特種車輛輕武器毀傷效應試驗研究

王 璽，何 麗，杭立杰，廉 政，陳 苗

(北京航天發(fā)射技術研究所， 北京 100076)

特種車輛如重型卡車、特種機械車輛、轉載車等非直接戰(zhàn)斗車輛的防護需求日益增加，逐漸受到了越來越多的重視。特種車輛其主要功能是高機動和高載重，防護系統(tǒng)綜合成本不應過高，因此充分評估車輛典型結構現有抗硬毀傷能力是開展有限區(qū)域防護設計的重要技術基礎，考慮到車輛結構種類和形式復雜，利用侵徹試驗與數值仿真技術相結合的方法開展綜合評估和優(yōu)化研究是十分常用和有效的技術途徑[1-10]。李爽等[11]通過模擬破片侵徹試驗，對3種多層復合防護結構進行防護性能對比研究，并簡要分析不同結構的防護機理。榮吉利等[12]對復合材料易碎彈開展了實驗測試與仿真分析，驗證了易碎彈的破碎效果及毀傷性能隨著入射速度的增大提高明顯；相同速度下，子彈垂直入射靶板其破碎與毀傷效果均要優(yōu)于傾斜入射靶板。張明[13]采用ANSYS/LS-DYNA 程序，對穿甲彈以700 m/s速度正入射陶瓷復合裝甲進行三維模擬，即先選擇相關幾何模型、有限元計算模型及材料模型，通過模擬陶瓷錐的演化、分析彈芯和被甲材料變形破壞及背板破壞模式，得出彈芯、被甲和背板的變形破壞發(fā)展過程。

基于特種車輛常見結構和防護優(yōu)化結構進行毀傷效應分析，本文對7.62 mm口徑步槍不同初速和射角子彈侵徹不同鋼板、凱芙拉纖維板、碳纖維板及其組合方案進行了試驗研究，并采用高速攝像系統(tǒng)對侵徹過程進行了記錄分析，獲得了工程上有意義的試驗結果，驗證了基于結構本體的防護方案的有效性。

1 輕武器侵徹理論

輕武器槍彈對靶板的侵徹作用，是指彈頭穿透靶板的能力。彈頭侵徹作用時間很短，且碰撞時彈頭和靶板的變形、破壞過程都比較復雜，給研究侵徹機理帶來一定的困難。另一方面，侵徹作用受彈頭結構、命中速度和角度、靶板幾何參數和材料本構關系影響，因素復雜多變。因此，目前槍彈侵徹大多應用經驗公式進行概略計算，對于標準靶板研究較多，但為了實際產品的工程實用，還需要結合試驗對經驗公式進行修正，從而降低類似試驗成本。目前常見的侵徹理論公式主要是針對各類鋼板進行的總結，主要有德馬爾公式、烏波爾尼科夫公式、別列金公式等。

國內習慣對德馬爾公式進行修正，其公式為：

(1)

式中：vc為彈丸穿透靶板所需的最小著速(m/s)；K為穿甲系數，代表靶板材料的綜合系統(tǒng)，由試驗確定；d為槍彈直徑(dm)；b為靶板厚度(dm)；m為槍彈彈頭質量(kg)。德馬爾公式是目前廣泛使用的侵徹計算公式，可以看到，德馬爾公式使用簡便，但對于具體工程問題，仍需要依據試驗進行參數修正。

2 試驗設計

特種車輛輕武器抗侵徹試驗在南京理工大學彈道試驗室進行，試驗系統(tǒng)方案和布局如圖1所示。試驗采用56式試驗用槍加載，子彈為步槍彈(見圖2)，彈頭直徑7.62 mm，質量為7.91g。試驗采用專用夾具將試驗用槍安裝在射擊臺上，子彈入射速度設計成一定初速，平均值約為650 m/s。試驗測試裝置如圖3所示，靶板前后放置光幕靶分別用于測量彈丸初始速度和剩余速度，試驗臺末端設有回收箱，用于捕獲穿靶后的彈丸，彈丸正入射靶板槍口離靶板的距離應盡可能小，約為15 m。采用高速運動分析系統(tǒng)，記錄彈體的飛行姿態(tài)。

圖1 試驗方案示意圖

圖2 子彈示意圖

圖3 試驗測試裝置

為研究不同匹配模式下組合防護效能，對試驗樣本進行設計，試驗靶板長寬均為300 mm×300 mm，組合模式和厚度如表1所示。試驗用鋼板為HG785、凱芙拉纖維和碳纖維材料力學性能見表2～表4所示，其中HG785是特種車輛車體和主要承力結構常用材料。試驗靶板樣品實物如圖4所示，分別為鋼板、凱芙拉纖維板和碳纖維板。

表1 試驗樣本設計

表2 HG785鋼的力學性能參數

表3 凱芙拉復合板的主要力學性能參數

表4 碳纖維材料屬性性能參數

圖4 試驗靶板樣品

3 結構抗侵徹性能分析

結構侵徹破壞形式有多種方式，從穿甲力學的理論考慮，靶板受破壞的應力可能有延性擠壓、環(huán)形剪切、張應力等形式，當彈頭撞擊靶板時，這幾種應力都同時出現，但具體哪種應力先達到極限破壞值與彈丸和裝甲的特性有關。實際的裝甲損壞形式主要有延性擴孔、沖塞穿孔、花瓣形孔、整塊崩落、背后碎塊等形式。當彈頭較尖而靶板較厚金屬時，由于擠壓應力，主要以擠壓塑性流動為主；當靶板強度較高時，產生沖塞形式的穿孔破壞方式；當靶板較薄時，主要由于周向張應力出現花瓣形孔，孔徑約等于彈徑。

