金屬蜂窩增強(qiáng)陶瓷復(fù)合裝甲抗侵徹性能研究*

徐國軍，張 俊，鄭興偉，曹守啟，蔡正祥

(上海海洋大學(xué)工程學(xué)院， 上海 201306)

0 引言

近年來，國內(nèi)外研究者對提高層疊金屬陶瓷復(fù)合裝甲的抗侵徹性能進(jìn)行了廣泛研究。Kaufman[1]和Asadi[2]發(fā)現(xiàn)高硬度的陶瓷材料能提高層疊金屬陶瓷復(fù)合裝甲的抗侵徹性能，而鄒磊[3]通過增加陶瓷厚度來提高復(fù)合裝甲的抗侵徹性能，但這些通過提高夾芯材料的強(qiáng)度來提升復(fù)合裝甲抗侵徹性能的方法，其成本較高且提升效果不明顯。最近一些學(xué)者[4-6]發(fā)現(xiàn)對陶瓷邊界進(jìn)行約束也可以提高復(fù)合裝甲的抗侵徹性能，但隨著復(fù)合裝甲尺寸的增大，其約束效能逐漸降低，而Christian[7]利用金字塔型金屬骨架對陶瓷進(jìn)行約束，解決了這種尺寸效應(yīng)對復(fù)合裝甲抗侵徹性能的影響，大幅度提高了層疊金屬陶瓷復(fù)合裝甲的抗侵徹性能；在此基礎(chǔ)上，張俊和倪長也[8-9]通過添加環(huán)

氧樹脂膠結(jié)劑，靶板結(jié)構(gòu)更加完整，使得復(fù)合裝甲的抗侵徹性能更加優(yōu)異，但是對于不同侵徹角度的抗侵徹性能卻沒有進(jìn)一步深入研究。

文中采用以點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中的蜂窩結(jié)構(gòu)作為支撐陶瓷的金屬骨架，通過在金屬蜂窩骨架中加入六棱柱型陶瓷棒，并在其上下表面粘結(jié)金屬板，利用環(huán)氧樹脂膠結(jié)劑密封注塑，構(gòu)成了該型金屬陶瓷復(fù)合靶板。通過數(shù)值模擬研究了該型復(fù)合靶板在不同侵徹位置和侵徹角度下的抗侵徹性能，并與層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板進(jìn)行了對比分析，得到了兩類靶板各子結(jié)構(gòu)的吸能效果、破壞機(jī)理，彈丸速度和加速度等變化規(guī)律。

1 金屬蜂窩陶瓷復(fù)合靶板的結(jié)構(gòu)組成

圖1為金屬蜂窩陶瓷復(fù)合靶板的組成。蜂窩骨架是以蜂窩胞元進(jìn)行擴(kuò)展形成的雙層結(jié)構(gòu)，在蜂窩骨架的空隙中，加入六棱柱陶瓷棒，并在間隙中添加環(huán)氧樹脂膠結(jié)劑，最后在上下表面粘結(jié)金屬板，構(gòu)成了該型金屬蜂窩陶瓷復(fù)合靶板。蜂窩胞元的梁單元尺寸為1.5 mm×1.5 mm×5 mm，蜂窩高度為10 mm。六棱柱陶瓷棒的底面邊長為5 mm。金屬板的邊長40.6 mm，板厚為1.5 mm。彈丸頭部為半球形，直徑7.62 mm，圓柱部高15 mm。

圖1 金屬蜂窩陶瓷復(fù)合靶板的結(jié)構(gòu)組成及有限元模型

2 兩類復(fù)合靶板的抗侵徹性能數(shù)值模擬

應(yīng)用ANSYS/LS-Dyna建立計(jì)算模型，彈丸初始速度為800 m/s。彈丸和蜂窩使用高強(qiáng)度鋼，密度為7 850 kg/m3，面板和背板材料均采用普通裝甲鋼，密度為7 830 kg/m3，選用常見的氧化鋁陶瓷材料，部分參數(shù)見表1，環(huán)氧樹脂膠合劑的密度為1 190 kg/m3。侵徹過程中金屬面板和背板的塑性變形大、局部溫度高，從而采用本構(gòu)模型(Johnson-Cook)進(jìn)行描述，狀態(tài)方程采用(Gruneisen)[10]。蜂窩、彈丸和環(huán)氧樹脂采用隨動硬化材料模型(Plastic-Kinematic)[10]進(jìn)行描述。陶瓷的材料模型采用(Johnson-Holmquist-Ceramics)[10]，各材料的具體參數(shù)取值見文獻(xiàn)[11]。對靶板邊界施加全約束，各子結(jié)構(gòu)的接觸方式均采用面對面接觸算法，所有結(jié)構(gòu)均被劃分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

