Q235鋼單層板對平頭剛性彈抗穿甲特性研究

鄧云飛，張偉，孟凡柱，曹宗盛，郝鵬

(1.中國民航大學航空工程學院，天津 300300;2.哈爾濱工業(yè)大學空間碎片高速撞擊研究中心，哈爾濱 150080)

Q235鋼單層板對平頭剛性彈抗穿甲特性研究

鄧云飛1，張偉2，孟凡柱1，曹宗盛2，郝鵬1

(1.中國民航大學航空工程學院，天津 300300;2.哈爾濱工業(yè)大學空間碎片高速撞擊研究中心，哈爾濱 150080)

采用撞擊實驗和理論模型對單層金屬板的抗侵徹性能進行了研究，分析了靶體厚度對抗侵徹性能的影響。通過對比撞擊實驗和理論模型計算結(jié)果，驗證了理論模型和參數(shù)的有效性。結(jié)果表明，采用合適的理論模型能夠有效地預測靶板在彈體撞擊下的彈道極限。此外，分析了靶體在彈體撞擊下的塑性變形總耗能，包括靶板局部變形和整體變形的耗能，同時考慮了靶體材料的應變率效應。在平頭彈撞擊厚靶的工況中，引入了一個修正函數(shù)對靶體厚度進行修正。

彈體;靶體;撞擊;侵徹;彈道極限

彈靶撞擊相互作用過程為典型的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應問題，嚴重依賴彈體、靶體的材料響應。延性金屬靶板在剛性彈體正撞擊下的變形包含整體結(jié)構(gòu)響應及局部失效。隨靶板厚度增加靶板的整體變形減小，直至可忽略，主要破壞模式由全局響應轉(zhuǎn)變?yōu)榫植宽憫?，耗能機理也會發(fā)生改變。靶板不同的破壞模式伴隨不同塑性變形及耗能機制，因此應按耗能機制對彈體撞擊的金屬板穿透模式進行研究［1］。

Woodward等［2－4］通過建立金屬靶板穿透模型，分析靶板破壞模式間聯(lián)系及靶板發(fā)生不同破壞模式對應的耗能方式，進行定量描述;總結(jié)出剛性尖頭彈擊穿金屬靶板的3種基本穿孔模式，即延性擴孔型、擴孔沖塞型及擴孔沖碟型;基于梁的彎曲理論，考慮貫穿過程中剪力、彎曲、膜力拉伸及彎曲、膜力拉伸耦合，但失效準則與靶板材料性能未聯(lián)系。Forrestal等［5－6］假定侵徹貫穿過程為單一延性擴孔過程，用空腔膨脹理論研究剛性尖頭彈侵徹、貫穿鋁合金靶板問題，但未考慮靶板背面自由邊界對穿孔后期影響。Wen等［7－9］通過大量的實驗、理論研究軟鋼及鋁合金圓板在固支邊界條件下受低速剛性平頭彈正撞擊的響應及穿透，提出金屬靶板在彈體正撞擊下的半經(jīng)驗公式及理論公式。Jones等［10－11］認為高速撞擊下貫穿的理論分析往往忽略整體結(jié)構(gòu)變形，而結(jié)構(gòu)變形會引起膜力，但膜力在低速沖擊時為重要能量吸收方式;并利用能量平衡考慮橫向剪切、徑向及環(huán)向彎曲、膜力，給出圓板在鈍頭彈撞擊下的響應。Chen等［12］提出剪切、彎曲耦合的理論分析模型，給出彈道極限及剩余速度的顯式解答。潘建華等［13］研究簡單剪切、絕熱剪切破壞的轉(zhuǎn)變條件。

本文利用帶總體變形的局部簡單剪切破壞Wen－Jones［14］模型研究單層靶的抗撞擊特性，通過對比撞擊實驗及理論模型計算結(jié)果，驗證理論模型的可靠性及精度。此外，基于實驗數(shù)據(jù)，據(jù)靶板失效機理對平頭彈撞擊下延性金屬板的穿透模式進行研究。

