陣列式陶瓷顆粒破片防護層透波特性研究?

甄建偉 劉國慶 王國棟 史進偉

陣列式陶瓷顆粒破片防護層透波特性研究?

甄建偉 劉國慶 王國棟 史進偉

（軍械工程學院彈藥工程系 石家莊 050003）

陣列式陶瓷顆粒破片防護層具有優(yōu)良的防彈性能，由于其結(jié)構(gòu)的復雜性，在受到?jīng)_擊波作用時的響應尚待研究。在構(gòu)建有限元模型的基礎上，采用數(shù)值模擬的方法對陣列式陶瓷顆粒破片防護層的透波特性進行了研究。仿真結(jié)果表明，陣列式陶瓷顆粒破片防護層在具備防彈能力的同時，還可以降低沖擊波對其后面支撐結(jié)構(gòu)的整體沖擊強度，延長沖擊波對支撐結(jié)構(gòu)的作用時間，從而可有效降低沖擊波對支撐結(jié)構(gòu)的破壞作用。

陶瓷；破片；透波；防護

AbstractArray ceramic grains bullet resistant material has excellent ballistic performance，and due to the complexity of its structure，the response to shock wave action needs to be studied.Blast wave penetration properties of array ceramic grains bullet re?sistant material is studied through the method of numerical simulation.Simulation results show that，on the basis of ensuring the abil?ity of bulletproof，array ceramic grains bullet resistant material can also reduce integral impact strength to bracing structure，which is from blast wave.But also it can enlarge blast wave actuation duration to bracing structure.In the end，the composite material can reduce damage of blast wave to bracing structure.

Key Wordsceramics，fragment，blast wave penetration，protection

Class NumberTD235.3

1 引言

隨著彈藥技術的迅猛發(fā)展，未來戰(zhàn)場環(huán)境將越來越復雜，但由彈藥爆炸產(chǎn)生的各種效應仍然是直接殺傷敵方人員、摧毀敵方裝備的主要手段［1］。為了防護彈藥爆炸形成的各種破壞效應，各國都在加緊研制各種輕質(zhì)、高效的防護材料［2～4］，這樣可以在保證裝甲防護能力的基礎上，盡可能地提高部隊的機動性。陶瓷材料由于具有高強度、低密度的特點［5～10］，特別適合作為各種輕型車輛的裝甲。但陶瓷材料存在韌性較差的缺點，當陶瓷防彈板受到高速彈丸沖擊時容易發(fā)生整體破碎，進而失去防彈性能。為了克服以上缺點，有關研究人員將大量具有一定形狀和尺寸的陶瓷顆粒粘結(jié)在一起，制成陣列式陶瓷顆粒破片防護層。這種防護層受到彈丸沖擊時，只有個別陶瓷顆粒發(fā)生破碎，整個破片防護層仍具有很好的防護性。

陣列式陶瓷顆粒破片防護層除具有優(yōu)良的防彈性能之外，由于它是由大量陶瓷顆粒粘結(jié)而成，各顆粒之間具有一定的縫隙，使它同時具有了一定的透波特性。當沖擊波通過防護層時，沖擊波的傳播會發(fā)生變化，沖擊波壓力峰值到達防護層背面各點的時刻將不相同，背面各點峰值壓力的大小也不同。本文將對陣列式陶瓷顆粒破片防護層中的這種沖擊波傳播特性進行研究。

2 模型構(gòu)建

雖然陣列式陶瓷顆粒破片防護層中可以選用各種結(jié)構(gòu)的陶瓷顆粒，但各陶瓷顆粒之間一般均有一定的縫隙，因此防護層均會具有類似的透波特性。因此，本文僅對一種特定結(jié)構(gòu)的陣列式陶瓷顆粒破片防護層進行研究，陶瓷顆粒為圓柱形管狀結(jié)構(gòu)，其剖面如圖1所示。陶瓷顆粒的兩個端面分別設計為球面和平面，其中迎彈面為球面，背彈面為平面。陶瓷顆粒的迎彈面采用具有一定曲率半徑r3的球面設計，這樣可以增加破片的彈著角，提高防彈能力。陶瓷顆粒在防護層中的排列方式如圖2所示。

圖1 陶瓷顆粒結(jié)構(gòu)剖面圖

圖2 陶瓷顆粒的排列方式

在工程應用中，陣列式陶瓷顆粒破片防護層的制備步驟是：首先將陶瓷顆粒采用一定的方式排列在模具中；然后將粘結(jié)材料澆注到陶瓷顆粒上，等到粘結(jié)材料固化后，進行脫模處理；最后在粘結(jié)材料的背面粘結(jié)一定厚度的支撐板。本文應用AU?TODYNA仿真軟件對陣列式陶瓷顆粒破片防護層的透波特性進行研究，模型簡圖和相關尺寸如圖3所示。在環(huán)氧樹脂的上表面施加由炸藥爆炸產(chǎn)生的脈沖載荷，在支撐板的背面施加固定約束?？紤]到陣列式陶瓷顆粒破片防護層具有重復性，因此建立最小的重復單元進行計算，有限元模型如圖4所示。

