靶體材料疊層順序?qū)孤研晤^彈沖擊性能影響

鄧云飛, 張 偉, 賈 斌, 胡 靜, 陳 聰

(1.中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，哈爾濱 150080)

靶體材料疊層順序?qū)孤研晤^彈沖擊性能影響

鄧云飛1，2, 張 偉2, 賈 斌2, 胡 靜1, 陳 聰1

(1.中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，哈爾濱 150080)

為研究靶體材料及結(jié)構(gòu)對其抗撞擊特性的影響，利用一級輕氣炮系統(tǒng)進(jìn)行卵形頭彈正撞擊靶體試驗(yàn).通過改變靶體材料及結(jié)構(gòu)，分析靶體在不同撞擊條件下的彈道極限及失效模式.靶體包括單層靶、相同材料板組成的等厚雙層靶，以及不同材料板組成的等厚雙層靶，靶體總厚度相等.利用高速攝像機(jī)獲取彈體撞擊速度數(shù)據(jù)和彈道姿態(tài)圖像，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立各種結(jié)構(gòu)靶體的初始-剩余速度曲線，進(jìn)而計(jì)算獲取靶體的彈道極限速度.通過分析靶體的彈道極限及面密度，從抗撞擊效率方面揭示靶板的疊層順序?qū)ζ淇棺矒粜阅艿挠绊懸?guī)律及機(jī)理.試驗(yàn)結(jié)果表明：單層靶板的抗撞擊性能高于等厚度的雙層靶板；靶板的疊層順序?qū)旌想p層靶抗撞擊性能存在影響，硬板在前軟板在后排列能夠提高靶體的抗撞擊性能，并且這種差異隨彈體初始速度的增加而減小.此外，鋁合金靶體單位質(zhì)量的抗撞擊效率高于鋼靶體.

撞擊；彈體；靶體；彈道極限；疊層順序

在設(shè)計(jì)相關(guān)防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，希望尋求一種結(jié)構(gòu)在相同質(zhì)量(不同材料)或相同厚度(相同材料)的情況下，其抗撞擊性能最佳.國內(nèi)外研究者對單層板及多層板抗撞擊特性進(jìn)行了研究，如Marom等[1]、Corran等[2]、Almohandes等[3]、Gupta等[4]，Deng等[5-9].目前，研究主要是針對單層靶與等厚度相同材料多層靶的抗撞擊特性，分析對象為靶體分層數(shù)、彈體頭部形狀、靶體間隙、靶體總厚度、靶體厚度疊層順序等.Flores-Johnson等[10]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，Al7075-T651鋁合金在前Weldox 700E鋼板在后雙層靶對標(biāo)準(zhǔn)卵形頭彈 ( APM2 ) 的彈道極限高于相反疊層順序的靶體，但是并未給出詳細(xì)機(jī)理分析.7075-T651鋁合金屈服強(qiáng)度為520 MPa，而Weldox 700E鋼強(qiáng)度為819 MPa.Teng等[11]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，軟板在前硬板在后雙層靶的彈道極限高于相反疊層順序的靶體，但是并沒有考慮彈體破碎，而把彈體當(dāng)作剛性彈，事實(shí)上彈體在撞擊過程中發(fā)生了破碎及斷裂.

從上述分析可以發(fā)現(xiàn)，目前的研究主要集中在相同材料組成的多層靶體，很少考慮不同材料疊層順序?qū)Π畜w抗撞擊性能和失效模式的影響，尤其是缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究.本文基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，研究靶體材料及結(jié)構(gòu)對其抗撞擊性能及失效模式的影響，以及不同結(jié)構(gòu)靶體間失效特性的轉(zhuǎn)變規(guī)律和機(jī)制.

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)是在一級氣炮上進(jìn)行，整個試驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1 一級炮示意

靶體材料為2A12-T4和Q235鋼板，靶體總厚度為2 mm，具體結(jié)構(gòu)形式包括：A2、S2、A1A1、A1S1、S1A1和S1S1，其中：A1A1為等厚度雙層鋁靶，A1S1為1 mm 鋁板在前加1 mm 鋼板在后組成的雙層金屬靶，其他類似.卵形頭彈體由高強(qiáng)度38CrSi鋼加工而成，彈體頭部曲率半徑與彈身直徑比CRH為3，結(jié)構(gòu)如圖2所示.此外，2A12-T4鋁合金屈服強(qiáng)度為400 MPa、抗拉強(qiáng)度為635 MPa、斷裂應(yīng)變?yōu)?.23；Q235鋼屈服強(qiáng)度為293 MPa、抗拉強(qiáng)度為515 MPa、斷裂應(yīng)變?yōu)?.04.具體彈體和靶體材料參數(shù)詳見文獻(xiàn)[12].

