平頭彈穿透間隙式雙層靶的穿甲模式

劉 兵,陳小偉,2

(1.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010；2.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999)

平頭彈穿透間隙式雙層靶的穿甲模式

劉 兵1,陳小偉1,2

(1.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010；2.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999)

平頭彈貫穿單層金屬靶，隨著靶厚的增加和彈速的增高，穿甲模式均可能由剪切沖塞向絕熱剪切沖塞轉換。因此，對于雙層或多層靶的穿甲，其不同層的靶板失效模式可能是不同的。本文中對相關的平頭彈穿甲Weldox 700E單層及雙層間隙式鋼靶的實驗數(shù)據(jù)進行分析，討論其穿甲模式。彈速較高時，貫穿第1層靶發(fā)生絕熱剪切失效，彈速降低，貫穿第2層靶板發(fā)生絕熱剪切失效或剪切沖塞失效,最終失效模式為絕熱剪切和剪切沖塞混雜。

固體力學；穿甲模式；剪切沖塞；間隙式雙層靶；絕熱剪切沖塞；單層靶

在軍事應用和民用防護中，平頭彈穿甲金屬板起著重要作用。隨著實驗技術的提高、計算機的發(fā)展和相關理論的提出，平頭彈對單層靶破壞模式得到了較充分的認識。近年來，雙層靶的穿甲破壞模式研究受到廣泛關注，但還遠不及單層靶，對雙層靶研究的深度和寬度也很有限。目前主要手段為實驗研究和數(shù)值模擬，缺乏失效模式的理論模型。

S.Dey等[1]通過實驗，研究了平頭彈對雙層靶以及相同厚度的單層靶的侵徹性能，認為雙層靶比單層靶的彈道極限高是由于兩者的變形和失效形式不同，雙層靶產生較大的彎曲變形，耗散更多能量。張偉等[2]通過實驗發(fā)現(xiàn)(2×5+200) mm間隙式雙層靶結構發(fā)生沖塞剪切破壞，認為來自于第1層靶板的塞塊對靶板的彈道極限產生影響。X.Teng等[3]通過ABAQUS/EXPLICIT軟件建立二維軸對稱模型，結果表明，將單層靶分為兩層時對平頭彈的抗侵徹能力提高7%～25%。R.L.Woodward等[4]分析認為，第1層為厚靶時發(fā)生沖塞破壞，較薄時發(fā)生碟形破壞，同時假定后層靶板的失效模式為碟形破壞。鄧云飛等[5]通過實驗，研究了間隙對A3鋼薄板抗尖卵形彈侵徹性能的影響，認為間隙大小對靶體抗侵徹性能和失效模式影響不大；C.C.Liang等[6]認為，間隙對雙層靶的彈道極限影響較小，并基于動量守恒和動能守恒以及R.F.Recht等的工作[7]對剩余速度進行預報，其預測結果與文獻[8]中的實驗結果相近?？傊瑹o論單/雙層靶或多層靶穿甲，其最終的終點彈道性能與靶板的穿甲失效模式相關，并進一步導致能量及動量的不同分配。

雙層靶板結構形式分為接觸式和間隙式。本文中，利用相關理論模型[9-10]，研究間隙式雙層靶的失效模式，提出平頭彈穿甲間隙式雙層靶板存在不同破壞模型，并給出剩余速度的計算公式。以此為理論基礎，對平頭彈穿甲Weldox E系列鋼靶的實驗數(shù)據(jù)[1]進行系統(tǒng)的分析。

1 模 型

1.1 剪切沖塞模型

針對平頭剛性彈撞擊金屬圓板問題，X.W.Chen等[9]利用剛塑性分析建立剪切沖塞模型，并將局部撞擊響應和整體結構響應相結合。除剪切破壞外，針對不同厚度的靶板，模型中還考慮了靶板彎曲、膜力拉伸和局部壓入/侵徹等的作用。

平頭彈穿甲中厚靶的彈道極限和剩余速度分別為[9]：

(1)

1.2 絕熱剪切沖塞模型

穿甲問題是個絕熱過程，隨著靶厚和靶材強度的增加，靶板失效模式并不是單一的剪切沖塞，穿甲模式有可能發(fā)生由剪切沖塞向絕熱剪切沖塞轉換，或是兩者的混合。在穿透情形發(fā)生絕熱剪切失效時，相應臨界速度vA為[10]：

(2)

方程(2)給出了絕熱煎切臨界速度vA與靶厚、靶材參數(shù)(強度、密度和力學性能等)以及彈體參數(shù)之間的關系(幾何形狀和質量)。

在絕熱剪切沖塞穿甲模式中，其終點彈道性能相對較復雜，需分別考慮[11-12]。

(1)vA≤vBL

絕熱剪切失效先于剪切沖塞穿甲發(fā)生，可認為穿甲模式為絕熱剪切沖塞，該狀況對應于較大厚度靶板，無需計及靶板的結構響應[10]。彈道極限應修正為：

vASB-BL=vA

(3)