1 撞擊實驗

實驗在哈爾濱工業(yè)大學高速撞擊研究中心一級氣炮上進行。測試設(shè)備主要包括氣室、口徑12.7 mm長2 m發(fā)射管、靶艙、激光測速系統(tǒng)、高速攝像機系統(tǒng)等［1］。彈體為平頭桿彈，由經(jīng)特殊熱處理的38CrSi合金鋼加工而成，熱處理硬度約53 HRC，直徑12.62 mm，名義質(zhì)量34.5 g，彈體形狀及尺寸見圖1。靶體為單層Q235鋼板，正方形靶板尺寸250 mm×250 mm，靶板四周加工螺栓孔，通過8個M8螺栓與靶架固定，靶板自由跨度210 mm×210 mm。厚度分別為1 mm、2 mm、6 mm，靶板對應記為T2，T4，T12。材料性能參數(shù)見文獻［16］。

圖1 彈體形狀及尺寸(mm)Fig.1 Geometry of the projectiles

圖2為平頭彈撞擊單層薄板的典型過程圖像，追蹤彈體撞擊靶體全過程。金屬彈體在侵徹過程中保持剛性，而靶體在撞擊過程中常發(fā)生較大整體結(jié)構(gòu)變形及局部化變形，如延性擴孔、沖塞、盤式凹陷及沖碟等，且產(chǎn)生圓形帽狀沖塞。

圖2 平頭彈體對薄靶的典型撞擊工況: T4，vi=145.61 m/s，vr=87.54 m/sFig.2 Selection of high－speed camera images showing perforation process of the plates

表1為通過實驗獲得的初始－剩余速度數(shù)據(jù)，其中Vi，Vr分別表示彈體初始撞擊速度及貫穿靶體后剩余速度。

用R－I公式［17］處理彈體的初始速度－剩余速度關(guān)系，所得靶體彈道極限表達式為

式中:Vi為彈體初始撞擊速度;Vr為彈體貫穿靶板后剩余速度;Vbl為彈道極限速度;a，p為待定常數(shù)，可通過實驗所得彈體初始－剩余速度數(shù)據(jù)進行最小二乘擬合獲得，a=mp/(mp+mpl)，mp、mpl分別為子彈及沖塞質(zhì)量。

表1 Q235鋼靶侵徹實驗結(jié)果Tab.1 Penetration test results of Q235 steel targes

圖3 彈體貫穿靶體初始－剩余速度Fig.3 Residual vs.initial velocities for targets

表2為據(jù)式(1)擬合所得模型參數(shù)，其中a＜1說明彈體撞擊靶體會產(chǎn)生沖塞。此外，彈道極限Vbl及參數(shù)a隨靶體厚度增加而減小，而p則無變化規(guī)律。

表2 Q235鋼靶彈道極限及模型參數(shù)Tab.2 Ballistic limits and model constants of Q235 targets

圖3為彈體侵徹靶板初始－剩余速度實驗數(shù)據(jù)及利用式(1)擬合的初始－剩余速度曲線。

2 理論模型

由實驗結(jié)果知，隨板厚變化在剛性平頭彈正撞擊下延性金屬板破壞模式可分兩種，即帶總體變形的拉伸破壞及局部化剪切沖塞破壞［18］。靶板越厚靶體變形越局部化，整體變形可忽略不計［13］。

Wen等［19］據(jù)虛功原理，基于延性金屬板準靜態(tài)理論建立的平頭彈低速沖擊下金屬板沖塞破壞模型適用于靶體無絕熱剪切破壞情況。金屬靶板在剛性平頭彈撞擊下發(fā)生沖塞破壞，見圖4。

圖4 平頭彈撞擊金屬靶板示意圖Fig.4 Schematic of metal targets impacted by blunt－nosed projectiles

設(shè)靶體材料為理想塑性材料，且據(jù)假設(shè)的橫向變形速度場獲得靶體變形位移場為

式中:W0為彈靶接觸區(qū)域橫向位移;W為半徑r處橫向位移;R為靶體固支半徑;a為彈體半徑;H為圓形金屬靶板厚度。

給定等效塑性應變?yōu)?，據(jù)不同應變率下屈服應力利用式(14)進行擬合，得p=1400，q=1.5。不同應變率下屈服強度實驗值與理論值對比見圖5。

圖5 不同應變率下屈服強度實驗值與理論值對比Fig.5 Comparisons of yield strengths between theoretical predictions and tests for various strain rates