圖2 彈體形狀及尺寸 (單位：mm )

2 靶體撞擊失效特性影響因素分析

2.1 彈道極限

表1給出了撞擊試驗(yàn)結(jié)果，其中vi為彈體初始撞擊速度，vr為彈體貫穿靶板后的剩余速度.需要說明的是，A2、A1A1、A2的撞擊機(jī)理在文獻(xiàn)[5, 9]已經(jīng)進(jìn)行過描述，相關(guān)數(shù)據(jù)在本文中未給出，在此主要是為比較不同靶體的抗撞擊特性.

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用R-I公式[13]處理彈體的速度數(shù)據(jù)，并得到彈靶系統(tǒng)的彈道極限.彈道極限描述了一種臨界速度，當(dāng)彈體以彈道極限速度撞擊靶體，彈體穿過靶體后的剩余速度正好為0 m/s.對于彈體，彈道極限越低，說明其撞擊能力越強(qiáng)，而對于靶體，彈道極限越高，說明其抗撞擊能力越強(qiáng)，兩者之間是“矛”和“盾”的關(guān)系.表 2 給出了依據(jù)式 (1) 擬合得到的模型參數(shù).可以看出，卵形頭彈撞擊靶體時(shí)，a為1，此時(shí)mpl為0，這是由于卵形頭彈體撞擊靶體時(shí)不產(chǎn)生沖塞.

表2 彈道極限及模型參數(shù)

注：vbl/(ms-1)

圖3給出了彈體撞擊靶板的初始-剩余速度數(shù)據(jù)曲線.

從圖3 和表2 可以看出：1)靶體的結(jié)構(gòu)及材料特性對其抗撞擊性能影響很大，S2的彈道極限最高，其次分別為S1S1、A1S1、S1A1、A2、A1A1；2)分層降低靶體的彈道極限，A2和A1A1相比，彈道極限提高11.4%，而S2和S1S1的彈道極限相差11.6%，這說明單層靶的彈道極限高于雙層靶；3)A1S1和S1A1相比，彈道極限提高4.8%.因此，雙層混合靶的疊層順序?qū)ζ淇棺矒粜源嬖谟绊懀X板在前鋼板在后能夠提高雙層靶彈道極限，并且靶體疊層順序?qū)ζ淇棺矒粜阅艿挠绊戨S彈體初始速度增加而減小，最終兩種彈體的彈道性能很接近.例如，對于靶體A1S1，彈體初始速度為94.12 m/s，剩余速度為32.87 m/s；對于靶體S1A1，彈體初始速度為94.12 m/s，剩余速度為40.33 m/s.兩種靶體的初始撞擊速度相同，但是靶體S1A1的剩余速度高于A1S1，這也說明了A1S1的彈道性能高于S1A1.此外，2A12-T4鋁合金板的屈服強(qiáng)度為400 MPa，而Q235鋼的屈服強(qiáng)度為293 MPa.因此，硬板排列在軟板前面能夠提高靶體抗撞擊性能.不過，靶體A1S1和S1A1兩者彈道性能相差不大，可能一方面由于靶板厚度小，彈體也沒有發(fā)生變形；另外一方面可能是兩種靶體的強(qiáng)度相差不明顯.

圖3 彈體撞擊靶體速度數(shù)據(jù)

對于不同密度的材質(zhì)靶體，表2 的彈道極限未考慮靶體質(zhì)量的影響.為了分析靶體質(zhì)量對彈道極限的影響，引入抗撞擊效率，即靶體彈道極限與其面密度的比值(相同厚度)，見表3.雖然相同結(jié)構(gòu)Q235鋼靶體彈道極限高于2A12-T4鋁合金，但是Q235鋼密度高于2A12-T4鋁合金.例如，對于單層板彈道極限，Q235鋼比2A12-T4鋁合金提高62%；對于雙層板彈道極限，Q235鋼比2A12-T4鋁合金提高66%.但是，對于材料密度，Q235鋼比2A12-T4鋁合金提高189%.因此，靶體的抗撞擊效率與其彈道極限有所不同，A2的抗撞擊效率最高，而S1S1的抗撞擊效率最低，這與彈道極限的排序相反.

K=vbl/ρA,

(1)

(2)

式中:K為靶體抗撞擊效率;ρA為靶體面密度;ρi和hi分別為靶板的密度以及厚度;n為靶體層數(shù).

