小尺寸鎢塊對單兵防護(hù)裝備侵徹的彈道極限研究

張玉玉，王樹山，任 凱，劉 洋，李守蒼

(1.中國兵器工業(yè)第208研究所，北京 102200；2 北京理工大學(xué)，北京 100081;3.中北大學(xué)，太原 030051；4 北方信息控制研究院集團(tuán)有限公司，南京 210000)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，隨著材料技術(shù)的發(fā)展，士兵的防護(hù)裝備得到了極大的發(fā)展，尤其是凱夫拉材料在單兵防具領(lǐng)域得到大量應(yīng)用之后，反步兵裝備面臨著巨大的挑戰(zhàn)[1]。對此，國內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了大量研究，例如鄒渝等[2]采用美軍標(biāo)MiL-P- 46593A-2破片，研究了單兵防彈衣對穿甲破片的防護(hù)效應(yīng)；王軒等[3]采用數(shù)值模擬和彈道槍試驗(yàn)，研究了不同強(qiáng)度鋁合金靶板對立方體破片的防護(hù)性能；Jolly等[4]采用質(zhì)量為12.44 g的某制式槍彈，模擬了在不同彈速下不同復(fù)合防彈衣的防護(hù)效應(yīng)。以上研究均采用大尺寸破片或制式槍彈為研究對象，關(guān)于單兵防具對小尺寸鎢合金破片對防護(hù)能力，國內(nèi)外少有研究。

基于前期大量的7.62 mm制式槍彈對制式防彈衣以及不同厚度的Q235鋼板的彈道槍試驗(yàn)，得出了制式防彈衣的等效Q235厚度為3 mm。本文通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)的方法，研究了尺寸為3 mm的立方塊鎢合金破片在不同著靶姿態(tài)下，侵徹制式軍用防彈衣和3 mm Q235鋼板的彈道極限，為小口徑反單兵武器戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供依據(jù)。

1 計(jì)算模型及材料參數(shù)

采用TrueGrid軟件進(jìn)行有限元模型的構(gòu)建，所劃分的有限元單元均為8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid164，為了便于觀察破片的侵徹過程，有限元模型采用二分之一模型，其有限元模型如圖1所示。破片侵徹靶板是一種高速?zèng)_擊過程，對待這種問題在仿真計(jì)算時(shí)一般采用計(jì)算精度高、速度快的Lagrange算法[5]。鎢塊與靶板的接觸采用CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE，破片采用節(jié)點(diǎn)施加速度載荷方式來獲得破片的初始速度，在侵徹過程中，靶板的整體移動(dòng)將嚴(yán)重影響到破片的侵徹深度，在本文中通過在靶板四周邊界施加載荷的方式來防止靶板的整體移動(dòng)。

圖1 有限元模型

進(jìn)行侵徹的破片要求密度高，高速撞擊下不易破碎，鑒于國內(nèi)外常用的材料，現(xiàn)將破片的材料采用93 W，破片材料用隨動(dòng)硬化彈塑性響應(yīng)，材料類型為*MAT_PLAS -TIC_KINEMATIC，材料參數(shù)見表1所示。靶板材料采用Q235合金鋼，選用Johson-cook本構(gòu)模型，其狀態(tài)方程為Grun eisen形式[6-7]，材料參數(shù)見表2所示。

表1 鎢合金的材料參數(shù)

表2 Q235鋼的材料參數(shù)

2 數(shù)值模擬

彈道極限的計(jì)算參照彈道槍槍擊試驗(yàn)方法進(jìn)行，當(dāng)穿透和未穿透的速度差≤5 m/s時(shí)停止計(jì)算，經(jīng)過反復(fù)“折半”數(shù)值模擬后，得出了尺寸為3 mm的鎢塊侵徹3 mm Q235鋼板的v50值。

當(dāng)鎢塊正面垂直著靶時(shí)仿真結(jié)果速度云圖如圖2所示，當(dāng)v=518 m/s時(shí)，靶板形成沖塞，并且鎢塊速度降為2 m/s；當(dāng)v=514 m/s時(shí)，鎢塊完全嵌入靶板，靶板背面形成鼓包但未形成沖塞，并且速度降為0。根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算可得，尺寸為3 mm的鎢塊侵徹3 mm Q235鋼板彈道極限v50=516 m/s。

