等面密度鋼/鋁組合靶的抗侵徹性能研究

張 陳，張小萍，劉蘇蘇，瞿 暢，張福豹，仲健林，曹巖楓

等面密度鋼/鋁組合靶的抗侵徹性能研究

張 陳1，張小萍1，劉蘇蘇1，瞿 暢1，張福豹1，仲健林2，曹巖楓2

(1. 南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019；2. 南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210019)

金屬靶板的抗侵徹性能一直以來都是被重點關注的研究領域。為明確結構參數對鋼/鋁組合結構抗步槍彈垂直侵徹性能的影響，建立了步槍彈侵徹鋼板和鋁板的數值計算模型，并通過彈道沖擊實驗進行了驗證；進而基于數值計算模型分析了相同厚度下鋼-鋁、鋁-鋼的組合形式、靶板間距對組合靶板抗侵徹性能的影響。仿真結果表明：相同厚度下，鋼板在前的組合形式優(yōu)于鋁板在前的靶板，但不同組合形式的層板間距對其抗侵徹性能影響較?。涣硗?，比較了不同初速度下鋼-鋁厚度比的變化對組合靶板的抗侵徹性能影響，均呈現出隨厚度比增加，抗侵徹性能先降低后增加的趨勢，最終趨于一個穩(wěn)定值。變化過程中存在一個抗侵徹性能最差的低點，在結構設計中應盡可能避開。最后，依據R-I公式擬合了仿真數據，得到了步槍彈侵徹鋼-鋁組合結構的彈道極限公式。研究結果可為組合靶板的抗侵徹性能設計和人員、物資防護提供參考。

鋼/鋁組合結構；步槍彈；面密度；厚度比；抗侵徹性能

近年來，多層防護結構在軍事和民用領域的應用越來越普遍，如營地貨物、裝甲車輛的車身和防彈車的外部結構。多層目標靶板防護逐漸成為研究的重點，其防護類型主要分為3部分：金屬材料組合防護、非金屬材料防護[1-2]及復合材料防護[3-5]，雖然對非金屬材料和復合材料的相關研究日益增多，但由于非金屬材料易粉碎、回收率低，復合材料成本高、不適用于較大范圍防護，使其推廣應用受到了一定限制。而金屬材料則具有重復利用性好、強度高等優(yōu)勢，且不同金屬靶板組合結構的使用可以實現不同材料間的優(yōu)勢互補。鋼、鋁作為應用最廣泛的金屬材料，其組合結構以其質量輕、強度大、造價低、抗火功能好等優(yōu)點應用于車輛裝甲外殼、船舶裝甲板、建筑工程以及航天器等領域，所以對鋼鋁組合結構相關參數的研究具有重要意義[6-7]。

當前，對于金屬靶板的抗侵徹機理研究中，國內外學者多通過實驗與數值仿真結合，來描述侵徹的動態(tài)過程[8-12]，在獲得了較為豐富的試驗數據后，結合現有理論或經驗公式推導出模型的相關彈道公式[13-16]。在彈體侵徹多層靶板的彈道特性研究中，李金福等[17]發(fā)現分層靶的抗侵徹性能與分層結構、破片形狀以及侵徹速度有關，當靶板層數大于2時，抗侵徹性能隨著層數的增加而減小。袁家俊[18]研究了卵形頭彈侵徹雙層鋁合金靶板，得到組合靶板的間隙對垂直侵徹彈頭的抗侵徹性能影響較小，但前后板對子彈的能量耗散與彈速有關。BABAEI等[19]對鋼和鋁2種不同材料雙層靶的抗侵徹性能研究表明，對于相同材料與厚度的雙層靶，前板的變形要小于后者，且當鋼板作為前板時，雙層靶板的吸能效果更好。WANG等[20]進一步研究了不同層數、不同總厚度下鋼/鋁接觸式靶板在球形彈丸撞擊下的抗侵徹性能，發(fā)現在面密度相同的情況下，2層板的彈道性能要優(yōu)于單層板。綜上所述，當前已經越來越重視組合靶板結構參數對其抗侵徹性能的影響，并從靶板層數、彈頭形狀等方面進行了研究，但目前，對于面密度相同情況下的組合結構的抗侵徹性能研究較少，其對于防護靶板的輕量化結構設計具有重要指導意義。

