陶瓷/泡沫鋁/鋁合金抗線性射流侵徹性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

孫 丹，茍瑞君

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陶瓷/泡沫鋁/鋁合金抗線性射流侵徹性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

孫 丹，茍瑞君

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西太原，030051）

為探討新型復(fù)合裝甲抗侵徹性能，根據(jù)應(yīng)力波傳播特性對陶瓷/泡沫鋁/鋁合金復(fù)合結(jié)構(gòu)進行了理論分析，并從不同組合的面、背板厚度比和泡沫鋁夾芯厚度兩方面，研究了該復(fù)合裝甲能量吸收規(guī)律、應(yīng)力波衰減規(guī)律。結(jié)果表明：同一厚度比下，隨著泡沫鋁厚度的增大，復(fù)合裝甲背板質(zhì)點速度與應(yīng)力波峰值都呈負指數(shù)規(guī)律減??；同一泡沫鋁厚度下，厚度比增大時，泡沫鋁及裝甲結(jié)構(gòu)吸收的能量先增加后減小，泡沫鋁厚度為2.4 mm、厚度比為1.25時，復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)抗射流侵徹性能最好。

復(fù)合裝甲；抗侵徹；應(yīng)力波；能量吸收；射流頭部速度

隨著裝甲防護新趨勢的不斷推進，新型夾層復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)因其靈活的芯層設(shè)計和材料選擇受到了國內(nèi)外防護領(lǐng)域研究者的關(guān)注[1]。目前，復(fù)合裝甲中最常用的材料類型有碳纖維和陶瓷以及以泡沫鋁為代表的泡沫材料等。Wilkins[2]首次揭示了陶瓷復(fù)合裝甲抗侵徹性能的優(yōu)越性。言克斌[3]模擬了陶瓷/橡膠復(fù)合裝甲中對不同厚度橡膠夾層的侵徹性能。張培文[4]研究了泡沫鋁在爆炸沖擊下的動力響應(yīng)性能。張明華[5]發(fā)現(xiàn)泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)相對于純鋁板具有較好的抗侵徹性能。然而，目前國內(nèi)外關(guān)于對陶瓷與泡沫鋁組合裝甲抗射流侵徹的研究鮮有報道。在侵徹過程中合理配置面板和背板的厚度比，能夠有效提高復(fù)合裝甲的抗侵徹性能[6]，因此對該新型復(fù)合結(jié)構(gòu)組成的研究也具有重要的實際意義。本文首先運用應(yīng)力波傳播特性從理論層面研究了陶瓷/泡沫鋁/鋁合金復(fù)合裝甲的抗侵徹性能，然后基于ANSYS/LS- DYNA軟件對該復(fù)合裝甲進行了仿真模擬，從不同的陶瓷與鋁合金背板厚度比和泡沫鋁夾芯厚度分析了復(fù)合裝甲的能量吸收規(guī)律、應(yīng)力波衰減規(guī)律、射流頭部剩余速度以及射流的不穩(wěn)定性等，為復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

1 算法及材料的選取

1.1 材料的選取與結(jié)構(gòu)設(shè)計

本研究中線型切割器材料參數(shù)參見文獻[7]；陶瓷材料選用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERA MICS模型；中間夾層的泡沫鋁采用材料模型*MAT_ CRUSHALBE_FOAM進行描述；LD7鋁合金采用材料模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC進行描述。材料參數(shù)如表1所示，整體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 模型整體結(jié)構(gòu)示意圖

表1 材料參數(shù)（cm、g、μs）

Tab.1 Material parameters

1.2 算法分析

線型切割器和空氣部分的算法參照文獻[7]。在接觸算法中，對泡沫鋁芯層設(shè)置自接觸（*CONTACT_ AUTOMATIC_ SINGLE_SURFACE），并對泡沫鋁材料添加失效準則。裝甲結(jié)構(gòu)采用拉格朗日網(wǎng)格建模，通過流固耦合算法將兩者連接起來。