3 結(jié)果與討論

利用式(18)對T2、T4、T12實驗工況進行計算，對比實驗、理論計算的彈道極限發(fā)現(xiàn)，在薄板情況下兩者吻合較好(表2);但在厚板情況T12時，彈道極限理論值257.4 m/s較實驗值203 m/s大。原因為靶體有效厚度小于實際厚度。圖6為彈孔全局及剖面放大圖，其中圖6(b)彈孔剖面放大倍數(shù)為50、100。在侵徹方向，彈孔前部分較光滑，后部分較粗糙(裂紋區(qū)域)，原因為延性金屬板在平頭彈撞擊下靶體內(nèi)在彈體前面產(chǎn)生裂紋，且裂紋擴展速度高于彈體速度，造成靶體有效厚度下降。

圖6 平頭彈撞擊單層中厚板回收樣件(vi=314.69 m/s，vr=218.18 m/s)Fig.6 Deformed plates and plugs after impacted by blunt－nosed projectiles

因此，引入修正函數(shù)ω(H)對靶板厚度進行修正。有效厚度He表述為

式中:ω(H)為與靶體厚度相關(guān)的函數(shù)，寫成冪級數(shù)形式為

式中:a，b，c為待定常數(shù)。

利用不同厚度靶體的實驗結(jié)果對ω(H)進行擬合，得

計算T12彈道極限時利用式(20)估算彈體侵入靶體有效厚度，再將估算值代入式(18)，得T12彈道極限速度為198.7 m/s，與實驗值203 m/s較接近，見表3。由分析知，該模型能較好預測延性金屬板對平頭彈的彈道極限。

表3 單層板對平頭彈彈道極限理論值與實驗值對比Tab.2 Comparisons of the experimental and theoretical results for blunt-nosed projectiles

4 結(jié)論

(1)本文通過撞擊實驗與理論模型研究剛性平頭彈體正撞擊下金屬靶板失效機理及耗能機制，采用合適理論模型計算所得靶體彈道極限值與實驗值一致。

(2)分析靶體在彈體撞擊下總耗能，包括靶板局部變形及整體變形的總耗能，并考慮靶體材料的應變率效應。

(3)厚金屬板在平頭彈撞擊下靶體在運動彈體前面會產(chǎn)生微裂紋，造成彈體的有效侵入厚度小于靶體厚度。需引入修正函數(shù)對靶體厚度進行修正。

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Ballistic resistance of Q235 steel monolithic plates impacted by rigid blunt-nosed projectiles

DENG Yun－fei1，ZHANG Wei2，MENG Fan－zhu1，CAO Zong－sheng2，HAO Peng1
(1.College of aeronautical Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China; 2.Hypervelocity Impact Research Center，Harbin Institute of Technology，Harbin 150080，China)

Impact tests and theoretical analysis were carried out to study the ballistic performance of monolithic steel plates，and the influence of thickness of plates on ballistic performance was revealed.In general，good agreement was obtained between the predictions from analytical model and the experimental results.The results show that the theoretical model can be used to predict the limit ballistic velocities of plates under the impact of projectiles.Moreover，the energy absorption due to plastic deformation of plates was discussed and accounted，including local and global deformation energy absorption，and the effect of strain rate of plate material was also taken into account.An amendment function was used to correct the thickness of plate in the case of plate impacted by blunt－nosed projectile.

projectile;target;impact;penetration;ballistic resistance

O347;O385

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.02.013

中國民航大學科研啟動資金資助項目(2013QD03X);中央財經(jīng)高校項目(3122014D018)

2013－11－08修改稿收到日期:2014－01－02

鄧云飛男，講師，1982年生

張偉男，教授，博士生導師，1964年生郵箱:zhdawei@hit.edu.cn