彈和沖塞塊的剩余速度為：

(4)

(2)vA>vBL

分析表明，該狀況對應于較小厚度靶板，應考慮靶板的結構響應[10]。

若vBL

若vi≥vA，彈體絕熱剪切沖塞穿透靶板，由于失效模式變換，剩余速度修正為：

(5)

這里仍取vASB-BL=vA。

還有，材料失效效應往往是剪切失效和絕熱剪切失效的混雜，可以假設絕熱剪切沖塞穿甲的彈道極限為：

vASB-BL=(1-δ)vA+δvBL0<δ<1

(6)

式中：δ為兩種模式在混雜中占有的程度。

需指出的是，隨著靶厚的增加，靶板失效模式可能由剪切沖塞向絕熱剪切沖塞轉換；隨著彈速的增加，靶板失效模式也可能由剪切沖塞向絕熱剪切沖塞轉換；不同靶材也會影響靶板的失效模式，若靶材強度較高，也容易發(fā)生絕熱剪切失效[11]。

陳小偉等[11]根據(jù)以上兩種分析模型，對文獻[13-14]中大量的實驗數(shù)據(jù)進行比較分析，得到較理想的結果，證實了上述物理現(xiàn)象的存在；張偉等[2]認為這兩種模型是平頭彈穿透金屬靶板失效模式的典型代表；潘建華等[15]參考了文獻[10]，得到了幾乎相同的破壞模式轉化的臨界條件。

2 實驗分析

2.1 單層靶穿甲

根據(jù)以上兩種分析模型，對于Weldox 700E靶板，6 mm厚度單層靶穿透的彈道極限和絕熱剪切臨界速度分別為171.2、213.0 m/s，12 mm的分別為228.9、201.6 m/s?？芍趶棿┩盖樾沃?，6 mm厚單層靶有vBLvA，絕熱剪切先于剪切沖塞，其彈道極限應修正為201.6 m/s。12 mm厚單層靶的絕熱剪切臨界速度比6 mm厚靶板小，表明隨著靶厚的增加，靶板的絕熱剪切臨界速度更易達到，易發(fā)生絕熱剪切失效。

圖1 平頭彈撞擊單層金屬靶Fig.1 Blunt rigid projectile striking single-layered metal plate

2.2 間隙式雙層靶穿甲

S.Dey等[1]指出，平頭彈穿甲間隙雙層靶除發(fā)生沖塞破壞之外，來自于第1層靶的塞塊阻礙了第2層靶中的局部剪切，產生的較大彎曲變形需要吸收更多的能量，彈體需要貫穿的有效厚度也隨之增加；張偉等[2]也指出來自于第1層靶的塞塊對終點彈道性能將產生影響。因此，在分析平頭彈撞擊間隙式雙層靶失效模式時，要考慮來自于第1層靶的塞塊對終點彈道性能的影響。

分析平頭彈撞擊間隙式雙層靶，將它看成兩塊厚度為6 mm的單層靶，可簡單通過比較剪切沖塞和絕熱剪切沖塞模型來進行分析。按照單一模型分析，即假定兩層靶板均分別發(fā)生剪切沖塞失效或絕熱剪切失效，可得到平頭彈貫穿第1層靶后的剩余速度，然后再以該速度作為穿甲第2層靶板的初速，可得到最終的剩余速度。

另外，若平頭彈初速較高且大于絕熱剪切臨界速度vA，第1層靶板將發(fā)生絕熱剪切失效。貫穿第1層靶板后，由于彈速降低，貫穿第2層靶板將出現(xiàn)兩種可能：若彈速仍大于vA，則第2層靶板失效模式仍表現(xiàn)為絕熱剪切破壞；若彈速小于vA，則易發(fā)生剪切沖塞失效，平頭彈穿甲間隙雙層靶的失效形式是絕熱剪切和剪切沖塞的混雜，即先絕熱剪切失效，后剪切沖塞失效。

表1 實驗結果和數(shù)值模擬結果Table 1 Experimental results and numerical simulation results

由以上分析得到的理論預期與文獻[1]實驗結果進行對比，見表1。采用Recht-Ipson公式[7]處理彈體的初始-剩余速度關系，來采信實驗數(shù)據(jù)。文獻[1-2]中實驗數(shù)據(jù)離散性大，部分實驗結果與擬合的Recht-Ipson曲線出入較大。S.Dey等[1]認為，原因是兩批彈的脆性不同，其中脆性偏高的一批彈貫穿靶板后破碎飛濺；張偉等[2]認為，原因是彈同塞塊(來自第1層靶板)撞擊第2層靶板的位置不同。由表1可知，根據(jù)剪切沖塞模型和絕熱剪切沖塞模型得到的彈道極限分別為237.5和295.5 m/s，而按照絕熱/剪切沖塞混雜模型進行分析得到彈道極限為260.3 m/s。