2 陶瓷/泡沫鋁/鋁合金裝甲結(jié)構(gòu)抗射流侵徹理論分析

2.1 應(yīng)力波傳播對復(fù)合裝甲質(zhì)點速度的影響

線型聚能切割器侵徹復(fù)合裝甲過程中關(guān)于射流及應(yīng)力波傳播特性的假設(shè)：（1）將射流看作準定常不可壓流體進行研究；（2）射流侵徹復(fù)合裝甲時產(chǎn)生的應(yīng)力波為平面波；（3）忽略應(yīng)力波在陶瓷及鋁合金中的衰減，只考慮在泡沫鋁中的衰減；（4）僅考慮應(yīng)力波在復(fù)合裝甲中傳播一次的情況，不考慮其反射作用。

當(dāng)射流侵徹陶瓷面板時，根據(jù)伯努利方程[8]得射流開坑點A處陶瓷面板上質(zhì)點的速度為：

（1）

當(dāng)應(yīng)力波傳播到B點時，根據(jù)應(yīng)力波透射原理得透射后B處泡沫鋁質(zhì)點的速度為：

（2）

應(yīng)力波在鋁合金背板上反射后質(zhì)點速度為：

（4）

聯(lián)立上式可得，射流侵徹面板時產(chǎn)生的應(yīng)力波經(jīng)過反射與透射作用在鋁合金背板上的質(zhì)點速度為：

式（5）中：11、22、33分別為陶瓷面板波阻抗、泡沫鋁波阻抗、鋁合金背板波阻抗。

根據(jù)式（5）可知，射流作用在背板上的質(zhì)點速度僅與夾芯層的厚度和面板質(zhì)點速度有關(guān)，隨著泡沫鋁夾芯層厚度的增加，背板質(zhì)點速度呈負指數(shù)規(guī)律減小，減小速率逐漸降低。

2.2 應(yīng)力波在復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)中的衰減

射流侵徹復(fù)合裝甲陶瓷面板時產(chǎn)生壓縮波，使背板變形甚至穿透，導(dǎo)致應(yīng)力波傳播到泡沫鋁與鋁合金背板接觸面時發(fā)生卸載，形成振蕩射流。射流侵徹鋁合金背板時，應(yīng)力波在陶瓷面板與泡沫鋁夾層面上發(fā)生反射，反射波進入鋁合金背板，通過背板質(zhì)點運動影響射流的穩(wěn)定性。

根據(jù)伯努利方程，射流侵徹陶瓷面板時應(yīng)力波強度：

應(yīng)力波經(jīng)透射與反射后，射流在鋁合金背板處的應(yīng)力為：

根據(jù)文獻[10]知，射流在復(fù)合裝甲中的斷裂時間為

（8）

由式（7）與式（8）可知，隨著泡沫鋁夾層厚度的增加，射流在鋁合金背板處的應(yīng)力呈負指數(shù)規(guī)律減小，射流斷裂時間延長，相同時間內(nèi)射流侵徹復(fù)合裝甲后的剩余速度增大，即裝甲結(jié)構(gòu)的抗侵徹性能降低。因此，在滿足復(fù)合裝甲抗侵徹性能的前提下，泡沫鋁夾芯層的厚度取最小值時，射流受到的干擾最大，復(fù)合裝甲的抗侵徹性能最優(yōu)。

3 理論計算與數(shù)值模擬結(jié)果分析

對復(fù)合裝甲抗侵徹性能常采用裝甲結(jié)構(gòu)的面密度來進行評估，面密度的參考值選取2mm陶瓷+0.8 mm泡沫鋁+2 mm鋁合金，=1.302 8 g/cm2。對于一定面密度的陶瓷/泡沫鋁/鋁合金復(fù)合裝甲，在侵徹過程中合理配置面板和背板的厚度比，能夠有效提高復(fù)合裝甲的抗侵徹性能。

3.1 聚能射流頭部剩余速度

在面密度相同、不同厚度組合情況下，陶瓷/泡沫鋁/鋁合金裝甲結(jié)構(gòu)的射流頭部剩余速度如圖2所示。

圖2 射流頭部剩余速度曲線圖

分析可以得到：（1）同一厚度比下，隨著泡沫鋁夾芯層厚度的增加，射流頭部剩余速度先降低后升高。當(dāng)泡沫鋁厚度＞2.4 mm時，最大速度與最小速度的變化區(qū)間相對較??；當(dāng)泡沫鋁夾芯層厚度為2.4 mm、厚度比為1.0時，射流頭部剩余速度最低；同一厚度比下，泡沫鋁厚度分別為2.4 mm、3.2 mm時，射流頭部剩余速度較低，裝甲結(jié)構(gòu)抗射流侵徹能力較強。（2）同一泡沫鋁厚度下，隨著厚度比的增加，射流頭部剩余速度先下降后升高；厚度比為1.00和1.25時，射流頭部剩余速度較低，即裝甲結(jié)構(gòu)的抗射流侵徹能力較強，并且厚度比為1.25時，隨著泡沫鋁厚度的增加，射流剩余速度變化較為規(guī)律且變化幅度較小。