為了明確等面密度下結構參數對鋼/鋁雙層組合靶板抗侵徹性能的影響，本文進行了步槍彈垂直侵徹鋼、鋁單層靶板的試驗和數值模擬研究，分析了侵徹過程中彈體速度和靶板形貌變化規(guī)律。在此基礎上，建立了彈體侵徹鋼/鋁組合靶板的數值計算模型，系統分析了組合結構形式、靶板間距以及不同厚度比對組合靶板抗侵徹性能的定量影響關系，研究結果為實際工程應用及軍事防護面板輕量化設計提供有效的理論支撐。

1 試驗驗證

1.1 建立試驗平臺

試驗彈體采用某步槍彈，質量為4.6 g。射擊時利用專用夾具將試驗用槍安裝在射擊臺上。試驗靶板的材料為5A06鋁合金/45鋼，截面尺寸為150 mm×150 mm，厚度分別為1.5 mm，4.5 mm。通過螺栓，開孔壓板固定在靶板夾持裝置上，如圖1所示。

圖1 靶板安裝

靶板的侵徹試驗在實驗室內進行，試驗槍固定在射擊臺上，靶板前后分別設置測速裝置，以獲取子彈的初始速度與剩余速度，靶板一側設置有高速攝影系統，用于抓取子彈貫穿靶板時的動態(tài)過程。彈丸正入射靶板槍口距靶板為15 m，保證人員射擊安全。試驗布局如圖2所示。試驗中，子彈撞擊靶板的速度為(930±8) m/s，因而在數值模擬計算中設子彈入射速度為930 m/s。子彈垂直撞擊靶板，接通測速系統，進行射擊試驗；射擊結束后，觀察靶板破壞情況并拍照，同時記錄子彈剩余速度。最后更換另外一種厚度的靶板，進行重復操作。

圖2 試驗布局

1.2 有限元模型建立

建立模型中，子彈由鋼芯、鉛套及覆銅被甲組成(圖3)，彈體與靶板均采用*MAT_PLASTIC_ KINEMATIC本構模型。材料破壞準則為最大塑性應變失效，其由失效應變控制，主要材料參數見表1和表2。

圖3 子彈與靶板有限元模型((a)子彈模型；(b)靶板模型)

表1 子彈主要參數[21-22]

表2 靶板主要參數[23-24]

該模型適用于各項同性硬化與隨動硬化塑性的材料響應。模型的本構關系為

其中，E為切線模量；為彈性模量。

在侵徹的過程中，撞擊部位為靶板中心區(qū)域，故受影響的區(qū)域只存在撞擊位置較近范圍內，其他部分不受影響或僅受較小影響，可忽略不計。彈體模型各部分之間均采用自動單面接觸(AUTO- MATIC_SINGLE_SURFACE)算法，彈體與靶板模型之間采用面面侵蝕接觸(ERODING_SURFACE _TO_SURFACE)算法，忽略摩擦的作用。由于撞擊時間較短，將此過程視為絕熱過程。

1.3 有限元模型驗證

由圖4可以看出，靶板均被穿透，發(fā)生穿透部分均表現為剪切沖塞破壞，彈孔出現徑向與周向擴展的裂紋，形成了張開的花瓣狀薄板，花瓣狀彈孔部分區(qū)域出現圓形變形帶，其原因為彈體和靶板在撞擊過程中產生摩擦使局部升溫，產生的熱量導致變形區(qū)域出現熱軟化現象[25]。表3中分別給出了厚度為1.5 mm與4.5 mm的鋼板和鋁板的實驗與仿真結果對比，從表中可以看出在平均入射速度930 m/s下，實驗值與仿真值相對誤差最小為0.95%，最大值為3.25%，相對誤差在5%合理范圍內，綜上所述，試驗與模擬結果基本一致，且實驗與仿真數據均在合理的誤差范圍內，進一步驗證了模型和材料參數的有效性。