表3 靶體面密度及抗撞擊效率

2.2 靶板的變形和失效形式

圖4給出彈體撞擊靶體高速攝影圖片，通過圖片可以觀測彈體的著靶姿態(tài)及彈靶動態(tài)損傷情況.

圖4 彈體撞擊靶板圖片

撞擊試驗(yàn)后，回收了彈體和靶體，彈體保持剛性，而靶體發(fā)生失效變形.彈體撞擊靶體，靶板在擴(kuò)孔過程中，孔口有兩種形狀，一種是對稱于板的中面，另一種是偏向板的一邊，這是由彈徑Rp與板厚ht之比決定.一般來說，Rp/ht≤3時(shí)，產(chǎn)生對稱變形；Rp/ht≥3時(shí)，產(chǎn)生偏向一邊的變形[14].在本文中，Rp/ht為3.155或者6.310，所示靶板的變形偏向一邊，如圖5所示.

圖5 靶件失效形式

圖5給出了不同撞擊條件下典型靶體失效樣件的正反面，分析靶體失效機(jī)理是探究其抗撞擊特性的重要組成部分，其中No.1和No.2分別表示撞擊方向的第1、2層板.靶體的主要失效模式為局部化的花瓣開裂，彈體在撞擊過程中向前運(yùn)動，推動靶體材料向四周擴(kuò)展，當(dāng)靶體材料承受的環(huán)向力超過其強(qiáng)度極限時(shí)，材料產(chǎn)生開裂.Q235鋼的韌性高而脆性低于2A12-T4鋁合金，所以2A12-T4鋁合金板表現(xiàn)出一定的脆性撕裂，而Q235鋼板表現(xiàn)出一定的韌性頸縮.從圖5(a)、 (b) 可以清晰的看出，2A12-T4鋁合金板的花瓣開裂特征高于Q235鋼，并且表現(xiàn)出明顯的脆性，而Q235鋼板表現(xiàn)出一定的韌性頸縮撕裂.此外，Q235鋼板的結(jié)構(gòu)變形大于2A12-T4鋁合金板.

對于雙層板，2A12-T4鋁合金板第1、2層板的失效模式差別不明顯，均為4個花瓣，整體結(jié)構(gòu)變形特別小，如圖5(c) 所示.Q235鋼第1、2層板的花瓣開裂特征不明顯，花瓣均從底部上到頂部呈現(xiàn)90°彎曲，花瓣開裂主要位于頂部.此外，兩者的失效模式有所差異，第1層板的花瓣數(shù)量多于第2層板而尺寸小于第2層板，并且第1層板在彈體和第2層板擠壓作用發(fā)生變薄，如圖5(d) 所示.當(dāng)2A12-T4鋁合金板和Q235鋼板混合成雙層板時(shí)，第1層板的裂紋數(shù)量均小于第2層板，這是因?yàn)樵谧矒暨^程中兩層板之間存在作用力(包括擠壓力和摩擦力).板間作用力作用在第1層板的背面，對第1層板裂紋的擴(kuò)展而言是阻力，在一定程度抑制了大裂紋的產(chǎn)生，導(dǎo)致形成一些小裂紋.但是，第2層板后面不存在約束，不存在裂紋擴(kuò)展的阻力.

基于上述分析可以發(fā)現(xiàn)，靶體由單層板分層到雙層板，靶體主要失效及耗能形式不發(fā)生改變，只是降低了靶體整體剛度[15].因此，靶體剛度降低必定會造成其抗侵徹性能的降低.

靶板彎曲變形所耗功為[16]

(3)

式中:Rn為靶板的有效直徑；h0為靶板的厚度；n為多層靶中第n層板；θn為第n層板變形前后的夾角;Δθn為相鄰兩層板變形前后的夾角之差值;Y為流應(yīng)力.

由式 (3) 可知，靶板彎曲變形耗功與其厚度二次方成正比關(guān)系，分層必然在一定程度上降低靶體的彎曲變形耗功.因此，分層降低靶體的彈道極限.

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，卵形彈撞擊單層及雙層薄靶時(shí)，靶體的主要模式為花瓣開裂，其主要耗能方式為拉伸和彎曲，所以靶體的強(qiáng)度與斷裂韌性極大地影響其抗撞性能，提高靶體材料強(qiáng)度與斷裂韌性均能增加其抗撞擊性能.表4給出了2A12-T4鋁合金及Q235鋼部分材料參數(shù).材料在拉伸和彎曲過程中的變形耗能為應(yīng)力對應(yīng)變的積分，2A12-T4鋁合金強(qiáng)度比Q235鋼提高23.3%，但是Q235鋼的斷裂應(yīng)變比2A12-T4鋁合金提高352%，所以Q235鋼在撞擊過程中變形耗能高于2A12-T4，這可能是Q235鋼板彈道極限高于2A12-T4鋁合金板的原因，如圖6所示.