圖3 破片防護層模型簡圖

圖4 破片防護層單元仿真模型

3 材料模型及參數(shù)

仿真模型中涉及的材料有陶瓷顆粒、粘結(jié)材料、支撐板、空氣層和炸藥，它們的材料分別為Al2O3陶瓷、環(huán)氧樹脂、低碳鋼、空氣和TNT。針對各種材料性質(zhì)的不同，仿真過程選用了不同的材料本構(gòu)模型，見表1。材料模型中的各參數(shù)均來自AU?TODYNA軟件的材料庫，表2～6分別列出了以上5種材料模型的主要參數(shù)。

表1 材料的本構(gòu)模型

表2 Al2O3陶瓷的材料模型參數(shù)

表3 環(huán)氧樹脂的材料模型參數(shù)

表4 低碳鋼的材料模型參數(shù)

表5 空氣的材料模型參數(shù)

表6 TNT的材料模型參數(shù)

4 仿真結(jié)果及分析

圖5表示環(huán)氧樹脂上表面（破片防護層迎彈面）加載的壓力脈沖/時間曲線。它是一個典型的由爆炸產(chǎn)生的壓力脈沖，形狀為三角形，具有很強的沖擊波陣面和卸載部分。圖6為支撐鋼板背面某點的壓力/時間曲線。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，鋼板背面某點的壓力首先迅速增大，然后又迅速減小，并最終變?yōu)樨撝怠＿@說明首先有壓縮波通過該點，但由于鋼板背面無任何介質(zhì)，因此會產(chǎn)生拉伸波，進而在該點產(chǎn)生負壓。仿真結(jié)果與爆炸沖擊波傳播過程基本相符，從而驗證了仿真結(jié)果的正確性。

圖5 破片防護層加載的壓力脈沖

在破片防護層重復單元中，有三個特殊的位置，如圖7所示，即：陶瓷顆粒的內(nèi)孔處（位置1）、陶瓷顆粒之間的相接處（位置2）、陶瓷顆?？p隙處的中心（位置3）。本文將通過這三個特殊位置的壓力變化情況來分析破片防護層對沖擊波傳播的影響。

圖8表示與陶瓷顆粒位置相對應的鋼板背面的壓力峰值。從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，鋼板背面的峰值壓力分布不均，其中位置2對應的鋼板背面峰值壓力最大，而位置3對應的壓力最小，位置1對應的壓力居中。根據(jù)沖擊波在介質(zhì)界面上的傳播規(guī)律可以得出，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是由于，當沖擊波在介質(zhì)分界面上傳播時，由于不同介質(zhì)的阻抗不同，造成沖擊波進入下層介質(zhì)中時，壓力會發(fā)生改變。因此，由于沖擊波傳到鋼板背面時通過的介質(zhì)情況不盡相同，所以會造成峰值壓力分布不均的現(xiàn)象。

圖6 鋼板背面的壓力曲線

圖7 破片防護層重復單元陶瓷顆粒位置分布

圖8 鋼板背面峰值壓力

圖9 表示與陶瓷顆粒位置相對應的鋼板背面取得壓力峰值時的時刻。從此圖中可以發(fā)現(xiàn)，鋼板背面取得峰值壓力的時刻各不相同，其中位置2對應的鋼板背面取得峰值壓力的時刻最早，而位置3對應的時刻最晚，位置1對應的時刻居中。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：當沖擊波從空氣中傳入縱向分層介質(zhì)（陶瓷+環(huán)氧樹脂）時，在陶瓷和環(huán)氧樹脂中將具有不同的壓力，另外由于這兩種材料的特性參數(shù)各不相同，沖擊波在兩介質(zhì)中將具有不同的傳播速度。因此，沖擊波峰值壓力不可能同時到達鋼板背面，也就產(chǎn)生了圖9中所示的現(xiàn)象。

圖9 鋼板背面峰值壓力對應時間

綜上所述，由于陣列式陶瓷顆粒破片防護層具有特殊的結(jié)構(gòu)，使得破片防護層上的支撐鋼板受到不均勻壓力脈沖的作用，進而發(fā)生局部的變形，對沖擊波能量起到了一定的衰減作用。另外，由于鋼板背面沖擊波峰值壓力到達的時刻也不相同，這樣就延長了對下層的作用時間，同時降低了鋼板對下一層的整體沖擊強度，有利于沖擊波緩沖層充分發(fā)揮吸能作用。