表1 陶瓷材料參數(shù)

2.1 金屬蜂窩陶瓷復(fù)合靶板

彈丸正侵徹金屬蜂窩陶瓷復(fù)合靶板時(shí)，侵徹位置有以下兩種情況：a)正對蜂窩骨架節(jié)點(diǎn)(強(qiáng)度最高)；b)正對六棱柱陶瓷棒中心(強(qiáng)度最低)。圖2 顯示侵徹位置為蜂窩骨架節(jié)點(diǎn)時(shí)彈靶的Miss應(yīng)力云圖。

圖2 彈丸侵徹金屬蜂窩骨架陶瓷復(fù)合靶板的Mises應(yīng)力云圖

從圖2(a)可知，當(dāng)彈丸撞擊復(fù)合靶板時(shí)，應(yīng)力首先在撞擊點(diǎn)產(chǎn)生，隨后向四周傳遞，近鄰撞擊點(diǎn)出現(xiàn)應(yīng)力波，從中心到四周應(yīng)力波在傳播過程中逐漸減小。圖2(b)面板上的應(yīng)力波范圍繼續(xù)擴(kuò)大，應(yīng)力波沿著蜂窩骨架傳遞到背板，彈丸頭部的應(yīng)力波也向彈體后部傳播，同時(shí)彈丸頭部已經(jīng)墩粗。圖2(c)應(yīng)力在蜂窩骨架上傳播，使得蜂窩骨架在彈丸的作用下發(fā)生斷裂，彈丸到達(dá)背板且背板發(fā)生較大凸起。圖2(d)彈丸已穿透靶板，斷裂骨架在彈丸作用下也穿出靶板，應(yīng)力波傳遞到結(jié)構(gòu)的邊界處并產(chǎn)生回彈現(xiàn)象，邊緣應(yīng)力波出現(xiàn)自由震蕩。

2.2 層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板

層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板是由面板、背板和陶瓷組成的三明治結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)尺寸，材料模型參數(shù)和狀態(tài)方程參數(shù)均保持不變，各材料之間均采用面對面接觸，對靶板邊界施加全約束。圖3表示彈丸正侵徹層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板過程中彈靶的Mises應(yīng)力云圖。

圖3 彈丸侵徹層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板的Mises應(yīng)力云圖

圖3(a)應(yīng)力波在彈丸與面板的接觸位置產(chǎn)生并向四周擴(kuò)散，底板產(chǎn)生少許應(yīng)力波，中間陶瓷未產(chǎn)生應(yīng)力波，此時(shí)彈丸的能量主要由面板吸收。圖3(b)彈丸擊穿面板，由應(yīng)力圖可以看出，在彈丸頭部出現(xiàn)陶瓷碎片，底板的應(yīng)力波擴(kuò)大，此時(shí)彈丸能量的作用形式是陶瓷破裂。圖3(c)彈丸在穿透背板的臨界點(diǎn)，彈道周圍出現(xiàn)大量陶瓷碎片并產(chǎn)生較大的彈孔。此時(shí)陶瓷對彈丸基本無阻礙作用，彈丸的能量轉(zhuǎn)化為背板的變形。圖3(d)彈丸擊穿背板，背板形成較大孔洞，由于彈丸不再對背板發(fā)生沖擊作用，背板逐漸恢復(fù)變形，穿孔呈現(xiàn)梭型且不再增大。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 兩類復(fù)合靶板各子結(jié)構(gòu)的吸能表現(xiàn)

圖4為兩類靶板各子結(jié)構(gòu)的能量變化圖。圖4(a)表示侵徹位置為金屬蜂窩骨架節(jié)點(diǎn)時(shí)靶板各子結(jié)構(gòu)的能量變化曲線。圖4(b)表示侵徹層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板時(shí)靶板各子結(jié)構(gòu)的能量變化曲線。

