防彈板的研究現(xiàn)狀

陳 功，代璐蔚，孫智富，尹春玲, 方大蓉

(1.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400044； 2.重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400054； 3重慶機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 兵器裝備研究所， 重慶 400036； 4.武漢理工大學(xué)， 武漢 430070； 5.中國兵工學(xué)會， 北京 100089; 6.重慶機械電子技師學(xué)院， 重慶 400037)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

防彈板的研究現(xiàn)狀

陳 功1,3，代璐蔚2,3，孫智富4，尹春玲5, 方大蓉6

(1.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400044； 2.重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400054； 3重慶機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 兵器裝備研究所， 重慶 400036； 4.武漢理工大學(xué)， 武漢 430070； 5.中國兵工學(xué)會， 北京 100089; 6.重慶機械電子技師學(xué)院， 重慶 400037)

從各類防彈板的特點、防彈板性能測試研究進展和防彈性能的改善途徑3個方面出發(fā)，論述分析了防彈板的國內(nèi)外研究進展，并預(yù)測了今后防彈板的發(fā)展趨勢。

防彈板；數(shù)值模擬；抗侵徹能力；力學(xué)性能

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，武器性能的不斷提高，人員和裝備的防彈性能也越來越受到重視。防彈板的研究與生產(chǎn)體現(xiàn)了國家的軍事實力，這是維護軍民安全的重要保證。由于防彈板具有比較可靠的防護性能，所以常用于個人防護以及裝甲。防彈板主要功能是阻止子彈對防彈板的侵徹[1]。所以，不僅要保證防彈板的高強度和硬度，還要具備良好的沖擊韌性。

數(shù)值模擬方法是在理論分析和實驗研究的基礎(chǔ)上進一步分析的一個重要途徑，優(yōu)點是不僅在方法上簡單，各種性能參數(shù)可調(diào)性強，操作方便，不易受到客觀條件限制，不需要耗費大量經(jīng)費，適用性強。針對某些復(fù)雜的問題，當實驗不能充分說明相關(guān)情況或者實驗步驟較復(fù)雜時，運用數(shù)值模擬分析，可以收到相當好的效果[2-3]。

國內(nèi)外有不少專家學(xué)者，從不同角度對防彈板及其發(fā)展狀況進行了研究，如防彈板的抗裂性、抗侵徹能力、防彈能力以及結(jié)構(gòu)化、輕量化等。本文從防彈板的分類、防彈性能的檢測方法和防彈性能3個方面，全面綜述了防彈板的研究進展。

1 國內(nèi)外研究簡介

目前，國內(nèi)外對防彈板的研究主要集中在防彈板的抗裂性、抗侵徹能力、防彈能力以及結(jié)構(gòu)化、輕量化等方面。Alkemade[4]為研究防彈板的抗裂性，主要對奧氏體、鐵素體及雙相不銹鋼焊絲分析，對1 500 MPa級的輕型裝甲鋼進行了斜Y裂紋敏感性試驗。試驗結(jié)果得出，實驗過程中的預(yù)溫度與熱輸入會對焊絲的抗裂性有直接影響。Magudeeswaran[5]等使用不同的材料對中碳調(diào)質(zhì)鋼進行冷裂紋插銷試驗。由試驗結(jié)果可知，奧氏體焊縫組織可以溶解更多的氫，但是焊縫的擴散氫含量都較低。低氫型鐵素體焊縫組織屬于軟化相，對接頭韌性有利，而且更經(jīng)濟。

李成等[6-7]考慮防彈裝備的防彈能力及作戰(zhàn)靈活性，采用ANSYS限元分析軟件對子彈侵徹防彈鋼板進行數(shù)值模擬，再現(xiàn)了侵徹的動態(tài)過程,進一步分析分層及間隙作用對鋼板的抗侵徹能力的影響。彭杏娜等[7]通過對1 500 MPa級以上30MnCrNiMo防彈鋼板和配套的兩種高強鋼實芯焊絲進行斜Y型抗裂性試驗，研究環(huán)境條件以及不同焊接熱輸入對高強鋼實芯焊絲抗裂性的影響。結(jié)果表明，該防彈鋼對冷裂紋敏感性很強，但是在不預(yù)熱條件下，控制環(huán)境條件和熱輸入，可以使高強鋼實芯焊絲在高應(yīng)力下阻止起裂和裂紋擴展；且采用含Ni量高的焊絲比含Ni量低的焊絲抗裂性更好。李歡秋等[8]通過彈道實驗和數(shù)值模擬方法研究了裝甲鋼復(fù)合芳綸泡沫夾層結(jié)構(gòu)抗56式7.62 mm普通鋼芯彈貫穿特性，通過對防彈板吸收子彈動能的影響因素分析，提出該種裝甲鋼復(fù)合芳綸泡沫夾層結(jié)構(gòu)最佳防彈速度區(qū)間。李志剛等[9]研究和開發(fā)了高強度熱軋防彈鋼板B900FD，設(shè)計了合金的化學(xué)成分，探討了不同卷加工溫度對防彈鋼組織、力學(xué)性能的影響；對防彈鋼板進行了槍擊試驗，同時對槍擊后著彈點的變形特性和組織進行了分析；進行了加工工藝試驗和焊接試驗。王東濤等[10]對產(chǎn)生裂紋的防彈鋼板材料進行了原始狀態(tài)表面檢查、化學(xué)成分分析、金相試驗、硬度試驗和實船結(jié)構(gòu)裝焊模擬試驗，探討某型艦用防彈鋼板焊接裂紋的形成機理，裂紋主要是焊接冷裂紋，是由于F-1G防彈鋼板本身具有較大的冷裂傾向產(chǎn)生的。因此，為防止焊接冷裂紋產(chǎn)生，必須控制3個主要影響因素[11-12]，即降低擴散氫量、減小拉伸拘束度和減少組織硬化程度。