圖4 靶板破壞形貌的仿真(左)與試驗(右)對比圖((a) 1.5 mm鋼；(b) 1.5 mm鋁；(c) 4.5 mm鋼；(d) 4.5 mm鋁)

表3 彈體剩余速度試驗與仿真結果對比

2 不同結構參數對組合結構的抗侵徹性能影響

2.1 靶板間距對組合結構抗侵徹性能的影響

本文探究了不同組合形式下，靶板間隔距離對鋼/鋁間隔板的抗侵徹性能影響。利用LS-DYNA建立了前、后板等厚度4.5 mm的模型(圖5)，其組合形式分別為鋼-鋁(G-Lv)與鋁-鋼(Lv-G)(其中當靶板間距為0時，靶板間采用面面侵徹接觸，但未考慮間隔板之間的接觸關系)，仿真了靶板模型在不同間距下的沖擊過程。依據仿真結果，表4給出了彈體出靶后的剩余速度，圖6為彈體撞擊鋼/鋁不同組合靶板的速度-位移關系。從彈體撞擊不同組合結構的速度變化曲線中可以看出，在相同初速度的沖擊下，2種組合方式均表現為隨著靶板間距的增加，靶板速度逐漸降低。從圖6可以看出：鋼-鋁靶板對子彈速度衰減程度要好于鋁-鋼靶板，隨著間距的增加，速度曲線會出現分段現象。由于鋼的材料強度大于鋁材料，在沖擊過程中，靶板對子彈的沖擊阻滯作用不同，從而導致子彈速度變化產生差異。并且從表中可以看出，子彈在穿透前板時的剩余速度幾乎相同，而在穿透第2塊板時子彈的剩余速度發(fā)生較小的變化，這是由于在一定間隙范圍內，槍彈在侵徹后板時，仍有部分彈體在前板孔內，靶板間隙大小會影響子彈在侵徹后板過程中的變形過程。

圖5 不同間距的組合靶板有限元模型(a為前板，b為后板)

表4 數值模擬中不同靶板間距下彈體侵徹鋼/鋁組合靶后的剩余速度(m/s)

基于上述模擬結果，繪制了彈體出靶速度與靶板間距的關系圖(圖7)。當目標靶板為不同材料時，隨著靶板間距的增加，子彈的剩余速度也逐漸降低。侯飛等[26]對彈丸侵徹雙層不同材料靶板進行研究，得出雙層靶板組合的抗侵徹能力與靶板排列順序有關，雙層有間隔組合比無間隔組合的抗侵徹性能要好。由圖7可以看出，在相同間距條件下，以間距10 mm為例，侵徹鋼-鋁組合結構的步槍彈剩余速度為882 m/s，而侵徹鋁-鋼組合結構的步槍彈剩余速度為860 m/s，鋼-鋁組合結構的剩余速度明顯高于鋁-鋼組合，因而鋼-鋁組合形式的靶板抗侵徹性能要好于鋁-鋼組合；另隨著靶板間距的增加，鋼-鋁組合結構的速度變化率為1.12%，鋁-鋼組合結構的速度變化率為0.95%，速度變化率很小，所以結構間隙對組合靶板的抗侵徹影響較小，這與文獻[16]的結論相同。

圖7 數值模擬下鋼/鋁組合靶板不同間距與剩余速度關系

2.2 鋼/鋁厚度比對組合結構抗侵徹性能的影響

2.2.1 厚度比對剩余速度的影響

由于靶板間隙對組合靶板的抗侵徹影響很小，故在保證靶板面密度不變的同時，選取定靶板間距0為設定條件，探究了厚度比對鋼-鋁組合板的抗侵徹性能影響，建立了不同厚度比的組合靶板有限元模型，即a為鋼板、b為鋁板，見圖8所示。

圖8 不同厚度比的組合靶板有限元模型

表5 數值模擬中不同入射速度下彈體侵徹鋼/鋁組合靶的剩余速度(m/s)

