玻璃纖維復(fù)合裝甲抗侵徹性能數(shù)值模擬

朱新成,狄長(zhǎng)安,林朝東

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

裝甲輕量化是坦克裝甲車輛現(xiàn)代化發(fā)展的基本要求,其中輕型復(fù)合裝甲的研究備受關(guān)注[1]。高性能玻璃纖維復(fù)合材料作為較廉價(jià)的抗彈裝甲材料,其抗彈能力可達(dá)到鋼的3倍以上[2]。目前,杜忠華等[3]利用能量守恒原理建立了玻璃纖維層合板的工程分析模型,給出彈道性能v50的預(yù)測(cè)公式。徐豫新等[4]進(jìn)行破片對(duì)三明治板高速穿甲數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)了玻璃纖維材料具有良好的能量吸收特性。段建軍等[5]介紹了玻璃纖維復(fù)合材料在裝甲上的應(yīng)用,給出了該材料的防彈機(jī)理。此外,由于纖維復(fù)合材料具有的各向異性力學(xué)特性,國(guó)外基于這種材料的有限元數(shù)值仿真還不夠全面。

以上研究尚未涉及到玻璃纖維復(fù)合材料的抗彈規(guī)律。國(guó)外某主戰(zhàn)坦克的相關(guān)資料研究發(fā)現(xiàn),某主戰(zhàn)坦克的首上裝甲使用的是玻璃纖維復(fù)合裝甲,這種復(fù)合裝甲輕質(zhì)高效,并且具有優(yōu)越的抗彈性能[6],該復(fù)合裝甲的裝甲鋼厚度約50 mm,玻璃纖維層厚度約為25～50 mm,依照該裝甲的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材料的抗彈特性,本文采用LS-DYNA數(shù)值仿真的方法,研究其抗彈特性,由于只分析其抗彈規(guī)律,所用結(jié)構(gòu)尺寸縮小到原來的1/3?？s小后603裝甲鋼厚度為15 mm,纖維層厚度根據(jù)工況不同分別為8～16 mm。

1 彈靶模型的建立

1.1 有限元模型

玻璃纖維復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)由5層靶板組成,如圖1所示。每層結(jié)構(gòu)的尺寸如下:第1層、第3層、第5層的裝甲鋼尺寸為300 mm×156 mm;第2層、第4層玻璃纖維層合板尺寸為300 mm×156 mm,玻璃纖維層厚度根據(jù)工況不同分別為8 mm,10 mm,12 mm,14 mm,16 mm。靶板各層結(jié)構(gòu)、材料和厚度如表1所示。

圖1 玻璃纖維復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)示意圖

表1 靶板材料和厚度

本文的彈體采用球頭長(zhǎng)桿式穿甲彈[7],其長(zhǎng)度為67.05 mm,直徑為6.3 mm,長(zhǎng)徑比為10.6。穿甲彈材料為鎢合金,密度為17.6 g/cm3,頭部呈半球形,質(zhì)量為36.2 g,結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 球頭長(zhǎng)桿式穿甲彈結(jié)構(gòu)尺寸

使用LS-DYNA軟件進(jìn)行有限元仿真,仿真穿甲彈侵徹玻璃纖維復(fù)合裝甲的過程。首先利用三維建模軟件UG建立幾何模型,再運(yùn)用前處理軟件Hypermesh劃分模型網(wǎng)格。穿甲彈和玻璃纖維復(fù)合裝甲部分是三維拉格朗日網(wǎng)格建模,網(wǎng)格單元之間采用拉格朗日算法來分析侵徹玻璃纖維復(fù)合裝甲的作用過程。為了節(jié)省網(wǎng)格計(jì)算時(shí)間,采用四分之一模型進(jìn)行建模,穿甲彈自身的內(nèi)部單元自接觸,靶板與靶板之間自接觸均是AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE,彈與靶是ERODING_SFC_TO_SFC侵蝕接觸。在模型對(duì)稱面定義對(duì)稱設(shè)置,在其邊界位置添加固定,為了獲得較好的仿真結(jié)果和縮短計(jì)算時(shí)間,僅在穿甲彈與靶板接觸部分的網(wǎng)格劃分較密,整個(gè)模型網(wǎng)格的效果如圖3所示。

圖3 玻璃纖維復(fù)合裝甲有限元模型

1.2 材料模型

彈體采用鎢合金材料,復(fù)合靶的1層、3層、5層材料是603裝甲鋼,材料模型都是使用Johnson-Cook強(qiáng)度模型和Gruneisen狀態(tài)方程[8]。玻璃纖維層合板是塑性應(yīng)變破壞準(zhǔn)則[9-10],表2、表3分別給出了鎢合金、603裝甲鋼和玻璃纖維的相關(guān)材料參數(shù)。表中,ρ為密度,G為剪切模量,A為無損標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度參數(shù),B為斷裂標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度參數(shù),m為斷裂強(qiáng)度指數(shù),n為無損強(qiáng)度指數(shù)[11],PC為斷裂參數(shù),ε為發(fā)生侵蝕時(shí)的有效塑性應(yīng)變,C為應(yīng)變速率參數(shù),TR為室溫,TM為熔化溫度。