5 結(jié)語

1）通過對陣列式陶瓷顆粒破片防護層在沖擊波作用下的響應進行分析，驗證了它的特殊結(jié)構(gòu)使其具備了優(yōu)良的透波特性。

2）在面對彈藥爆炸產(chǎn)生的高速破片和沖擊波效應時，陣列式陶瓷顆粒破片防護層可以在防破片侵徹的基礎上，延長沖擊波對其后面的支撐結(jié)構(gòu)的作用時間，降低對支撐結(jié)構(gòu)的整體沖擊強度，從而起到一定的降低沖擊波破壞的作用。

3）對于如何使陣列式陶瓷顆粒破片防護層獲得最佳的透波性能，仍需進行進一步的研究。

［1］王廣彥，胡起偉.彈藥殺傷效果仿真及綜合因素影響分析［J］.計算機仿真，2006，23（10）：5-6.

WANG Guangyan，HU Qiwei.Damage Effects Simulation for Bomb and the Synthetic Factors Influence Analysis［J］.Computer Simulation，2006，23（10）：5-6.

［2］劉薇，楊軍.裝甲防護材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.熱加工工藝，2011，40（2）：108-109.

LIU Wei，YANG Jun.Current Status and Development of Armor Protective Material［J］.Hot Working Technology，2011，40（2）：108-109.

［3］房凌暉，鄭翔玉，馬麗，等.坦克裝甲車輛裝甲防護發(fā)展研究［J］.四川兵工學報，2014，35（2）：23-25.

FANG Linghui，ZHENG Xiangyu，MA Li，et al.Armor Pro?tection Development of Tank&Armored Vehicle［J］.Jour?nal of Sichuan Ordnance，2014，35（2）：23-25.

［4］陳碩，趙忠民，張龍.陶瓷裝甲材料動態(tài)力學研究進展［J］.特種鑄造及有色合金，2016，36（4）：401-402.

CHEN Shuo，ZHAO Zhongmin，ZHANG Long.Review on Dynamic Fracture of Ceramics Materials in Armor Applica?tions［J］.Special Casting&Nonferrous Alloys，2016，36（4）：401-402.

［5］張新杰.影響陶瓷裝甲抗彈性能的主要因素［J］.材料開發(fā)與應用，2012，27（2）：103-104.

ZHANG Xinjie.The Main Anti-ballistic Factors of Ceram?ic Armor［J］.Development and Application of Materials，2012，27（2）：103-104.

［6］孫志杰，吳燕，張佐光，等.防彈陶瓷的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.宇航材料工藝，2000（5）：10-14.

SUN Zhijie，WU Yan，ZHANG Zuoguang，et al.Current Status and Development of Ballistic Ceramics［J］.Aero?space Material&Technology，2000（5）：10-14.

［7］劉水江.復合防破片板防護性能分析及數(shù)值模擬［D］.武漢：武漢理工大學，2007：1-3.

LIU Shuijiang.Analysis and Numerical Simulation for the Protective Performance of Laminated Shellproof Board［D］.Wuhan：Journal of Wuhan University of Science and Technology，2007：1-3.

［8］劉勝，呂攀珂，張燕.防彈陶瓷插板的應用性能研究［J］.中國個體防護裝備，2016（6）：10-12.

LIUSheng，LV Panke，ZHANGYan.Research on Applica?tion Performance of Bulletproof Ceramic Plate［J］.ChinaPersonal Protective Equipment，2016（6）：10-12.

［9］高原，姚凱.軍用車輛裝甲防護材料與技術發(fā)展的研究［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2015，28（2）：10-12.

GAO Yuan，YAO Kai.Armor Protection Materials and Technology Development Research on Military Vehicle［J］.Development&Innovation of Machinery&Electrical Products，2015，28（2）：10-12.

［10］劉勝，呂攀珂，張艷朋.陶瓷復合裝甲的結(jié)構(gòu)設計研究［J］.兵器材料科學與工程，2011，34（6）：84-85.

LIU Sheng，LV Panke，ZHANG Yanpeng.Structural de?sign of ceramic composite armor［J］.Ordnance Material Science and Engineering，2011，34（6）：84-85.

Research on Blast W ave Penetration Properties of Array Ceram ic G rains Bullet Resistant M aterial

ZHEN Jianwei LIU Guoqing WANG Guodong SHI Jinwei
（Ammunition Engineering Department，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003）

TD235.3

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.09.041

2017年3月12日，

2017年4月22日

甄建偉，男，博士，講師，研究方向：彈藥工程。劉國慶，男，博士，副教授，研究方向：彈藥工程。王國棟，男，碩士，講師，研究方向：彈藥工程。史進偉，男，博士，講師，研究方向：彈藥工程。