彈道侵徹下透明復(fù)合裝甲動(dòng)態(tài)變形參數(shù)的測(cè)量分析

張彬，彭剛，馮家臣，王緒財(cái)，王偉，陳春曉，高波，盧振宇

(山東非金屬材料研究所，濟(jì)南 250031)

由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、玻璃、聚碳酸酯(PC)及聚氨酯(PUR)、聚乙烯醇縮丁醛酯(PVB)等材料復(fù)合而成的透明復(fù)合裝甲能夠有效抵御彈丸的侵徹與毀傷，廣泛用于防護(hù)領(lǐng)域，如用作人體防護(hù)面罩、裝甲車輛觀察窗等。彈道侵徹下透明復(fù)合裝甲的沖擊變形參數(shù)包括變形速度、變形位移、應(yīng)變及應(yīng)變率等。如何實(shí)時(shí)、可靠地測(cè)定這些參數(shù)，對(duì)透明復(fù)合裝甲的設(shè)計(jì)、防護(hù)能力的評(píng)估十分重要。

現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)變形參數(shù)的測(cè)試技術(shù)主要有數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量技術(shù)、全光纖位移干涉測(cè)速技術(shù)等。數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量技術(shù)通過(guò)跟蹤或匹配物體表面變形前后兩幅散斑圖像中同一像素點(diǎn)的位置來(lái)獲得該像素點(diǎn)的變形參數(shù)，應(yīng)用于彈靶侵徹下樣品變形參數(shù)的測(cè)量時(shí)，存在對(duì)高速相機(jī)的性能和算法處理能力的要求高，相機(jī)、照明光源等設(shè)備難以有效防護(hù)等問(wèn)題[1]。

全光纖位移干涉測(cè)速技術(shù)基于多普勒效應(yīng)及光學(xué)混頻技術(shù)，可測(cè)量物體表面的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)速度，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)速范圍廣、精度高、非接觸式測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，能夠滿足測(cè)試要求。筆者基于全光纖位移干涉測(cè)速系統(tǒng)(AFDISAR)的瞬間動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化測(cè)量技術(shù)手段開展了透明復(fù)合裝甲動(dòng)態(tài)變形參數(shù)的測(cè)量試驗(yàn)，分析了彈道沖擊下材料的力學(xué)響應(yīng)情況，為透明防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、仿真、性能評(píng)估等提供支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

有機(jī)透明復(fù)合裝甲樣品(1#樣品)：主要構(gòu)成材料為PMMA，PC，結(jié)構(gòu)為3 mm 厚PC+13 mm厚PMMA+5 mm 厚PMMA+3 mm 厚PC，粘接層為PUR，自制；

防彈玻璃樣品(2#樣品)：主要構(gòu)成材料為玻璃、PC，結(jié)構(gòu)為6 mm 厚玻璃+8 mm 厚玻璃+10 mm 厚玻璃+5 mm 厚PC，玻璃之間粘接層為PVB，玻璃與PC 之間粘接層為PUR，自制。

1.2 主要設(shè)備與儀器

光幕靶：XGK-2002 型，西安工業(yè)大學(xué)；

計(jì)時(shí)儀：HG2002-III 型，南京理工大學(xué)；

AFDISAR：AFDISAR-02 型，中國(guó)工程物理研究院。

1.3 試驗(yàn)方法

測(cè)試系統(tǒng)由彈道試驗(yàn)系統(tǒng)和AFDISAR 組成。彈道試驗(yàn)系統(tǒng)由彈道槍、子彈、光幕靶、計(jì)時(shí)儀和靶架等組成，其中，光幕靶和計(jì)時(shí)儀用于完成子彈速度測(cè)量。AFDISAR 由激光器、探測(cè)器、光纖探頭和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1 所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

AFDISAR 基于多普勒效應(yīng)進(jìn)行物體運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量，原理如圖2 所示。激光器發(fā)出波長(zhǎng)為λ、頻率為f0的激光束被分為兩束，其中一束作為參考光，另一束經(jīng)光纖探頭照射在待測(cè)物體表面并形成反射光，參考光與反射光均被探測(cè)器接收。當(dāng)物體表面以變形速度v(t)向光纖探頭方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，反射光的頻率增加為f0+fd(t)，其中fd(t)為多普勒頻移[2-3]。