強(qiáng)度高的單層薄板(硬板)，其失效模式表現(xiàn)出一定的脆性撕裂，而強(qiáng)度低的單層薄板(軟板)，其失效模式表現(xiàn)出一定的韌性頸縮.因此，硬板的結(jié)構(gòu)變形小于軟板.軟板疊放在硬板前面組成雙層靶，由于軟板的緩沖作用及雙層靶間的相互作用力，減小了第2層硬板的脆性碎裂，增加其結(jié)構(gòu)變形，這有利于提高靶體的抗撞擊性能，此為第1種影響.但是，由于第2層硬板強(qiáng)度高，撞擊過程中會限制第1層板軟板的結(jié)構(gòu)變形，不利于第1層板發(fā)生塑性變形而吸收彈體動能，這將降低靶體的抗撞擊性能，此為第2種影響.但是，硬板疊放在軟板前面組成的雙層靶這兩種影響不明顯.撞擊實(shí)驗(yàn)中靶體是采用螺栓對8點(diǎn)固定，靶體在撞擊過程中會產(chǎn)生很大的振動，這會減小第1種影響.因此，第2種影響大于第1種影響，硬板安裝在軟板前面能夠提高靶體的抗撞擊性能，這與文獻(xiàn)[10-11]數(shù)值模擬結(jié)論相反，而與文獻(xiàn)[11]實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.文獻(xiàn)[11]撞擊實(shí)驗(yàn)中彈體發(fā)生變形及斷裂，但是數(shù)值模擬過程并未考慮彈體的變形及失效，兩者之間不相符合.

表4 靶體材料參數(shù)

圖6 撞擊過程中靶體材料變形耗能示意

Fig.6 Schematic diagram of energy dissipation of target material during impacting

3 結(jié) 論

1) 薄板在彈體撞擊作用下主要發(fā)生花瓣開裂和彎曲失效破壞，靶板具體的失效模式還與其疊層順序相關(guān).

2) 基于本研究工況，對于中低強(qiáng)度的薄靶，靶體分層降低其抗撞擊性能，并且雙層鋼靶的彈道極限高于雙層鋁靶.但是，如果考慮靶體質(zhì)量，單層鋁合金靶單位質(zhì)量的抗撞擊效率最高，而雙層鋼靶的抗撞擊效率最低.

3) 靶板的材料安裝順序能夠影響其抗撞擊性能，硬板在前軟板在后排列能夠提高雙層靶的抗撞擊性能.

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Theeffectofmateriallayeringorderontheballisticperformancesoftargetsagainsttheimpactofogival-nosedprojectiles

DENG Yunfei1,2, ZHANG Wei2, JIA Bin2, HU Jing1, CHEN Cong1

(1.College of Aeronautical Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China;2.School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China )

The plates are normally impacted by ogival-nosed projectiles on a one stage-gas gun to investigate the influence of material and configuration on the ballistic resistance of target. By changing the material and configuration of target, the ballistic limit and failure modes of the target under various impact conditions are analyzed. All the targets, including monolithic plates, double-layer plates with the same materials and double-layer plates with different materials, are of equal thickness. The velocity data and ballistic attitude image of projectile are acquired by high-speed camera, the residual velocity versus initial velocity curves and ballistic limit velocities of the projectiles are obtained based on experimental data. By analyzing the ballistic limit and surface density of target, the influence of layering order of target on its impact resistance is revealed from the impact efficiency. The experimental results indicate that the monolithic plates have a better ballistic performance than the double-layer plates with the same materials. The layering order affects the ballistic resistance of the double-plates with different materials, the configuration for anti-impact perfarmance is the upper layer of harder material and the lower layer of softer material, and also the layering order of plate on the ballistic resistance decreases with the increase of initial velocity of projectile. Moreover，it reveals that the ballistic resistance of aluminum alloy target is higher than that of steel target under the similar areal density.

impact; projectile; target; ballistic limit; layer order

10.11918/j.issn.0367-6234.201604021

O347；O385

A

0367-6234(2017)10-0132-06

2016-04-06

國家自然科學(xué)基金 (11072072); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(3122016C001)

鄧云飛 (1982—), 男, 博士, 講師;

張 偉 (1962—), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師

賈 斌, jiabin@hit.edu.cn

(編輯張 紅)