表2 鎢合金和603裝甲鋼的材料參數(shù)

表3 玻璃纖維復(fù)合材料性能參數(shù)

2 彈靶侵徹?cái)?shù)值模擬

2.1 侵徹不同玻璃纖維層厚度的復(fù)合裝甲過程

采用已經(jīng)建立的有限元模型,為了研究不同玻璃纖維層厚度對(duì)穿甲彈侵徹能力的影響,對(duì)不同復(fù)合裝甲夾層玻璃纖維層厚度進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)穿甲彈侵徹裝甲過程、能量變化和穿出復(fù)合裝甲后的剩余侵徹能力進(jìn)行研究。

為了研究玻璃纖維夾層厚度對(duì)穿甲彈的干擾作用,在穿甲彈以1 300 m/s的初速垂直入射時(shí),選取纖維夾層厚度δ=8 mm,10 mm,12 mm,14 mm,16 mm的復(fù)合裝甲進(jìn)行仿真計(jì)算,夾層厚度δ=16 mm時(shí)的仿真過程如圖4所示。

圖4 穿甲彈與夾層厚16 mm的玻璃纖維復(fù)合裝甲作用過程

表4給出了不同玻璃纖維層厚度對(duì)彈丸動(dòng)能的影響數(shù)據(jù)。

表4 不同玻璃纖維層厚度對(duì)彈丸動(dòng)能的影響

由表4可知,隨著玻璃纖維夾層厚度的增加,彈丸擊穿時(shí)間變長(zhǎng),彈丸剩余能量呈明顯下降趨勢(shì)。侵徹能量在玻璃纖維夾層厚度為16 mm時(shí)損失的最多,損失能量為穿甲彈總能量的97.81%;在玻璃纖維夾層厚度為12 mm時(shí)能量損失最少,損失能量為穿甲彈總能量的96.43%。這可能是因?yàn)椴ＡЮw維夾層厚度的增加使得應(yīng)力波穿過夾層后的強(qiáng)度降低[12],導(dǎo)致上、下裝甲鋼變形量減少,從而對(duì)彈丸削弱作用降低。

從圖5中的不同曲線可以看出,玻璃纖維層對(duì)穿甲彈的干擾作用較為明顯,比較彈丸的剩余動(dòng)能,夾層厚度δ=16 mm時(shí)剩余最少,所以玻璃纖維夾層厚度δ=16 mm為最佳厚度。

圖5 不同夾層厚度彈丸能量隨時(shí)間變化曲線

2.2 彈丸與靶板相互作用過程分析

如圖6所示,穿甲彈侵徹玻璃纖維復(fù)合裝甲過程如下:

圖6 彈丸侵徹夾層厚度為16 mm的復(fù)合裝甲速度云圖

①穿甲彈侵徹面板裝甲鋼(4～32 μs)。彈丸以1 300 m/s的速度開始侵徹復(fù)合裝甲,其能量逐漸降低。在侵徹第1層裝甲鋼板時(shí),裝甲鋼上下表面出現(xiàn)類似唇形的破壞形態(tài),侵徹后的孔徑約為10.3 mm,在彈丸侵徹硬度較高的603裝甲鋼時(shí),裝甲鋼會(huì)出現(xiàn)韌性破壞現(xiàn)象。

②侵徹第2層玻璃纖維(32～46 μs)。彈丸沿穿孔繼續(xù)侵徹,穿孔孔徑為14.2 mm,遠(yuǎn)大于裝甲鋼上的孔徑。這是由于玻璃纖維材料的延伸率較低,從而發(fā)生了大量的斷裂,同時(shí)玻璃纖維層也在孔洞處受到第1層鋼板變形的擠壓破壞,導(dǎo)致纖維層開孔直徑變大。

③侵徹第3層裝甲鋼、第4層玻璃纖維和第5層裝甲鋼(46～134 μs)。裝甲鋼板與玻璃纖維層在此階段受到的損傷與第一、第二階段類似。由于彈丸經(jīng)過前兩層靶板的消耗,其質(zhì)量減少,速度降低,侵徹能力明顯降低,裝甲鋼和玻璃纖維上的開孔直徑變?yōu)?.7 mm,9.2 mm和10.4 mm。