圖4 兩類靶板各子結(jié)構(gòu)的能量吸收圖

圖4可以發(fā)現(xiàn)背板吸收的能量均比面板高，這是由于彈丸作用面板時(shí)，彈丸形態(tài)完整且速度較高，與面板的作用時(shí)間短，而作用背板時(shí)，彈丸頭部已經(jīng)墩粗，速度變低，其對背板的作用時(shí)間長，從圖2和圖3中可以看出背板的變形比面板的變形更加明顯，說明面板和背板主要靠塑性變形吸收彈丸能量。圖4(a)骨架幾乎作用整個(gè)侵徹時(shí)間段，作用力使得骨架整體結(jié)構(gòu)變形較大，同時(shí)發(fā)現(xiàn)部分骨架結(jié)構(gòu)伴隨著彈丸的穿出而脫離靶板，說明骨架出現(xiàn)斷裂，變形和斷裂吸收了彈丸大量能量。陶瓷屬于脆性材料，在彈丸侵徹過程中其主要作用是墩粗彈丸，并通過破碎吸收彈丸能量，層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板中陶瓷破碎的區(qū)域大于金屬蜂窩陶瓷復(fù)合靶板，但兩類靶板中陶瓷吸收的彈丸能量相差不大，這是因?yàn)樵诮饘俜涓C陶瓷復(fù)合靶板中，金屬蜂窩骨架和環(huán)氧樹脂具有良好的抗彎曲特性，且在陶瓷受到彈丸的壓縮剪切破壞和背板的拉伸破壞而裂開時(shí)，會對陶瓷進(jìn)行約束使得裂開的陶瓷緊緊的擠壓在一起，不會發(fā)生崩落，從而提高了陶瓷對彈丸的作用力。彈丸貫穿靶板后，金屬蜂窩陶瓷復(fù)合靶板吸收的總能量大于層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板，說明了金屬蜂窩陶瓷復(fù)合靶板的抗侵徹性能強(qiáng)于層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板。

3.2 彈丸侵徹靶板過程中的速度和加速度分析

通過研究靶板各子結(jié)構(gòu)的吸能表現(xiàn)，分析靶板的破壞機(jī)理，但對靶板具體抗侵徹性能，還需要研究彈丸侵徹過程中速度和加速度的變化規(guī)律。圖5和圖6分別為彈丸侵徹兩類靶板過程中速度和加速度的變化規(guī)律。

圖5 彈丸的加速度變化規(guī)律

圖6 彈丸的速度變化規(guī)律

圖5的結(jié)果表明：彈丸接觸靶板時(shí)，加速度急劇增大，這是因?yàn)榘邪宓男螒B(tài)完整，且具有較高的硬度和剛度，當(dāng)彈丸接觸靶板瞬間，在其表面形成強(qiáng)力的壓縮波，從而使得彈丸和靶板之間的壓應(yīng)力迅速增大；從12 μs到彈丸貫穿靶板這段時(shí)間，加速度整體趨于減少，偶爾有幾段小的上升，這是由于各子結(jié)構(gòu)的材料不同，對彈丸的作用力不同，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)表示彈丸開始侵徹該子結(jié)構(gòu)；圖2的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，12 μs時(shí)陶瓷出現(xiàn)破碎，隨后彈丸的加速度也快速減少，說明陶瓷在抗侵徹過程中具有重要作用，12 μs后彈丸侵徹金屬蜂窩陶瓷復(fù)合靶板的加速度仍大于層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板，因?yàn)槠扑榈奶沾稍诜涓C骨架和環(huán)氧樹脂的約束下仍然對彈丸有較大的作用力。圖6結(jié)果表明：彈丸貫穿層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板所需的時(shí)間最短為64 μs，而貫穿金屬蜂窩陶瓷復(fù)合靶板所需的時(shí)間分別為90 μs和72 μs，相對于層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板，彈丸更難貫穿金屬蜂窩陶瓷復(fù)合靶板。彈丸貫穿層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板后的剩余速度為456 m/s，抗侵徹性能最弱；侵徹位置正對金屬蜂窩陶瓷復(fù)合靶板節(jié)點(diǎn)時(shí)，彈丸貫穿靶板后的剩余速度為276 m/s，抗侵徹性能最強(qiáng)；侵徹位置正對六棱柱陶瓷棒中心時(shí)，彈丸貫穿靶板后的剩余速度為372 m/s，其抗侵徹性能居上述兩者之間。