3.2 泡沫鋁厚度對裝甲抗侵徹性能的影響

為進一步分析聚能射流侵徹下泡沫鋁厚度對其抗射流侵徹性能的影響，保持陶瓷與鋁合金厚度比=1.25不變，選定泡沫鋁厚度0.8 mm、1.6 mm、2.4 mm、3.2 mm、4.0 mm，具體數(shù)值見表2。

表2 不同泡沫鋁厚度時各板厚度值 （mm）

Tab.2 The thickness value of other plates in different thickness of aluminum foam

理論計算線型聚能切割器侵徹復(fù)合裝甲時射流作用在鋁合金背板處的質(zhì)點速度D、應(yīng)力波峰值，并記錄數(shù)值模擬過程中射流頭部剩余速度、復(fù)合裝甲能量吸收量。不同泡沫鋁厚度下各參數(shù)的變化曲線如圖3所示。由圖3各項參數(shù)值對比分析，可以得到以下規(guī)律：（1）隨著泡沫鋁厚度的增加，復(fù)合裝甲背板質(zhì)點速度D與應(yīng)力波峰值都呈負指數(shù)規(guī)律減小，減小速率逐漸降低，應(yīng)力波經(jīng)過復(fù)合裝甲后初始應(yīng)力分別衰減了89.5%、90.9%、91.9%、92.6%、93.0%。（2）隨著泡沫鋁厚度從0.8mm增加到2.4mm，射流頭部速度下降明顯，泡沫鋁厚度為2.4mm時，射流頭部剩余速度最低；（3）裝甲結(jié)構(gòu)的總吸收能量隨著泡沫鋁厚度的增大呈先增大后減小的趨勢，2.4mm時能量吸收最多；而泡沫鋁芯層吸收能量隨著厚度增加明顯增大，占裝甲結(jié)構(gòu)總能量的百分比依次為5.25%、14.64%、18.77%、23.39%、35.24%。結(jié)合理論分析綜合來看，泡沫鋁夾芯層厚度對復(fù)合裝甲的抗侵徹性能有較大的影響，泡沫鋁厚度為2.4mm時，復(fù)合裝甲的抗侵徹性能最好。當(dāng)泡沫鋁厚度為2.4mm ，夾芯層內(nèi)應(yīng)力波的傳播和衰減規(guī)律如圖4所示。

圖3 不同厚度泡沫鋁的對比曲線圖

在射流侵徹方向上，泡沫鋁夾芯層自上而下等距離選取觀察點，通過應(yīng)力——時間曲線來觀察應(yīng)力波在泡沫鋁夾芯層內(nèi)的衰減情況。由圖4可得：應(yīng)力波峰值在泡沫鋁夾芯層內(nèi)傳播時受到較大的衰減，并且呈負指數(shù)規(guī)律衰減。

圖4 各觀測點y方向的應(yīng)力——時間曲線圖

通過理論分析，應(yīng)力波作用在鋁合金背板處的應(yīng)力峰值為應(yīng)力波從泡沫鋁透射進鋁合金背板時的2倍。理論計算值鋁合金背板處應(yīng)力值為0.57GPa，如圖4所示，數(shù)值模擬中泡沫鋁與鋁合金背板處應(yīng)力為0.298GPa，與理論值相比，誤差為4.6%，該誤差在允許誤差范圍內(nèi)。通過理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析，可以應(yīng)用LS-DYNA軟件對線型聚能切割器侵徹復(fù)合裝甲進行數(shù)值模擬研究。

3.3 陶瓷與鋁合金厚度比對裝甲抗侵徹性能的影響

為進一步分析射流侵徹下陶瓷與鋁合金厚度比對其抗射流侵徹性能的影響，固定泡沫鋁厚度2.4 mm不變，選定值分別為0.25、0.75、1.0、1.25、1.5、2.0，具體數(shù)值見表3，研究泡沫鋁芯體能量吸收與厚度比的關(guān)系。不同厚度比下泡沫鋁芯體能量吸收曲線的變化規(guī)律以及裝甲結(jié)構(gòu)各部分能量吸收圖分別如圖5~6所示。

