某型車載炮玻璃防沖擊波研究

惠東方，陳磊，王成云，段軍濤，徐東陽

某型車載炮玻璃防沖擊波研究

惠東方，陳磊，王成云，段軍濤，徐東陽

（東風越野車有限公司，湖北 武漢 430056）

為解決某型車載炮玻璃在炮口沖擊波下碎裂的問題，文章采用AUTODYN搭建防彈玻璃復合材料模型，分析沖擊波壓強對玻璃破碎的影響較小，沖擊波攜帶的藥渣顆粒對玻璃的反復沖擊才是影響玻璃碎裂的主要原因，并通過試驗與理論的結合，得出防彈玻璃表層硬度加強以及增加軟質玻璃膜對玻璃防炮口沖擊波的積極影響。

車載炮；沖擊波；玻璃

前言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭以局部戰(zhàn)爭為主，車載炮這種高機動、轉換快速的車炮一體化裝備就應運而生。隨著車載炮的發(fā)展，身管前伸式布置成為主流，而炮口沖擊波對車身各部件的沖擊影響巨大。

本文涉及的某型車載炮亦采用身管前身是布置方式，在直瞄射擊時，炮口制退器距離車門的垂直距離不到1.5 m，因此對玻璃的防炮口沖擊波設計十分必要。

1 防彈玻璃模型搭建

通防彈玻璃是由透明膠合材料將多片玻璃或高強度有機板材粘在一起制作而成，一般由承力層、過渡層和安全防護層組成[1]。本文分析的防彈玻璃結構如圖1，材料從上到下依次為高強度無機玻璃GLASS2、聚乙烯醇縮丁醛PVB、高強度無機玻璃GLASS1、聚氨酯PU、定向有機玻璃DYB、聚氨酯PU、聚碳酸酯PC。

圖1 防彈玻璃模型

ANSYS具有近乎完備的材料模型，如Johnson-Holmquist模型，該模型通過建立完整強度、斷裂強度、應變率及損傷關系的函數(shù)關系，采用光滑函數(shù)曲線來描述材料的強度。JH模型主要用于描述、陶瓷、混凝土、玻璃等脆性材料的動態(tài)本構模型[2]。因此本文基于ANSYS搭建防彈玻璃仿真模型。

2 最大壓強影響分析

根據(jù)內彈道計算得出火炮發(fā)射時炮口最大壓強，使用FLUENT軟件模擬炮口沖擊波的傳播，得出車身所受最大壓強以，以上分析為本文提供數(shù)據(jù)支持。

圖2、圖3展示了某型車載炮直瞄射擊時炮口相對車身的位置關系，其炮口制退器距離玻璃直線距離不足1.5 m。

圖2 炮口位置側視圖

圖3 炮口位置俯視圖

由于防彈玻璃受沖擊波沖擊時，玻璃向后彎曲，框架系統(tǒng)的軟質緩沖結構起到很大的能量吸收作用，本文簡單計算，忽略緩沖系統(tǒng)中橡膠等結構。將車身受到最大壓強加載在玻璃上，如圖4所示加載約束和壓強，不考慮邊界固定約束條件產(chǎn)生的應力集中，計算出沖擊波壓強產(chǎn)生的應力不足以對玻璃產(chǎn)生破壞。

圖4 壓強分析的約束與加載

通過射擊試驗的驗證，剛開始的幾發(fā)射擊并不會立即導致玻璃的破碎，只會在玻璃表面產(chǎn)生明顯凹坑。分析認為，在炮彈發(fā)射時，存在爆炸燒結過程，在極短時間內完成對藥渣的高溫高壓加載，將細小顆粒或粉末壓實，得到致密堅硬的塊狀藥渣[3]，其由炮口高速噴射沖擊玻璃，導致玻璃表層產(chǎn)生凹坑。繼續(xù)進行幾發(fā)射擊，最終玻璃表面直接破碎。

通常，軍用汽車配裝的防彈玻璃的原理是：外部是易碎的一層。里面是柔韌的一層，當子彈從外部射擊時，擊碎表層區(qū)域，吸收子彈動能，減緩子彈速度，這樣在子彈打到柔韌層時就會被擋住[4]。從其原理可知，防彈玻璃表層材料并不具備防碎裂能力。

圖5 壓強分析結果

圖6 玻璃破裂

3 基于SPH法的藥渣沖擊玻璃分析

SPH法是一種無網(wǎng)格法，基本思想是將連續(xù)的物質用相互作用的質點組來描述，各個物質點上承載各種物理量，包括質量、速度等，通過求解質點組的動力學方程和跟蹤每個質點的運動軌道，求得整個系統(tǒng)的力學行為。相比較有網(wǎng)格有限元計算，SPH法不會出現(xiàn)極大的變形導致的網(wǎng)格扭曲，避免造成精度破壞等問題，而且可以較為方便地處理不同介質的交界面，在求解高速碰撞等動態(tài)大變形問題或者脆性材料碎裂問題時，具有明顯優(yōu)勢[5]，因此本文對玻璃表面的藥渣沖擊分析采用SPH法進行計算。

3.1 防彈玻璃藥渣沖擊分析

以0.5 mm直徑球型QUARTZ材料代替藥渣，按照彈丸出膛速度施加初速度，以炮口和玻璃的角度為初速度方向。按圖7所示建立玻璃和藥渣的SPH模型。

圖8顯示藥渣沖擊過程中，藥渣的動能基本全部由防彈玻璃表層GLASS2吸收。同時，查看材料失效情況，看出藥渣打擊處，GLASS2出現(xiàn)凹坑，周圍出現(xiàn)裂紋。這也與上述試驗現(xiàn)象相吻合。