圖2 全光纖位移干涉儀測(cè)速原理圖

AFDISAR 將參考光與反射光光學(xué)混頻后得到fd(t)，v(t)根據(jù)式(1)計(jì)算：

針對(duì)透明復(fù)合裝甲動(dòng)態(tài)變形參數(shù)測(cè)量，試驗(yàn)中使用兩個(gè)光纖探頭。探頭1 的測(cè)量位置為彈著點(diǎn)位置a (中心測(cè)點(diǎn)，變形后的位置為a′)，探頭2 的測(cè)量位置為彈著點(diǎn)鄰近變形位置b (區(qū)域測(cè)點(diǎn)，變形后的位置為b′)，兩光纖探頭距離樣品背面均為50 mm，兩測(cè)點(diǎn)之間的距離為20 mm。光纖探頭布置示意圖如圖3 所示[4]。

圖3 光纖探頭布置示意圖

對(duì)0→t時(shí)刻的v(t)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行積分得到a處和b 處的變形位移，如式(2)、式(3)所示：

式中：va(t)——a 處變形速度；

vb(t)——b 處變形速度；

Laa′——a 處變形位移；

Lbb′——b 處變形位移。背板變形區(qū)域較小，a′和b′之間近似為線性，變形區(qū)內(nèi)的應(yīng)變[ε(t)]計(jì)算如式(4)所示：

式中：Lab——a，b 兩處變形前的距離；

La′b′——a，b 兩處變形后的距離。

為確保彈靶作用時(shí)樣品不被穿透且背面有明顯的變形，參照NIJ 0101.06-2008，使用9 mm 全金屬被甲彈對(duì)1#樣品進(jìn)行射擊試驗(yàn)，參照GJB 3030-1997，使用56 式7.62 mm 普通鋼芯彈對(duì)2#樣品進(jìn)行射擊試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品彈道試驗(yàn)損傷形貌

1#樣品試驗(yàn)用9 mm 全金屬被甲彈的彈速為450 m/s，彈擊后形貌如圖4 所示。

圖4 1#樣品彈擊后形貌

由圖4 可以看出，樣品在彈擊試驗(yàn)后未穿透，背面鼓包光滑、無(wú)飛濺，鼓包高度為14 mm，背部可視變形區(qū)域直徑約110 mm，彈著點(diǎn)附近透光率降低，PMMA 中有多條自彈著點(diǎn)擴(kuò)展開的明顯長(zhǎng)裂紋。

2#樣品試驗(yàn)用普通鋼芯彈的彈速為719 m/s，彈擊后形貌如圖5 所示。

圖5 2#樣品彈擊后形貌

由圖5 可以看出，樣品在彈擊試驗(yàn)后未穿透，背面凸起光滑、無(wú)飛濺，凸起高度為2 mm，彈著點(diǎn)附近玻璃破碎，各層玻璃均產(chǎn)生以彈著點(diǎn)為中心向周圍輻射狀擴(kuò)散的蛛網(wǎng)狀裂紋且離彈著點(diǎn)越近裂紋越密集。

2.2 變形速度及變形位移測(cè)量結(jié)果

不同時(shí)間下1#樣品背面中心測(cè)點(diǎn)和區(qū)域測(cè)點(diǎn)的變形速度和變形位移曲線如圖6 所示。

圖6 不同時(shí)間下1#樣品背面中心測(cè)點(diǎn)和區(qū)域測(cè)點(diǎn)的變形速度和變形位移曲線

由圖6 可以看出，在測(cè)得的有效數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，1#樣品兩測(cè)點(diǎn)的變形速度曲線呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)且沿中心測(cè)點(diǎn)徑向遞減，中心測(cè)點(diǎn)自3 812 μs 開始產(chǎn)生變形，經(jīng)48 μs 變形速度達(dá)到最大值149 m/s；區(qū)域測(cè)點(diǎn)自3 825 μs 開始產(chǎn)生變形，經(jīng)62 μs 變形速度達(dá)到最大值75 m/s。中心測(cè)點(diǎn)、區(qū)域測(cè)點(diǎn)的最大瞬間變形位移分別為22 mm 和9 mm。與中心測(cè)點(diǎn)相比，區(qū)域測(cè)點(diǎn)延遲13 μs 開始運(yùn)動(dòng)，沖擊應(yīng)力波沿此樣品背面引起變形的傳播速度約為1 538 m/s。

