短時間的強沖擊破碎,對彈頭的阻力減小,后期主要以摩擦阻力為主。在此階段內(nèi)陶瓷錐形成,彈頭與陶瓷錐一起運動,同時受到背板阻力與面板摩擦力作用,加速度減小。此階段可視為彈頭在陶瓷面板內(nèi)運動的穩(wěn)定侵徹階段,速度曲線上的B0點與B1C1曲線段上的C1點很接近。

3)C1D1段,約為50～90 μs,在C1點,加速度曲線出現(xiàn)第二個拐點,彈頭頭部部分嵌入PE層壓板內(nèi)部,彈頭主要受到背板阻力作用,加速度逐漸衰減,直至減小為0.速度曲線上的C0點與C1D1段上的D1點不重合。隨著彈頭的運動PE背板的變形成為主要的吸能方式,背板背凸量增大直至彈頭停留在背板內(nèi),同時彈芯發(fā)生墩粗,整體長度變短。

彈頭在侵徹過程中主要包括:界面擊潰、彈芯墩粗變形、磨損發(fā)熱等。彈頭變形主要發(fā)生在約前50 μs:在彈頭界面擊潰階段,彈頭頭部錐頭部分磨損侵蝕,彈頭形狀和質(zhì)量發(fā)生改變,與靶板接觸面積變大;在彈頭受到背板防護阻力作用過程中,彈頭的變形對侵徹的影響較為明顯,伴隨彈芯墩粗和質(zhì)量侵蝕,侵徹速度下降,同時會發(fā)生加速度的跳躍,如B1C1曲線段較為明顯的跳躍點。

圖4 侵徹過程典型時刻Fig.4 Penetration processes at some typical moments

圖5 靶板z向應(yīng)變云圖(t=30 μs)Fig.5 Strain contour of ceramic/PE composite target in direction z(t=30 μs)

圖6 彈頭速度和加速度變化曲線(v0=734 m/s)Fig.6 The variation of projectile velocity and acceleration(v0=734 m/s)

2.3 靶標(biāo)界面速度變化特性

在整個侵徹過程中靶標(biāo)存在3個界面,其中兩個明顯界面:一是插板防護與軟質(zhì)防護之間;二是軟質(zhì)防護與明膠靶標(biāo)之間。一個不明顯界面,即插板防護中陶瓷面板與PE背板材料之間。分析界面位置處單元及質(zhì)點的速度、加速度對于研究非貫穿侵徹作用下明膠靶標(biāo)的損傷機制尤為重要。

數(shù)值模擬中在彈頭彈道方向上選取PE背板與軟質(zhì)防護、軟質(zhì)防護與明膠靶標(biāo)界面處單元,分析明膠靶標(biāo)在侵徹過程中的動態(tài)特性。與軟防護接觸的PE背板單元為71 986,與軟防護接觸的明膠靶標(biāo)單元為354 809,圖7為背板及明膠界面速度變化曲線,可以看出明膠界面單元的最大速度為66.8 m/s, PE背板單元運動的最大速度為87.3 m/s.

如圖7所示,背板界面存在速度多峰。對比圖6,背板界面單元第一個速度峰值點出現(xiàn)的時間約在20 μs左右,與彈頭加速度最大值出現(xiàn)的時刻基本一致。背板速度第一個峰值的出現(xiàn)與彈頭的強沖擊直接相關(guān):彈頭撞擊陶瓷面板層,在此過程中出現(xiàn)第一個速度上升沿并達到最大;在形成陶瓷錐后,彈頭與陶瓷錐一起運動,繼續(xù)運動過程中伴隨陶瓷的破碎,對彈頭的阻力開始減小,出現(xiàn)“卸載”現(xiàn)象,但隨著彈頭到達PE背板,與PE背板接觸,PE背板的速度增大出現(xiàn)第二個峰值。軟防護最后一層與明膠界面單元第一個速度峰值時刻出現(xiàn)一定延遲,這與沖擊過程中壓力波的傳遞有關(guān),同時由于防護層變形,軟防護最后一層會擠壓明膠界面使得明膠界面速度出現(xiàn)第二個平緩峰值,隨后明膠界面與軟防護最后一層開始出現(xiàn)明顯的界面分離。