防彈板有多種分類方法，按照原材料的種類分，主要有金屬防彈板、陶瓷防彈板、高性能纖維復(fù)合防彈板等[13]。金屬防彈板又包括防彈鋼板、防彈鋁板和防彈鈦板等。金屬防彈板主要是利用自身的強度、硬度使彈體受阻后破裂，然后彈開破裂后的碎片達到防彈的目的。目前，軍隊上使用最多的是金屬防彈板。防彈鋼板通常應(yīng)用在防彈防爆等項目上，比如防彈門，防彈盾牌；銀行柜臺，保險柜；防暴車，防彈運鈔車，裝甲運兵車，戰(zhàn)車，潛艇，登陸艇，緝私艇，直升機等[14-15]。

按照用途來分，主要有飛機、艦船、防彈運鈔車、防爆車和裝甲戰(zhàn)車等特種車輛等以及人員防彈衣等武裝裝備[15]。

2 防彈板的模擬

2.1采用ANSYS對不同厚度防彈板侵徹能力數(shù)值模擬

數(shù)值模擬中采用塑性隨動強化模型和Johnson-Cook材料模型進行建模分析，描述材料在高速沖擊下的物理特性[16]。塑性隨動強化模型J-C本構(gòu)關(guān)系為

圖1為子彈以500 m/s的速度侵徹3 mm厚度的鋼板過程圖，通過數(shù)值模擬可知，鋼板由于子彈的撞擊產(chǎn)生彈傷鼓包，背面彈傷鼓包高度與槍擊試驗得到的背面彈傷鼓包高度相差不多，都在8.5 mm左右。圖2為子彈以500 m/s的速度撞擊5種不同厚度的鋼板，得到的彈靶最終狀態(tài)圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，厚度為2 mm和2.1 mm的鋼板都被穿透；厚度為2.2 mm和2.3 mm的鋼板沒有被穿透，只是使鋼板背部產(chǎn)生了崩落，子彈所剩動能較低，子彈的剩余速度為1.88 m/s和0；厚度為2.4 mm 的鋼板，可以防止子彈撞擊，鋼板未損壞，只是產(chǎn)生了彈坑，子彈剩余速度為0。

圖1 分別為 t=3 μs，20 μs, 33 μs, 42 μs, 72 μs時，3 mm鋼板侵徹過程

圖2 厚度 h=2 mm， 2.1 mm， 2.2 mm，2.3 mm， 2.4 mm鋼板抗子彈侵徹最終狀態(tài)

通過實驗可以看出，B900FD-1型防彈鋼板有良好的塑性強化特性[17]。但是由于子彈材料不具備這種塑性強化特性，在侵徹鋼板時子彈產(chǎn)生的塑性應(yīng)變很快達到所設(shè)定的許用等效塑性應(yīng)變值，產(chǎn)生侵蝕破壞。

2.2采用ANSYS分析彈型對防彈鋼板的侵徹能力的影響

采用Johnson-Cook 模型和塑性隨動強化模型兩者結(jié)合，可以更準確地模擬子彈對金屬材料的侵徹能力，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)進行對比，采用數(shù)值分析方法分析了彈型、彈速及彈的長徑比對鋼板侵徹能力的影響。

圖3是黃銅圓頭彈以v=500 m/s的速度撞擊3 mm 厚的防彈鋼板的侵徹過程,子彈的長徑比L/D=3,D=7.62 mm。

通過數(shù)值模擬分析可知，尖頭彈的穿透能力最強，圓頭彈次之，平頭彈的穿透能力最差。在沒有穿透時，尖頭彈的侵徹深度比另外兩種彈型小很多，這是由于彈型的長徑比較小，需要考慮彈頭質(zhì)量大小的影響。靶板在沒有穿透時會吸收子彈上的動能，在相同速度下撞擊靶板，質(zhì)量小的彈頭產(chǎn)生的彈坑??；彈丸以相同速度撞擊靶板，長徑比高的彈丸侵徹能力強[18]。