不同時(shí)間下2#樣品背面中心測(cè)點(diǎn)和區(qū)域測(cè)點(diǎn)的變形速度和變形位移曲線如圖7 所示。

圖7 不同時(shí)間下2#樣品背面中心測(cè)點(diǎn)和區(qū)域測(cè)點(diǎn)的變形速度和變形位移曲線

由圖7 可以看出，在測(cè)得的有效數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，2#樣品兩測(cè)點(diǎn)的變形速度曲線變化趨勢(shì)與1#樣品相近，中心測(cè)點(diǎn)自2 380 μs 開始產(chǎn)生變形，經(jīng)52 μs變形速度達(dá)到最大值95 m/s；區(qū)域測(cè)點(diǎn)自2 386 μs開始產(chǎn)生變形，經(jīng)55 μs 變形速度達(dá)到最大值77 m/s，此后變形速度曲線在逐漸減小的整體趨勢(shì)下震蕩變化，中心測(cè)點(diǎn)、區(qū)域測(cè)點(diǎn)的最大瞬間變形位移分別為24 mm 和17 mm。與中心測(cè)點(diǎn)相比，區(qū)域測(cè)點(diǎn)延遲6 μs 開始運(yùn)動(dòng)，沖擊應(yīng)力波沿此樣品背面內(nèi)引起變形的傳播速度約為3 333 m/s。

2.3 應(yīng)變、應(yīng)變率測(cè)量結(jié)果與分析

(1)測(cè)量結(jié)果。

樣品背板變形區(qū)的應(yīng)變和應(yīng)變率曲線如圖8 所示。

由圖8 可以看出，1#樣品的應(yīng)變曲線一直處于上升趨勢(shì)，最大應(yīng)變?yōu)?.19，應(yīng)變率曲線在開始階段上升較快，此后出現(xiàn)趨勢(shì)變化的兩極點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為50 μs 和72 μs，后期保持上升趨勢(shì)，上升速度低于彈靶作用前期時(shí)的速度，最大應(yīng)變率約為2 300 s-1。2#樣品的應(yīng)變曲線一直處于上升趨勢(shì)，最大應(yīng)變?yōu)?.022，應(yīng)變率整體呈上升趨勢(shì)，在50 μs 左右出現(xiàn)波動(dòng)，最大應(yīng)變率約為350 s-1。

圖8 樣品的應(yīng)變和應(yīng)變率曲線

(2)結(jié)果分析。

1#樣品彈靶作用時(shí)迎彈層PC 與中間層PMMA依靠其硬度使鉛彈發(fā)生墩粗等破壞變形，能夠增加著靶面積、消耗彈丸動(dòng)能并降低壓縮應(yīng)力。PMMA在初期通過(guò)變形吸收彈丸能量，進(jìn)一步依靠脆性破壞吸收彈丸能量；粘接層PUR 的低強(qiáng)度使得PMMA 起承載作用的時(shí)間滯后、失效應(yīng)變?cè)黾覽5-9]，提高了PMMA 通過(guò)變形吸能的效果，同時(shí)，粘合作用使裂紋擴(kuò)展阻力增大，增加了PMMA 破碎所需的表面能，提高了對(duì)彈丸能量的吸收效果，能夠顯著提高透明復(fù)合裝甲樣品的動(dòng)態(tài)失效應(yīng)變。背彈層的PC 具有黏彈性、高強(qiáng)度的特征，在屈服后隨著變形量的逐漸增大先后表現(xiàn)出應(yīng)變軟化、硬化特征，吸收彈丸的剩余能量并產(chǎn)生塑性變形[10-13]。應(yīng)變率曲線中極大值點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻與中心測(cè)點(diǎn)變形速度達(dá)到最大值的時(shí)刻基本一致，與彈靶作用時(shí)PMMA 在PUR 的影響下由依靠黏彈性特征下的變形吸能至依靠破碎與裂紋擴(kuò)展吸能的抗彈機(jī)理變化相對(duì)應(yīng)，極小值點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻略滯后于區(qū)域測(cè)點(diǎn)變形速度到達(dá)最大值的時(shí)刻，與PMMA 已碎裂、PC 層通過(guò)變形吸收彈體剩余能量的抗彈機(jī)理變化對(duì)應(yīng)。