圖7 玻璃SPH模型

圖8 各材料能量變化情況

圖9 藥渣打擊玻璃表層破裂仿真結果

3.2 提升防彈玻璃表面硬度對抵抗藥渣沖擊能力的影響

一般提高材料硬度可以提升抵抗外部硬物壓入物體表面的能力，或者說，提升材料對局部塑性變形的抵抗能力。本文首先從提升材料本身硬度為切入點，分析防彈玻璃抵抗藥渣的沖擊能力。

本文假設硬度與材料的抗拉強度近似正比例關系，通過提升防彈玻璃表層GLASS2的抗拉強度模擬硬度提升。其他條件不變，計算分析結果如下。

圖10 GLASS2加強方案的分析結果

同樣，藥渣的動能主要由GLASS2吸收，從材料失效圖看出玻璃表面依然存在失效，GLASS2表面出現(xiàn)輕微的材料剝離現(xiàn)象。

使用表層硬度提升的防彈玻璃進行射擊試驗，效果提升明顯，前幾發(fā)射擊表層有輕微的凹痕，并未出現(xiàn)大的凹坑。但是持續(xù)射擊多發(fā)后，玻璃依然出現(xiàn)表面碎裂。分析其是由于多次射擊，沖擊波攜帶大量藥渣顆粒，反復沖擊玻璃，在玻璃表面形成微裂紋，發(fā)生裂紋擴展[6]，最終表現(xiàn)為玻璃表面碎裂。其原理類似“沖蝕”效應：防彈玻璃表面與流動的固相顆粒接觸做相對運動，表面出現(xiàn)損壞，發(fā)生材料損耗現(xiàn)象。

圖11 硬度加強試驗結果

3.3 增加玻璃膜對抵抗藥渣沖擊能力的影響

玻璃膜一般由安全層、耐磨層等多層膠合而成，材料模型復雜。本文以PC、PET兩層模擬。其他邊界條件不變，在上述表層硬度加強基礎上，增加0.4 mm玻璃膜。分析結果如下。

圖12 加裝玻璃膜沖擊效果

從分析結果可知，材料失效主要表現(xiàn)在玻璃膜外層（MO2），而防彈玻璃本體不存在材料失效。從材料能量變化可知，藥渣的動能主要由玻璃膜外層（MO2）吸收，玻璃膜內層MO1和防彈玻璃表層GLASS2吸收能量較少。

增加玻璃膜進行射擊試驗，效果提升明顯，在多組射擊后，防彈玻璃沒有出現(xiàn)碎裂現(xiàn)象。而玻璃膜表面也只出現(xiàn)很少部分的表層破損，玻璃膜底層依然完好。試驗結束，清理表面藥灰，評估對駕駛視野的影響很小，因此把玻璃膜作為易損件貼在受沖擊嚴重的玻璃上的方案可行。

4 結論

為了某型車載炮玻璃的防沖擊波射擊，解決射擊試驗出現(xiàn)的玻璃碎裂問題，從壓強對防彈玻璃的影響分析得出壓強不是玻璃碎裂的主要原因。

通過初次射擊試驗結果的分析和對原狀態(tài)防彈玻璃以及表層硬度加強防彈玻璃的藥渣沖擊分析，可知藥渣反復打擊玻璃形成凹坑和微裂紋的累積是導致玻璃碎裂的主要原因。通過對增加玻璃膜方案的分析和試驗驗證，可知玻璃膜可以很好地保護防彈玻璃本體免受藥渣沖擊。

[1] 陳宇宏,厲蕾.輕型防彈玻璃的結構研究[J].材料工程,2002 (6):7-9.

[2] 劉驥魯.多變量條件下典型結構侵切毀傷效應數(shù)值仿真[D].北京:北京理工大學,2016.

[3] 趙錚,李曉杰,閆鴻浩,等.爆炸壓實過程中顆粒碰撞問題的 SPH 法數(shù)值模擬[J].高壓物理學報,2007,21(4):373-378.

[4] 莫根林,吳志林,馮杰,等.步槍彈侵徹明膠的表面受力模型[J].兵工學報,2014,035(02):164-169.

[5] 張杰,趙錚,杜長星.沖擊載荷下顆粒碰撞的SPH法數(shù)值模擬[J].科學技術與工程,2010(32):7997-8000.

[6] 傅麗華.EB-PVD熱障涂層沖蝕過程及裂紋擴展的有限元模擬[D].湘潭:湘潭大學,2013.

Study on Shockwave Prevention of a Certain Type of Truck-mounted Gun Glass

HUI Dongfang, CHEN Lei, WANG Chengyun, DUAN Juntao, XU Dongyang

（Dongfeng Off-road Vehicle Co., Ltd., Hubei Wuhan 430056）

In order to solve the problem that a certain type of Truck-mounted glass was broken under the muzzle blast wave, Building bullet-proof glass composite model by using AUTODYN, analysis shows that the shock wave pressure have less effect on the glass broken, shock waves carrying liquid particles repeated shocks on the glass is the main factor affecting the glass shattered, and through the combination of experiment and theory, it was concluded that strengthening surface hardness of glass and increasing soft glass film have a positive impact on the glass against the muzzle blast wave.

Truck-mounted gun;Shock waves;Glass

U463.83+5

B

1671-7988(2021)23-47-04

U463.83+5

B

1671-7988(2021)23-47-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.013

惠東方，工程師，就職于東風越野車有限公司，研究方向：越野車性能開發(fā)。