考慮面密度對復(fù)合靶板的影響，傳統(tǒng)層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板的面密度是60.66 kg/m2，金屬蜂窩陶瓷復(fù)合靶板的面密度是67.55 kg/m2，面密度增加了11.36%，但彈丸貫穿靶板后的速度降相比傳統(tǒng)層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板最低提升了24.42%，最高提升了55.23%，由此可見，金屬蜂窩骨架提高了復(fù)合靶板單位密度的抗侵徹性能。

3.3 斜侵徹條件下的剩余速度分析

以上分析了彈丸正侵徹條件下靶板的抗侵徹性能，而在實(shí)際情況下，彈丸并不是正侵徹，而是以一定的角度侵徹復(fù)合靶板，為了研究彈丸斜侵徹情況下靶板的抗侵徹性能，彈丸分別以60°、65°、70°、75°、80°和85°侵徹蜂窩骨架節(jié)點(diǎn)和陶瓷棒中心，分析彈丸的剩余速度隨角度的變化規(guī)律，并與層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板進(jìn)行對比分析。彈丸侵徹兩類靶板后的剩余速度隨侵徹角度的變化規(guī)律如圖7。

圖7 子彈的剩余速度隨侵徹角度的變化規(guī)律

結(jié)果表明：隨著侵徹角度的減少，彈丸的剩余速度越來越小，這是因?yàn)樾鼻謴叵拢瑥椡柝灤┌邪宓暮穸认鄬υ黾?，從而使得兩種復(fù)合靶板在承受斜侵徹時(shí)，抗侵徹性能更好；彈丸正侵徹層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板后的剩余速度是456 m/s，且隨著侵徹角度的減少，剩余速度也緩慢減少，在侵徹角度為60°時(shí)彈丸的剩余速度是352 m/s，整個(gè)過程剩余速度減少了104 m/s，而彈丸正侵徹金屬蜂窩陶瓷復(fù)合靶板后的剩余速度分別為372 m/s和276 m/s，但隨著侵徹角度的減少，彈丸的剩余速度下降較快，特別是侵徹角度由75°到60°，彈丸的剩余速度急劇下降，在侵徹角度為60°時(shí)彈丸的剩余速度下降到76 m/s和18 m/s，整個(gè)過程彈丸的剩余速度分別減少了296 m/s和258 m/s，其剩余速度變化大于層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板，且彈丸貫穿兩類靶板后的剩余速度差由180 m/s逐漸增加到334 m/s，說明金屬蜂窩陶瓷復(fù)合靶板的抗斜侵徹性能明顯優(yōu)于層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板。

4 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一種由金屬蜂窩骨架、陶瓷、環(huán)氧樹脂膠結(jié)劑及金屬板所組成的復(fù)合靶板，研究了該金屬陶瓷復(fù)合靶板在不同位置受彈丸不同角度侵徹時(shí)的動力學(xué)性能，并與層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板進(jìn)行了對比分析，主要得到以下結(jié)論：

1)金屬蜂窩骨架對陶瓷材料起到了支撐作用，限制了陶瓷在沖擊載荷作用下的碎裂和飛濺，顯著提高了復(fù)合靶板的抗侵徹性能。

2)正侵徹條件下，彈丸貫穿層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板所需時(shí)間最短為64 μs，剩余速度最大為456 m/s，速度降是344 m/s，抗侵徹性能最弱；侵徹位置正對蜂窩骨架節(jié)點(diǎn)時(shí)，貫穿靶板所需的時(shí)間最長為90 μs，剩余速度最小為276 m/s，速度降是524 m/s，抗侵徹性能最強(qiáng)；侵徹位置正對陶瓷棒中心時(shí)，貫穿靶板所需的時(shí)間、剩余速度、速度降及抗侵徹性能均介于上述兩者之間。

3)斜侵徹條件下，隨著侵徹角度的減小，彈丸貫穿層疊金屬陶瓷復(fù)合靶板后的剩余速度由456 m/s緩慢減少到352 m/s，而侵徹位置正對蜂窩骨架節(jié)點(diǎn)時(shí)，彈丸的剩余速度由276 m/s急劇減少到18 m/s，且整個(gè)過程兩者的剩余速度差由180 m/s逐漸增加到334 m/s，因此說明了金屬蜂窩陶瓷復(fù)合靶板在抗斜侵徹方面具有明顯的優(yōu)勢。研究結(jié)果對于金屬陶瓷復(fù)合裝甲的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和抗沖擊動力學(xué)研究有重要指導(dǎo)意義。