表5給出了彈丸侵徹玻璃纖維復(fù)合裝甲的頭部速度和能量變化。

表5 彈丸侵徹玻璃纖維復(fù)合裝甲頭部速度及能量變化

由表5可知,穿甲彈侵徹玻璃纖維復(fù)合裝甲各層后損失的能量與速度不同,即復(fù)合裝甲各層材料對(duì)彈丸侵徹能力的削弱能力不同。在侵徹的過程中,彈丸損失的能量逐漸減弱。由于彈丸在初始過程時(shí)撞擊靶板,使靶板產(chǎn)生徑向速度,所以在侵徹第1層靶板時(shí)消耗的能量較多。在彈丸繼續(xù)侵徹時(shí),其侵徹的是經(jīng)過彈丸沖擊壓縮后的靶板,所以碰撞點(diǎn)的壓力會(huì)小一點(diǎn),靶體消耗的能量也會(huì)低一些?？偟膩砜?603裝甲鋼對(duì)彈丸的削弱作用要略強(qiáng)于玻璃纖維層,但玻璃纖維層密度小,質(zhì)量遠(yuǎn)低于裝甲鋼,這種材料不僅有效降低了復(fù)合裝甲的質(zhì)量,其也有不錯(cuò)的防護(hù)性能。

2.3 仿真模型驗(yàn)證

考慮到侵徹類實(shí)驗(yàn)既耗時(shí)又費(fèi)人力物力等問題,可以假設(shè)一些物理?xiàng)l件,重點(diǎn)關(guān)心主要影響因素,建立簡(jiǎn)化模型,再進(jìn)行理論分析,這也可以預(yù)測(cè)實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果。以彈丸侵徹玻璃纖維復(fù)合靶板仿真實(shí)驗(yàn)為例,結(jié)果表明:靶板產(chǎn)生的碎片會(huì)對(duì)穿甲彈的侵徹有阻礙作用,后層靶板與前層靶板之間也存在一定支撐力。假設(shè)彈丸在侵徹過程中質(zhì)量一定,參照材料本構(gòu)模型、能量和質(zhì)量守恒原則等[13],可以得到彈丸初速與余速之間的函數(shù)關(guān)系[14-15]:

(1)

式中:vr為彈丸擊穿玻璃纖維復(fù)合靶板后的剩余速度;v0為穿甲彈初速;mp為穿甲彈質(zhì)量;ρc,rc,hc分別為鋼板的密度、開孔半徑和厚度;ρs,rs,hs分別為玻璃纖維板的密度、開孔半徑和厚度;rp為彈丸半徑。當(dāng)夾層厚度不同時(shí),彈丸以1 300 m/s的初速侵徹復(fù)合靶板,剩余速度結(jié)果如表6和圖7所示。

表6 彈丸剩余速度對(duì)比

圖7 彈丸剩余速度對(duì)比

對(duì)比圖7中的結(jié)果,可以看出:仿真與理論結(jié)果大致相符,從某種程度而言,此結(jié)果驗(yàn)證了本文模型的準(zhǔn)確性。

2.4 不同著角下彈體侵徹速度、深度變化的數(shù)值模擬分析

在相同初速的條件下,通常用穿甲彈的剩余速度來評(píng)估靶板的防護(hù)性能。彈體初速為1 300 m/s,玻璃纖維層厚度為8 mm,表7給出了彈體在不同著角下侵徹玻璃纖維復(fù)合裝甲的最大侵徹深度和剩余速度。

表7 不同著角彈體侵徹復(fù)合靶板的剩余速度、侵徹深度

從表7中可以看出:在相同的初速條件下,對(duì)靶板的侵徹深度隨著彈體著角的增大而減小。當(dāng)垂直入射時(shí),復(fù)合靶板最容易被擊穿,速度損耗也最小;著角為30°時(shí),彈丸侵徹到第5層靶板,彈體也發(fā)生輕微轉(zhuǎn)動(dòng),只有很小的剩余速度,著角為50°時(shí),彈丸侵徹到第3層裝甲鋼,且無法擊穿,在靶板上留下較深的開坑,并發(fā)生彈體跳飛現(xiàn)象,彈體跳飛時(shí)仍有一定侵徹剩余速度。

利用最小二乘法將不同著角γ下侵徹深度變化情況進(jìn)行曲線擬合,曲線如圖8所示,求得:

圖8 彈體不同著角下侵徹復(fù)合靶板的侵徹深度變化曲線

y=-0.009 9γ2+0.033 2γ+61.6

(2)

從擬合曲線可以看出:隨著著角的增大,侵徹深度呈下降趨勢(shì),γ>40°時(shí),侵徹深度下降較為明顯;γ=65°時(shí),侵徹深度最小,與彈著角為40°時(shí)相比侵徹深度下降了23.9 mm。