圖2 侵徹仿真結(jié)果速度云圖

由于彈道槍試驗(yàn)過程中無法控制鎢塊侵徹鋼靶時(shí)的著靶姿態(tài)，因此通過數(shù)值模擬的方法研究尺寸為3 mm的鎢塊在不同著靶姿態(tài)的情況下對3 mm Q235鋼靶的彈道極限。

選取鎢塊傾斜角為30°、45°、60°進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖3所示，根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算得出尺寸為3 mm的鎢塊侵徹3 mm Q235鋼板當(dāng)鎢塊傾斜角為30°時(shí)道極限為509 m/s；當(dāng)鎢塊傾斜角為45°時(shí)彈道極限為497 m/s，當(dāng)鎢塊傾斜角為60°時(shí)彈道極限為507 m/s。

圖3 鎢塊不同著靶姿態(tài)侵徹Q235鋼靶數(shù)值模擬結(jié)果

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)采用口徑為12.7 mm的滑膛彈道槍，發(fā)射尺寸為3 mm的93 W立方塊破片，分別對3 mm Q235鋼板和制式軍用防彈衣進(jìn)行槍擊試驗(yàn)。試驗(yàn)場地及裝置布置如圖4所示,圖4(a)為試驗(yàn)所用的12.7 mm滑膛彈道槍，圖4(b)為NLG202-Z型六通道測速儀，測試精度為0.1 μs，圖4(c)為制式軍用防彈衣的等效靶板3 mm Q235鋼板的試驗(yàn)布置圖，圖4(d)為制式軍用防彈衣的布置圖，防彈衣材料為凱夫拉。

圖4 試驗(yàn)裝置及布置

1)3 mm鎢塊侵徹3 mm Q235鋼板試驗(yàn)結(jié)果

尺寸為3 mm鎢塊對3 mm Q235鋼板侵徹試驗(yàn)一共進(jìn)行10發(fā)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

圖5 侵徹3 mm Q235鋼板試驗(yàn)結(jié)果

表3 侵徹3 mm Q235鋼板試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)鎢塊速度小于481 m/s時(shí)，鎢塊嵌入靶板，靶板背面均為鼓包；當(dāng)鎢塊速度大于499 m/s時(shí)，鎢塊均穿透靶板。由此可見，尺寸為3 mm的鎢塊對3 mm Q235鋼板的彈道極限介于481 m/s到499 m/s之間，通過計(jì)算鎢塊對3 mm鋼靶的最小穿透速度和最大嵌入速度的平均值[8-10]，我們可以得出尺寸為3 mm的鎢塊對3 mm Q235鋼板的彈道極限v50=490 m/s，與仿真計(jì)算結(jié)果相差不大。

2)3 mm鎢塊侵徹軍用防彈衣試驗(yàn)結(jié)果

尺寸為3 mm鎢塊對軍用防彈衣侵徹試驗(yàn)一共進(jìn)行6發(fā)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。通過試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)鎢塊速度小于492 m/s時(shí)，鎢塊嵌入防彈衣，并且防彈衣背面無明顯凸起；當(dāng)鎢塊速度大于506 m/s時(shí)，鎢塊均穿透防彈衣。由此可見，尺寸為3 mm的鎢塊對軍用防彈衣的彈道極限介于492 m/s到506 m/s之間，取其平均值，可以得出彈道極限為499 m/s。

圖6 侵徹制式防彈衣試驗(yàn)結(jié)果

表4 侵徹防彈衣試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1)當(dāng)尺寸為3 mm的鎢塊正面垂直著靶、鎢塊傾斜角為30°、45°、60°時(shí)對3 mm Q235鋼靶的彈道極限分別為516 m/s、509 m/s、v50=497 m/s、507 m/s。

2)尺寸為3 mm的鎢塊對3 mm Q235的彈道極限v50=490 m/s，對制式軍用防彈衣的彈道極限v50=499 m/s。