當初始彈速大于295.5 m/s時，彈貫穿第1層靶后，剩余彈速仍較高且大于vA，繼續(xù)穿甲第2層靶板仍表現(xiàn)為絕熱剪切失效，這樣通過絕熱/剪切沖塞混雜模型得到的剩余速度與絕熱剪切模型相同；當初始彈速小于或等于295.5 m/s時，彈貫穿第1層靶后，剩余彈速將小于vA，繼續(xù)穿甲第2層靶板時其穿甲模式將變?yōu)闆_塞剪切，因此其彈道極限根據(jù)式(6)進行修正。

圖2(a)給出了由單一剪切沖塞模型分析雙層靶的剩余速度和實驗結果對比。理論預期彈道極限為237.5 m/s，對雙層靶穿甲后的剩余速度理論預期大于相關實驗值。利用單一剪切沖塞模型分析平頭彈穿甲雙層間隙靶是不合適的，其失效模式可能不是單一的剪切沖塞破壞。

圖2 平頭彈撞擊間隙式雙層靶Fig.2 Blunt rigid projectile striking double-layered metal plate

圖2(b)給出了由單一絕熱剪切沖塞模型分析雙層靶的剩余速度和實驗結果對比。彈道極限理論預期為295.5 m/s，比實驗值顯著偏大。在較高彈速范圍內，剩余速度理論預期接近實驗結果；但當彈速低于295.5 m/s時，理論模型無法預期實驗結果，表明絕熱剪切沖塞模型對彈速有一定要求。

圖2(c)則利用絕熱/剪切沖塞混雜模型分析平頭彈穿甲雙層間隙靶，并與實驗結果比較。彈道極限理論預期為260.3 m/s，對剩余速度的預期與實驗值接近。該模型給出的彈道極限和剩余速度都與實驗結果較好吻合。

綜上所述：當初始彈速vi>295.5 m/s時，平頭彈穿甲雙層間隙靶均為絕熱剪切沖塞；當260.3 m/s

3 結 語

將單層靶的剪切沖塞和絕熱剪切沖塞模型[9-10]進一步延伸，應用于間隙式雙層靶的穿甲分析。平頭彈貫穿間隙式雙層靶，較高速彈貫穿第1層靶板時發(fā)生絕熱剪切沖塞，由于彈速降低，貫穿第2層靶板的失效模式有可能由絕熱剪切向剪切沖塞轉換。

對平頭彈穿甲Weldox 700E鋼靶的實驗數(shù)據(jù)[1]進行系統(tǒng)的分析比較，間隙式雙層靶最終的破壞模式為考慮結構響應的絕熱剪切和剪切沖塞混雜失效，即先絕熱剪切，后剪切沖塞，理論預期與實驗結果較好吻合。

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(責任編輯 丁 峰)

Perforation modes of double-layered plates with air space struck by a blunt rigid projectile

Liu Bing1, Chen Xiaowei1,2

(1.SchoolofCivilEngineering,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,Sichuan,China;2.InstituteofSystemsEngineering,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621999,Sichuan,China)

In the cases of the perforation of a single-layered metal plate struck by a blunt rigid projectile, along with the increase of the plate thickness and that of the projectile velocity, the failure mode of the metal plate may transform from shear plugging to adiabatic shear plugging. Therefore, regarding the perforation of double-layered or multi-layered plates, the failure modes of various plates can be quite different. In this work we investigated these different perforation modes by conducting experimental analyses on the perforations of single- and double-layered Weldox E steel plates with air space. Our results indicate that, in the case of a higher initial striking velocity, the failure mode of the first layer plate is adiabatic shear plugging, while that of the second layer plate is adiabatic shear plugging or shear plugging as the striking velocity of the projectile slows down. We conclude that the final failure mode of the double-layered plates is the mixture of both shear plugging and adiabatic shear plugging.

solid mechanics; perforation mode; shear plugging; double-layered plate; adiabatic shear plugging; single-layered plate

10.11883/1001-1455(2016)01-0024-07

2014-07-03； < class="emphasis_bold">修回日期：2015-02-06

2015-02-06

國家自然科學基金國家杰出青年科學基金項目(11225213)

劉 兵(1987— )，男，碩士，工程師;

陳小偉,chenxiaoweintu@yahoo.com。

O385 <國標學科代碼：1301540 class="emphasis_bold"> 國標學科代碼：1301540 文獻標志碼：A國標學科代碼：1301540

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