圖9為彈體著角分別為20°,40°,65°時(shí),彈體侵徹復(fù)合靶板的速度云圖。由圖可以看出:在彈體著角為20°時(shí),彈體幾乎可以穿透復(fù)合靶板,只有很小的侵徹剩余速度;彈體著角為40°時(shí),彈體無法擊穿結(jié)構(gòu)中的第5層裝甲鋼,在靶板上留下較淺的開坑,并且彈頭發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn),彈體僅剩一點(diǎn)剩余侵徹能力;彈體著角為65°時(shí),彈體無法擊穿結(jié)構(gòu)中的第3層裝甲鋼,在靶板上留下淺淺的開坑,并發(fā)生彈體跳飛現(xiàn)象,彈體跳飛時(shí)仍有一定剩余侵徹能力。

圖9 彈體不同著角毀傷復(fù)合靶板速度云圖

綜上可以看出:穿甲彈在侵徹玻璃纖維復(fù)合裝甲時(shí),若γ>20°,會(huì)出現(xiàn)無法擊穿復(fù)合靶板的現(xiàn)象;穿甲彈在侵徹玻璃纖維復(fù)合裝甲時(shí),若γ>50°,會(huì)出現(xiàn)彈體跳飛的現(xiàn)象,彈體跳飛時(shí)雖然仍具有一定侵徹能力,但已無法穿透復(fù)合靶板。

3 玻璃纖維復(fù)合裝甲抗彈能力的計(jì)算

針對(duì)復(fù)合裝甲抗侵徹能力的計(jì)算,目前從事裝甲防護(hù)的科研人員大多使用水平等效密度的方法,多組分復(fù)合裝甲混合律的通式為[16]

Ri=∑NiLi

(3)

式中:Ri為第i種材料的復(fù)合裝甲抗彈能力,Li為第i種材料的復(fù)合裝甲水平等效厚度,Ni為第i種材料的防護(hù)系數(shù)。

首先查得已知的裝甲結(jié)構(gòu)材料密度,再計(jì)算每一層的水平等效厚度Li。各材料層的水平等效厚度計(jì)算通式為[17]

(4)

式中:ρi為第i層材料的密度或結(jié)構(gòu)單元層的平均密度;δi為第i層材料或結(jié)構(gòu)單元的垂直厚度;αt為裝甲的傾角。

依據(jù)各種裝甲材料抗彈防護(hù)系數(shù)Ni,分別計(jì)算每一層材料的抗彈能力Ri,將各層抗彈能力進(jìn)行累加,最終得出玻璃纖維復(fù)合裝甲的抗彈能力,如表8所示。

表8 玻璃纖維復(fù)合裝甲抗彈能力計(jì)算

按裝甲車首裝甲傾角68°計(jì)算各層抗彈能力,進(jìn)行累加得出該復(fù)合裝甲的抗穿甲彈能力,結(jié)果表明本文的玻璃纖維復(fù)合裝甲抗穿甲彈能力相當(dāng)于150 mm的標(biāo)準(zhǔn)均質(zhì)裝甲鋼,由此可見該復(fù)合靶有良好的抗彈性能。

4 結(jié)論

①對(duì)復(fù)合裝甲夾層玻璃纖維層的抗彈性能進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果表明:隨著玻璃纖維夾層厚度的增加,彈丸擊穿時(shí)間變長(zhǎng),剩余速度呈明顯下降趨勢(shì),玻璃纖維夾層厚度為16 mm時(shí)防護(hù)性能最好;比較每層靶板的彈丸能量削弱能力,發(fā)現(xiàn)603裝甲鋼大約是玻璃纖維層的3～4倍,但玻璃纖維層密度遠(yuǎn)低于裝甲鋼,因此,這種玻璃纖維材料不但有效地降低了復(fù)合裝甲的質(zhì)量,同時(shí)也具有不錯(cuò)的防護(hù)性能。

②對(duì)穿甲彈在不同著角下侵徹玻璃纖維復(fù)合靶的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn),彈體著角越大,所侵徹的靶板層數(shù)的數(shù)量越少,即侵徹深度降低。彈體著角超過20°時(shí),裝甲結(jié)構(gòu)不會(huì)被擊穿;彈體著角超過50°時(shí),會(huì)出現(xiàn)明顯彈體跳飛現(xiàn)象。從最小二乘法擬合的函數(shù)來看,著角大于40°時(shí),侵徹深度降低較明顯,說明該條件下裝甲的抗彈性能更好。

③對(duì)于玻璃纖維復(fù)合裝甲的抗彈性能,根據(jù)多組分復(fù)合裝甲混合律計(jì)算出了其在穿甲彈作用下的抗彈能力,抗彈性能相當(dāng)于150 mm均質(zhì)裝甲鋼,表明該復(fù)合靶有良好的抗彈性能,這主要是由于玻璃纖維材料密度低。因此,該復(fù)合材料用于裝甲防護(hù)材料,能一定程度上降低復(fù)合裝甲質(zhì)量,在一定質(zhì)量的環(huán)境下,玻璃纖維復(fù)合裝甲能給出更好的抗彈性能。