表3 不同厚度比時各板厚度值 （mm）

Tab.3 The thickness value of other plates in different thickness ratios

圖5 泡沫鋁吸收能量曲線圖

由圖5~6可知，陶瓷面板與鋁合金背板的厚度比對泡沫鋁夾芯層的能量吸收特性有較大的影響，隨著厚度比的增大，泡沫鋁吸收的能量先增大后減小，當(dāng)厚度比為1.25時，泡沫鋁芯層吸收能量最多；復(fù)合裝甲總吸收能量先增大后減小，當(dāng)厚度比為1.0時，復(fù)合裝甲吸收的總能量最多，這是由于鋁合金背板是吸收能量的主要因素，隨著厚度比的減小，背板厚度增加，吸收能量隨之增加，鋁合金背板能量增量大于泡沫鋁能量增量，導(dǎo)致厚度比為1.0時，裝甲結(jié)構(gòu)吸收的總能量最大。這與圖2相對應(yīng)，即當(dāng)泡沫鋁厚度為2.4 mm、陶瓷面板與鋁合金背板厚度比為1.0時，聚能射流頭部剩余速度最小、抗侵徹性能最好。

圖6 復(fù)合裝甲吸收能量圖

4 結(jié)論

本文首先運用應(yīng)力波傳播特性從理論層面研究了陶瓷/泡沫鋁/鋁合金復(fù)合裝甲的抗侵徹性能，然后基于ANSYS/LS-DYNA軟件對該復(fù)合裝甲進行了仿真模擬，得到的主要結(jié)論如下：（1）泡沫鋁作為夾芯層可充分降低陶瓷/泡沫鋁/鋁合金復(fù)合裝甲背板質(zhì)點速度，有效衰減應(yīng)力波峰值，具有較強的抗侵徹性能。（2）泡沫鋁夾芯層厚度對復(fù)合裝甲抗侵徹性能有較大的影響。當(dāng)復(fù)合裝甲面密度、厚度比不變時，隨著泡沫鋁厚度的增大，復(fù)合裝甲背板質(zhì)點速度與應(yīng)力波峰值都呈負指數(shù)規(guī)律減小；當(dāng)泡沫鋁夾層厚度為2.4mm時，射流頭部剩余速度最低，復(fù)合裝甲能量吸收最多，抗侵徹性能最優(yōu)。（3）陶瓷與鋁合金厚度比對復(fù)合裝甲的能量吸收特性有較大的影響。鋁合金背板吸收能量最多，泡沫鋁次之，陶瓷面板最少，當(dāng)復(fù)合裝甲面密度、泡沫鋁厚度保持不變時，厚度比為1.0和1.25時，復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)吸收能量最多，抗侵徹性能最優(yōu)。

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Analysis of Resisting to the Linear Jet Penetration of the Ceramic/Aluminum Foam/Aluminum Alloy and Structure Optimization

SUN Dan，GOU Rui-jun

( School of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Taiyuan, 030051)

In order to discuss new composite armor resisting to the shaped charge jet penetration, the theory of stress-wave propagation property was used to analyze the armor construction (ceramic/aluminum foam/aluminum alloy) theoretically. The energy absorption rule, stress-wave attenuation rule, were investigated at the different combinations of front-back plate thickness ratiosand aluminum foam sandwich thickness. Results show that within the same thickness ratio, when the thickness of aluminum foam is increased, the particle velocity of back plate and stress-wave peak value of composite armor decrease by negative exponent rule. Within the same thickness of aluminum foam, when the thickness ratiois increased, the absorbed energy of aluminum foam and armor structure increase firstly, and then decrease. It shows that the aluminum foam thickness with 2.4 mm and 1.25 thickness ratio can give the best resistance performance for composite armor structure to the shaped charge jet penetration.

Composite armor；Resist to penetration；Stress wave；Energy absorption；Residual velocity of jet head

1003-1480（2016）05-0032-05

TJ410

A

2016-05-13

孫丹（1990 -），女，碩士研究生，主要從事高效毀傷與裝甲防護技術(shù)研究。