圖9給出了不同厚度比下彈體以不同初速侵徹鋼-鋁組合結構的速度歷程，從圖中可以看出，隨著厚度比變化，不同入射速度下彈體速度衰減趨勢相同，入射速度越高，穿透不同厚度比的靶板后的剩余速度分布越分散；入射速度越低，其剩余速度分布越集中，且在3種不同初速下，厚度比為0.188的速度衰減曲線均位于整體曲線最上方。

圖10 (a)為步槍彈侵徹某一厚度比下組合結構的過程圖像，圖10 (b)給出了3種初速下步槍彈正侵徹組合結構的穿孔大小模擬圖像，靶板主要失效模式為背彈面成花瓣狀隆起。可以發(fā)現，在侵徹過程中，穿孔四周發(fā)生應力變形，并逐漸向四周擴散。從圖中可以看出：不同撞擊速度下，速度越大，撞擊產生的孔徑也就越大；同一速度下，隨著厚度比的增加，撞擊產生的孔徑也逐漸增大，這是由于厚度比的變化使得前板的厚度增加，彈體在侵徹前板時產生的變形也就越大，從而使得組合靶板最終孔徑產生變化。

2.2.2 厚度比對靶板抗侵徹性能的影響

依據數值模擬，圖11給出了不同初速下子彈穿透靶板后的耗散能變化圖，表6為不同初速下彈體侵徹鋼-鋁不同組合靶板的耗散能百分比。從表中可以看出，在相同厚度比下，入射速度越高，組合結構對彈體的耗散能百分比也越就大(個別值除外)；在相同速度下，隨著組合結構厚度比的變化，耗散能均表現為先減小后增加的趨勢。

圖10 不同初速下步槍彈正侵徹組合結構的數值模擬圖像((a)侵徹歷程：(b)彈孔直徑)

圖11 仿真計算下侵徹不同厚度比的彈體耗散能變化圖

2.3 彈體初速度變化對組合結構抗侵徹性能的影響

2.3.1 初速度變化對剩余速度的影響

對于給定的彈靶組合，彈道極限定義為最低的完全侵徹的彈體初速度。利用文獻[27]提出的R-I公式擬合彈體的入射速度-剩余速度關系，并得到組合靶板的彈道極限，即

其中：V，V，V分別為彈體的初始速度、剩余速度和彈道極限速度；，與V為待定常數，依據文獻[9]取=2，和V可通過數值仿真數據利用最小二乘法擬合得到。圖13為擬合曲線，擬合得到了待定系數值與彈道極限V值，由圖中可以看出，鋼-鋁厚度比為0.130和1.244組合結構彈道極限速度分別為759.08 m/s和725.19 m/s。結果表明，不同厚度比的鋼-鋁組合靶板的彈道極限具有明顯的差異。

表6 數值模擬中不同厚度比下彈體侵徹鋼/鋁組合靶的耗散能(%)

表7 不同初速下彈體侵徹不同厚度比鋼-鋁組合靶后的仿真剩余速度(m/s)

圖12 不同速度彈體與靶板有限元模型

圖13 仿真結果中不同厚度比下的彈體初速和余速關系

2.3.2 初速度變化對靶板抗侵徹性能的影響

圖14為子彈穿透靶板后初速-耗能百分比變化關系，從圖中可以看出：厚度比不變時，耗散能百分比隨著初速的增加而降低，初速越靠近彈道極限，耗散能百分比越大；在不同的厚度比條件下，當初速度小于880 m/s時，厚度比為0.130的組合靶板對彈體的耗散能百分比大于厚度比為1.244的組合靶板；當初速度大于880 m/s時，則表現相反。因而在采用鋼-鋁組合結構時，對于中低速破片侵徹，采用厚度比為0.130的組合靶板可以達到較好的防護效果；對于高速沖擊時，厚度比為1.244的組合靶板的防護效果更好。