圖3 黃銅圓頭彈(L/ D=3)侵徹過程的數(shù)值模擬結(jié)果

2.3熱處理輕量化防彈鋼板B級、C級板抗侵徹能力數(shù)值模擬

采用ANSYS/LS-DYNA對子彈抗侵徹能力數(shù)值模擬，進行了靶材和子彈材料的高速拉伸，分析AK47沖鋒槍的抗侵徹能力與板厚的關(guān)系，以獲取在不同強度下滿足防彈要求的3種鋼板的極限設(shè)計厚度[19]。

采用八節(jié)點六面體的實體單元建立槍擊試驗中使用的鋼芯子彈和防彈板的有限元模型，如圖4所示。子彈外徑D=7.62 mm，質(zhì)量m=5.5 g，彈速v=500 m/s和720 m/s的彈芯外徑d=2 mm，子彈最大單元尺寸為0.8 mm，最小單元尺寸為0.2 mm，彈芯和外層采用同節(jié)點進行連接。防彈鋼板的實際尺寸為305 mm×305 mm，可視靶板為無限大，忽略靶板的邊界效應(yīng)，將防彈鋼板尺寸縮小為120 mm×120 mm，子彈沖擊區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，遠離該區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為2.0 mm，根據(jù)鋼板的不同厚度在厚度方向劃分4～8 層網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.5 mm。子彈和防彈鋼板的詳細單元信息如表1所示。

圖4 子彈和防彈板有限元模型

單元信息v=500(m·s-1)v=720(m·s-1)防彈鋼板厚t=1.9～3.8mm節(jié)點數(shù)/個442194466773205～131769單元數(shù)/個427204325257600～115200

圖5分析結(jié)果中鋼板的主要變形方式有4種。通過對不同厚度下B1板材試驗和模擬結(jié)果對比可以看出，鋼板完全被穿透時，兩者的彈孔形狀極為相似；鋼板開裂時，兩者的裂紋走向也基本一致；彈坑高度和形狀也沒有明顯差別[20]。試驗結(jié)果的子彈頭前端變形劇烈，呈蘑菇狀，子彈頭邊緣開裂，同時彈速為720 m/s的子彈外層已經(jīng)在沖擊過程中脫落。

圖5 鋼板的主要變形方式

試驗結(jié)果和模擬結(jié)果具有很好的可比性，從槍彈的變形，防彈板的破裂和變形情況的對應(yīng)關(guān)系非常直觀地表明了模擬結(jié)果的可靠性。在防彈鋼板B1抗拉強度為1 700 MPa，B2為1 800 MPa(準靜態(tài)應(yīng)變速率0.001 s-1)的條件下，在彈速為500 m/s時，防彈鋼板的模擬和試驗結(jié)果所給出的防彈板的理論厚度分別為2.3 mm、2.2 mm，子彈彈速為720 m/s時，防彈鋼板的模擬和試驗結(jié)果所給出的防彈的理論厚度分別為4.1 mm、3.8 mm。在防彈鋼板C1抗拉強度為2 200 MPa、C2為2 035 MPa、R為1 775 MPa(準靜態(tài)應(yīng)變速率)的條件下，在彈速為720 m/s時，防彈鋼板的模擬和試驗結(jié)果所給出的防彈的理論厚度分別為3.5 mm、3.7 mm、4.0 mm。模擬結(jié)果有效地減少了試驗的工作量，為防彈鋼板的厚度設(shè)計提供了有力的依據(jù)。

3 防彈鋼的高速拉伸性能

對超高強度防彈鋼進行了高速拉伸試驗，通過準靜態(tài)的拉伸實驗(應(yīng)變率為0.001 s-1)給出材料的力學(xué)參數(shù)，B1的楊氏模量為205 GNm-2，屈服強度1 150 MPa，抗拉強度1 700 MPa，斷裂延伸率0.048；B2的楊氏模量為205 GNm-2，屈服強度1 450 MPa，抗拉強度1 800 MPa，斷裂延伸率0.065。通過B1、B2試樣在0.1 s-1、50 s-1、500 s-1應(yīng)變率下的斷口SEM觀察，B1、B2試樣的不同應(yīng)變率的拉伸斷口均為韌窩，與準靜態(tài)拉伸的斷口形貌相似；同一種材料，隨應(yīng)變率的增加，其韌窩深度變淺，即應(yīng)變率0.1的斷口韌窩深度最深，應(yīng)變率50次之，應(yīng)變率500的斷口韌窩深度最淺，而韌窩的深淺，與材料的塑性變形能力有關(guān)；通常韌窩越深，其變形能力越好。因此，隨應(yīng)變率的增加，材料的塑性下降，與高速拉伸試驗結(jié)果一致。B級板打靶通過的斷口形貌的韌窩比打靶未通過的斷口形貌的韌窩略深。