3.1 試驗結果

按照試驗設計，對不同結構進行了侵徹試驗，試驗結果如表5所示?？梢钥吹疆斾摪搴穸仍黾拥? mm時，子彈已無法貫穿鋼板，這說明特種車輛某些區(qū)域已基本具備抗7.62 mm子彈侵徹能力。

對于凱芙拉纖維板侵徹試驗，試驗結果均貫穿，且剩余速度較高，單純凱芙拉纖維抗侵徹能力一般。將3.5 mm厚度鋼板與凱芙拉纖維板進行復合后同時鋼板朝外，可以實現抗侵徹能力，說明在某些重要結構內部附加較輕的凱芙拉纖維，可以實現低增重條件下的復合抗侵徹。將3.5 mm厚度鋼板與碳纖維板復合后，鋼板朝外，子彈無法貫穿，說明采用不同結構復合狀態(tài)下，可實現結構本身具備抗侵徹能力。

表5 主要試驗結果

基于試驗數據采用德馬爾公式對HG785鋼板K值進行計算，得到K值在2 300～2 400之間，因此可認為HG785鋼板本身抗侵徹能力接近均質裝甲系數。

12.5 mm凱芙拉纖維板防護效果至少等效于4.5 mm鋼板，特種車輛使用后可相同抗侵徹性能增加質量下降一半；鋼板和碳纖維板復合后，抗侵徹能力大幅提升，說明充分利用車輛本身結構進行復合抗侵徹能力設計是可行的。

基于試驗數據通過等效系數計算確定了特種車輛金屬和非金屬抗侵徹能力換算系數，可快速實現特種車輛典型結構的評估和防護提供了重要的數據支撐。

3.2. 破壞情況

圖5～圖7給出了子彈沖擊典型鋼板和凱芙拉纖維板、碳纖維板的高速沖擊過程圖，圖8給出了典型試驗工況靶板毀傷效果。從圖5可以看到，子彈穿透鋼板時主要以沖塞穿孔為主，彈頭產生壓縮變形，帶動靶板穿孔部分分離，孔徑略大于彈徑。圖6可以看到凱芙拉纖維破壞過程中，主要是彈頭尖端脆性纖維材料斷裂，彈頭侵徹過程中造成孔周邊隆起，彈目分離后，纖維板恢復一定的彈性變形，遺留穿孔較小，約為彈徑1/3。圖7可以看到沖擊過程中碳纖維板基體產生大量碎片，纖維大量斷裂，孔周邊背板隆起，形成較大的穿孔，隆起程度和穿孔面積遠大于凱芙拉纖維，這說明雖然碳纖維板拉伸強度較高，但子彈侵徹過程中的破壞模式主要以基體和纖維的剪切破壞為主，造成其自身抗侵徹能力一般。

圖5 子彈貫穿5 mm鋼板過程

圖6 子彈貫穿凱芙拉纖維板過程

圖7 子彈貫穿碳纖維板過程

對于復合鋼板和纖維板的試驗情況，從試驗結果可以看到，當纖維板為入射面時，纖維板在先破壞過程主要以脆斷和彈性變形為主，其變形較少被鋼板限制，對子彈動能衰減作用較小，因此到達鋼板時的入射速度仍很大，從而造成鋼板繼續(xù)貫穿破壞。當鋼板作為入射面時，子彈侵徹鋼板過程中頭部鈍化、并部分改變了子彈運動姿態(tài)，使子彈以較大的接觸面達到復合材料板表面，讓纖維在侵徹過程中被拉斷，剪切效應降低，發(fā)揮纖維的最大效能，靶板防護性能可顯著提高。同時，鋼板在前時，鋼板被侵徹破壞后的沖塞破壞和分離沖塞部分動能會被纖維板限制，阻礙子彈運動，從而提高整體的抗侵徹性能。因此，組合防護方法可以用較少的成本和結構改變實現對靶板后設備的保護。

圖8 典型靶板毀傷效應

4 結論

1) 對于單純的凱芙拉纖維板及碳纖維板而言，子彈均易貫穿，其抗侵徹能力并不優(yōu)秀。碳纖維板在侵徹過程中呈現纖維破碎，形成高速碎屑，子彈射出面出現層間開裂現象，而凱芙拉纖維則呈現纖維拉斷，無碎屑形成；

2) 通過將凱芙拉纖維板(碳纖維板)與鋼板組成復合靶板并以鋼板作為入射面，通過侵徹鋼板首先將子彈頭部鈍化、改變子彈運動姿態(tài)，使子彈以較大的接觸面侵徹復合材料板，讓纖維在侵徹過程中被拉斷，而不是剪斷，發(fā)揮纖維的最大效能，靶板防護性能可顯著提高；

3) 特種車輛主要結構為特種鋼，可見通過增加鋼板厚度可顯著提高抗彈能力，但厚度的增加就意味著質量的增加，因此對于復雜特種車輛而言，通過在關鍵部位內嵌凱芙拉等復合材料，可以有效地降低防護成本，實現有限區(qū)域防護。