圖14 仿真結果中不同厚度比下的彈體初速與耗散能百分比的關系

3 結束語

本文通過在專業(yè)試驗場地進行彈道實驗以及數值模擬分析，在驗證模型正確的基礎上，探究了步槍彈垂直侵徹鋼/鋁靶板的動態(tài)沖擊過程，分析了靶板間距、等質量下的不同厚度比和彈體初速度對靶板的抗沖擊性能的影響?；跀抵的M仿真，得到以下結論：

(1) 在相同條件下，鋼-鋁組合板的抗侵徹性能要好于鋁-鋼組合板，其次，靶板間距的增加對彈體剩余速度變化影響很小，因此對彈體出靶速度影響可以忽略不計。

(2) 在面密度和靶板間距相同條件下，步槍彈以不同初速度垂直穿透鋼-鋁組合板的出靶速度均隨著組合靶板厚度比的增加先增大后減小，耗散能均隨著厚度比的增加先減小后增加。當厚度比為0.188時，出靶速度達到最大值，而耗散能達到最小值，此點即為組合靶板抗侵徹性能最差的拐點，因而在設計防護中盡可能避免。但對于厚度比為0.188時出現拐點變化的定量分析需進一步研究。

(3) 基于R-I公式擬合了彈體初速和余速的仿真數據，得出了鋼-鋁組合靶板在不同厚度比下的彈道極限。在此基礎上，比較了不同厚度比下初速度與耗散能百分比的關系，在中低速沖擊時，采用厚度比小的組合結構具有較好的抗侵徹能力；在高速沖擊時，采用厚度比大的組合結構具有較好的抗侵徹能力。

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Study on the penetration resistance of steel/aluminum composite target with isoplanar density

ZHANG Chen1, ZHANG Xiao-ping1, LIU Su-su1, QU Chang1, ZHANG Fu-bao1, ZHONG Jian-lin2, CAO Yan-feng2

(1. School of Mechanical Engineering, Nantong University, Nantong Jiangsu 226019, China;2.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing Jiangsu 210019, China)

The anti-penetration performance of metal target plate has always been a focus of research. In order to clarify the influence of structural parameters on the vertical penetration resistance of steel/aluminum composite structures, numerical calculation models of steel and aluminum composite structures were established and verified by ballistic impact tests. Based on the numerical model, the influences of the combination form of steel-aluminum, al-steel and target spacing on the penetration resistance of the composite target with the same thickness were analyzed. The simulation results show that under the same thickness, the combination form of steel plate in front was better than the target plate with aluminum plate in front, but the different combination form of laminar spacing has little influence on its anti-penetration performance. In addition, the influence of the thickness ratio of steel to aluminum on the penetration resistance of the composite target plate at different initial velocities was compared. The penetration resistance of the composite target plate decreases first and then increases with the increase of the thickness ratio, and finally reaches a stable value. There is a low point with the worst penetration resistance during the change process, which should be avoided as much as possible in structural design. Finally, the trajectory limit formula of musketeer projectile penetrating steel-aluminum composite structure was obtained by fitting the simulation data according to THE R-I formula. The research results can provide reference for the design of anti-penetration performance of composite target plate and the protection of personnel and materials.

steel/aluminum composite construction; rifle cartridge; surface density; thickness ratio; penetration resistance

O 385

10.11996/JG.j.2095-302X.2022030513

A

2095-302X(2022)03-0513-09

2021-10-19；

2021-12-19

19 October，2021；

19 December，2021

南通市基礎科學研究項目(JC2021200)；國家自然科學基金項目(11902088)

Basic Science Research Project of Nantong (JC2021200); National Natural Science Foundation of China (11902088)

張 陳(1996-)，男，碩士研究生。主要研究方向為結構動力學。E-mail：2382775513@qq.com

ZHANG Chen (1996-), master student. His main research interest covers structural dynamics. E-mail：2382775513@qq.com

張小萍(1973-)，女，教授，碩士。主要研究方向為結構動力學。E-mail：zhang.xp@ntu.edu.cn

ZHANG Xiao-ping (1973-), professor, master. Her main research interests cover structural dynamics. E-mail：zhang.xp@ntu.edu.cn