結(jié)果表明：防彈鋼的抗槍擊能力與強度、高應(yīng)變速率下的流變特性密切相關(guān)。這些性能又與防彈板的防彈能力和厚度密切相關(guān)，強度越高，高應(yīng)變速率下的強度和延性的匹配越好，則防彈鋼的抗槍擊能力越強。高速拉伸可以使拉伸斷口的韌窩變淺，在高速拉伸時，強度越低，延性較好的材料，其韌窩的深度變化要低于強度較高、延性略差的材料[21-22]。對斷口形貌的觀察，有利于對材料在高應(yīng)變速率下的變形和斷裂模式的認識深化。

4 提高防彈板性能的其他途徑

經(jīng)過軋制后的防彈板材，在二次成形中，必然會在板材內(nèi)部產(chǎn)生擇優(yōu)取向即織構(gòu)，導(dǎo)致板材在不同的方向力學(xué)性能的差異，影響防彈效果。目前采用電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)可以成功的分析出織構(gòu)產(chǎn)生的原因，并使織構(gòu)重現(xiàn)有效的作用。圖6為高強度鋁合金板材變形區(qū)的EBSD圖像。

圖6可見，變形區(qū)域明顯的[001]取向。經(jīng)EBSD分析表明，試樣在拉伸過程中，晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動向[001]靠攏，1#試樣的微變形區(qū)晶粒有[001]取向，形變區(qū)晶粒形成了強烈的[001]取向說明拉伸過程中，晶粒大幅度轉(zhuǎn)向[001]靠攏。比較而言，試樣的微變形區(qū)的反極圖所反映的織構(gòu)，還有一定的分散度，而拉伸后法向，軋向和橫向的[001]織構(gòu)進一步強化使晶粒取向強烈轉(zhuǎn)動，造成了局部變形不均勻。因此，控制二次成形時板材受力方向和板材晶粒度的大小可以有效地防止織構(gòu)產(chǎn)生。

目前，為減輕裝甲質(zhì)量，通常在防彈裝甲中加入復(fù)合材料層，通過改善材料的結(jié)構(gòu)或者生產(chǎn)工藝來增加材料的強度。實驗表明，通過不同手段改善防彈板性能是推進防彈板高性能化飛速發(fā)展且簡便經(jīng)濟的最佳途徑[23-26]。

5 結(jié)論

隨著科技的進步，現(xiàn)代高性能防彈板已經(jīng)向多功能、高性能、質(zhì)輕、低成本、安全性等方向發(fā)展。現(xiàn)在的研究不僅要注重傳統(tǒng)材料的改進，也應(yīng)關(guān)注新型防彈板材料的研發(fā)等方面，通過對防彈板的材料組成成分、結(jié)構(gòu)的設(shè)計、生產(chǎn)工藝的選擇，再在實驗基礎(chǔ)上運用數(shù)值模擬，進行理論設(shè)計和性能檢測，最終實現(xiàn)防彈板的綜合性能優(yōu)化的目標，滿足防彈板的功能性與經(jīng)濟性要求。

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(責(zé)任編輯周江川)

ResearchStatusofBulletproofPlateanditsDetectionMethods

CHEN Gong1,3， DAI Luwei2,3，SUN Zhifu4, YIN Chunling5, FANG Darong6

(1.College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2.College of Materials Science and Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China; 3.Ordnance Equipment Research Institute, Chongqing Electromechanical Vocational Institute, Chongqing 400036, China; 4.College of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 5.China Ordnance Society, Beijing 100089, China; 6.Chongqing Machinery and ELectronics Technician College, Chongqing 400037, China))

The achievements of the bulletproof panels in the currently world from the aspects of classification, measurements and modification arc reviewed.The directions for future development of modern bulletproof panels are proposed.

bulletproof panels；numerical simulation；anti-penetrating ability； mechanical property

2017-04-25；

：2017-05-26

陳功(1996—)，男，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)材料與電子材料研究。

10.11809/scbgxb2017.09.012

format:CHEN Gong， DAI Luwei，SUN Zhifu，et al.Research Status of Bulletproof Plate and its Detection Methods[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):58-62.

TB31

：A

2096-2304(2017)09-0058-05

本文引用格式：陳功，代璐蔚，孫智富,等.防彈板的研究現(xiàn)狀[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(9):58-62.