2#樣品玻璃的硬度大、動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度高、動(dòng)態(tài)失效應(yīng)變小[14-15]。高硬度使2#樣品具有更好的墩粗、破碎彈體的能力。動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度高與玻璃抗彈時(shí)破壞波的傳播有關(guān)，具體為：玻璃內(nèi)的細(xì)觀缺陷形成細(xì)觀尺度的局部應(yīng)力集中，在沖擊壓縮下應(yīng)力集中超過(guò)材料的破壞應(yīng)力閾值時(shí)，微裂紋開始成核、擴(kuò)展并激發(fā)相鄰區(qū)域消耗彈體的能量[16-18]，這與試驗(yàn)結(jié)果中玻璃產(chǎn)生粉碎性破壞并以彈著點(diǎn)為中心向四周輻射的形貌結(jié)果一致。動(dòng)態(tài)失效應(yīng)變小與試驗(yàn)結(jié)果中測(cè)點(diǎn)的最大動(dòng)態(tài)變形、樣品最終的背突變形小一致。兩樣品中膠層、PC 等其它材料在彈靶作用期間所起到的作用相近。應(yīng)變率曲線出現(xiàn)的波動(dòng)時(shí)刻與兩測(cè)點(diǎn)變形速度達(dá)到最大值的時(shí)刻相關(guān)，與樣品由通過(guò)變形吸能至玻璃開始破碎吸能的時(shí)間相關(guān)。

3 結(jié)論

(1)彈道試驗(yàn)損傷形貌結(jié)果和和變形速度、變形位移、應(yīng)變、應(yīng)變率等動(dòng)態(tài)變形參數(shù)的測(cè)量結(jié)果表明，兩種不同結(jié)構(gòu)、材料的樣品在彈擊形貌上均表現(xiàn)出以彈著點(diǎn)為中心向外擴(kuò)展的破壞，在AFDISAR有效測(cè)量的數(shù)據(jù)區(qū)間內(nèi)，樣品測(cè)點(diǎn)的變形速度曲線均呈先增大后減小的趨勢(shì)，且沿中心測(cè)點(diǎn)徑向遞減。樣品測(cè)點(diǎn)的變形位移、應(yīng)變曲線均呈逐漸增大趨勢(shì)，樣品測(cè)點(diǎn)附近應(yīng)變率曲線整體呈增大趨勢(shì)。測(cè)得PMMA/PC 結(jié)構(gòu)樣品(1#樣品)的應(yīng)變率曲線存在兩極點(diǎn)，玻璃/PC 結(jié)構(gòu)樣品(2#樣品)應(yīng)變率曲線存在波動(dòng)，極點(diǎn)或波動(dòng)出現(xiàn)的時(shí)刻均與測(cè)點(diǎn)變形速度達(dá)到最大值的時(shí)刻相關(guān)，與樣品主要抗彈機(jī)理發(fā)生轉(zhuǎn)變的時(shí)刻相關(guān)。

(2)在試驗(yàn)條件下，比較PMMA/PC 結(jié)構(gòu)樣品與玻璃/PC 結(jié)構(gòu)樣品的試驗(yàn)結(jié)果可知，兩者達(dá)到最大變形速度的時(shí)間相近，PMMA/PC 樣品(1#樣品)測(cè)點(diǎn)的最大變形速度高，最大靜態(tài)變形位移大，這與PMMA 對(duì)彈體墩粗、破碎的能力低，變形吸能的能力高的特性一致，與材料的硬度、壓縮強(qiáng)度及失效應(yīng)變等力學(xué)特性的表現(xiàn)一致。

(3)試驗(yàn)基于彈道侵徹條件測(cè)得樣品變形速度、變形位移、應(yīng)變和應(yīng)變率數(shù)據(jù)及其變化情況，試驗(yàn)結(jié)果有助于科研、工程人員直觀認(rèn)識(shí)高應(yīng)變率下材料的力學(xué)行為，測(cè)試方法和測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)透明復(fù)合裝甲的研發(fā)、相關(guān)防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、仿真、性能評(píng)估形成支撐和參考。