圖7 界面單元速度變化Fig.7 The variation of interface velocity

2.4 明膠內(nèi)壓力波傳遞特性

在撞擊過程中,當(dāng)彈頭接觸防護材料,壓力波形成,傳遞至界面,形成拉伸波。壓力波繼續(xù)經(jīng)由軟質(zhì)防護傳播至明膠模擬靶標(biāo),如圖8所示,在傳播初始階段,明膠靶標(biāo)內(nèi)典型時刻壓力波傳遞呈現(xiàn)球形波基本形態(tài)。沿彈頭侵徹方向每隔2 cm選取明膠上單元,共4個測點,測點壓力隨時間變化曲線如圖9所示。

計算獲得的明膠界面壓力峰值達到94.1 MPa,界面壓力曲線會出現(xiàn)第二個壓力峰值,這是由于彈頭與PE背板撞擊所致;壓力波在明膠內(nèi)傳播速度為1 421.5 m/s,實驗中測得傳播速度為1 501 m/s,二者基本一致。壓力峰值隨距離衰減情況如圖10所示,壓力波在傳播過程中,隨著傳播距離增加,壓力峰值呈指數(shù)下降。

3 結(jié)論

本文針對步槍彈侵徹帶軟硬復(fù)合防護的明膠靶標(biāo),進行了有限元建模和數(shù)值模擬,通過與實驗結(jié)果的對比驗證了有限元模型的可信性和準(zhǔn)確性,計算結(jié)果表明:

1)彈頭在撞擊過程中,彈頭加速度存在明顯的分段與拐點。侵徹陶瓷面板過程中,加速度達到最大,侵徹PE背板層時,出現(xiàn)第二個拐點。彈頭變形主要發(fā)生在侵徹陶瓷面板運動過程中,侵徹背板時主要吸能方式為PE背板的拉伸變形。

圖8 明膠內(nèi)壓力波傳遞Fig.8 Propagation of shock waves in gelatin

圖9 不同距離測點處壓力波形曲線Fig.9 Pressure of shock waves at different distances

2)由于靶標(biāo)存在多個防護層界面,撞擊過程中PE背板界面點存在速度多峰現(xiàn)象,出現(xiàn)時刻與彈頭運動存在一定的關(guān)聯(lián)。當(dāng)彈頭運動加速度達到最大時,在彈頭強沖擊下,背板材料背面彈道方向單元速度達到第一個速度峰,隨后明膠界面出現(xiàn)第一個壓力峰,最大壓力達到94.1 MPa,防護層界面處明膠單元最大運動速度達到66.8 m/s.當(dāng)彈頭開始進入背板層時,PE背板第二個速度峰,導(dǎo)致明膠壓力曲線出現(xiàn)第二個峰值。

3)沖擊過程中,明膠內(nèi)壓力波傳遞呈球形波形態(tài),壓力峰值隨傳播距離呈指數(shù)規(guī)律衰減。

圖10 壓力峰值隨距離變化情況Fig.10 Peak pressure versus distance

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Numerical Simulation of Bullets Penetrating into Gelatin Target with Hard/Soft Composite Armor

LUO Shao-min1,XU Cheng1,CHEN Ai-jun2,ZHANG Xiao-yun1,LIU Su-su1
(1.School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China; 2.School of Science,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China)

In order to explore the interaction process and mechanism of bullet impacting a gelatin target with hard/soft composite armor,the penetration of 7.62 mm bullet into composite armor and gelatin is numerically simulated using an FEA method,and the typical phenomena of impacting process and the dynamic response of gelatin target are analyzed.The simulation results show that the formation of the ceramic cone results from the compressive and tensile stress waves.The obvious segmentation and inflection points display on the curve of projectile acceleration.The acceleration reaches its maximum when the projectile penetrates into a ceramic faceplate.The second inflection point appears when the projectile penetrates into PE rear plate.The multi-peaks appear on the velocity curve of PE rear plate due to multiple interfaces on protection layer:When the projectile reaches the maximum acceleration,the first peak appears,and the first pressure peak appears on gelatin interface;the second peak appears when the projectile penetrates into PE rear plate.The propagation of pressure wave in gelatin presents the basic form of spherical wave,and the pressure peak propagation complies with the law of exponential decay.

ordnance science and technology;bullet;numerical simulation;hard/soft composite armor; gelatin;penetration

TJ012.4

:A

:1000-1093(2014)08-1172-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.08.006

2013-10-25

羅少敏(1987—),男,博士研究生。E-mail:1119lsm@163.com;徐誠(1962—),男,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:xucheng62@mail.njust.edu.cn