雙曲面陶瓷復合靶抗12.7 mm穿燃彈侵徹性能研究

潘志威,印立魁,易榮成,蔣顯松, 王維占,陳智剛,曲乾坤,周 滔

(1.中北大學 機電工程學院, 太原 030051; 2.中北大學 地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室, 太原 030051; 3.重慶長安工業(yè)(集團)有限責任公司, 重慶 401120)

0 引言

在現(xiàn)代科技的支撐下,武器裝備得到不斷地發(fā)展,大量研究數(shù)據(jù)表明,由于破片和槍彈而導致的士兵傷亡概率超過了70%[1-2]。因此,在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,各方人員對于單兵防護裝備的需求都在不斷提高。防護裝備的發(fā)展不僅僅與武器發(fā)展的步伐相關,更是與材料的發(fā)展不可分離,皮革、金屬、復合材料、高性能纖維材料、陶瓷材料等都可應用于其中。

陶瓷材料具有硬度高、強度高、密度低等優(yōu)異特性,是防護材料的重要組成部分,特別是用于抵抗高沖擊能量彈藥的防護,成為防護研究領域的熱點,研究人員對此已經展開了大量研究[3]。陳斌等[4]通過研究穿甲彈對陶瓷復合裝甲的毀傷效應,發(fā)現(xiàn)彈著角是影響穿甲彈毀傷效能的重要因素。郭英男[5]通過 12.7 mm 制式穿甲彈沖擊陶瓷復合裝甲的實驗研究與數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)彈丸彈著點接近陶瓷靶邊緣時,彈體侵徹姿態(tài)轉變?yōu)樾鼻謴?。王維占等[6]通過彈道槍實驗及數(shù)值模擬對斜置角度陶瓷復合裝甲進行了彈道極限測試,結果表明隨陶瓷復合靶板斜置角度的增大,彈道極限近似指數(shù)型提高。此外還研制了一種 ZrO2陶瓷槍彈[7],“以其之矛、攻其之盾”,提高了對Al2O3陶瓷裝甲的毀傷效果。李小軍等[8]通過對7.62 mm子彈對斜置復合裝甲的實驗與數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)隨斜置角度的增加,穿甲子彈的偏轉角度先增大后減小,對陶瓷復合裝甲的極限穿透斜置角度為0°～15°。目前,關于陶瓷防護的許多研究是基于平面陶瓷板,而具有弧面的陶瓷復合靶板的研究雖然比較少,但是也有如下的一些研究成果。de Oliveira Braga等[10]研究了平面和曲面陶瓷多層裝甲系統(tǒng)的彈道性能,將迎彈面的幾何形狀從平面修改為曲面,其彈道性能有顯著改善。黃子豪[11]設計了2種邊緣帶有弧形凸臺的陶瓷單元,使用7.62 mm槍彈對其組成的拼接式陶瓷復合防護進行了抗侵徹數(shù)值仿真,分析了陶瓷單元邊緣抗侵徹性能的強化效果,發(fā)現(xiàn)弧形凸臺能有效增加陶瓷單元邊緣受到侵徹時陶瓷錐尺寸,增加彈丸偏轉概率,從而增強陶瓷單元邊緣抗侵徹性能。Monteiro等[12]研究了單曲面Al2O3陶瓷板的彈道性能,通過實驗與數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)了相同條件下沖擊面為曲面的陶瓷性能比平面陶瓷高16%～18%。

通過上述分析,大量研究主要集中于平面陶瓷復合靶和單曲面陶瓷復合靶等2種結構,而關于雙曲面陶瓷復合靶板結構的研究則是很少。因此,本文通過對12.7 mm穿燃彈侵徹雙曲面陶瓷復合靶板進行數(shù)值模擬,研究了雙曲面陶瓷復合靶板不同曲率半徑下的彈道極限以及不同著角下的跳彈臨界速度變化規(guī)律,為防彈衣的設計提供參考依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型建立及參數(shù)選取

數(shù)值模擬中所采用的12.7 mm制式穿燃彈的結構[13],分為彈芯、被甲和燃燒劑。因燃燒劑對侵徹過程的影響不大,本文中對其忽略不計。靶板為復合型陶瓷靶板用以模擬防彈衣的面板,總共分為2層,如圖1所示,第1層面板為260 mm×260 mm×10 mm雙曲面Al2O3陶瓷面板,第2層為260 mm×260 mm×7 mm 的PE板。靶板為軸對稱結構,將其看成橢球面的一部分,R1稱為短軸(寬度方向)曲率半徑,R2稱為長軸(高度方向)曲率半徑,如圖1所示。

圖1 陶瓷復合靶板結構圖

結合人體結構,取表1中的數(shù)據(jù)作為陶瓷復合靶的曲率半徑,共有9組曲率半徑組合。如圖2所示,對每一組長短曲率工況的靶板取12個點作為著靶點,其中9個點分布在長短軸上,坐標原點作為第1點; 3個點為以坐標原點為圓心,第5點橫坐標的絕對值為半徑,在第2象限內畫圓弧,該圓弧的4等分點為第10、11、12點。θ為該圓弧上著靶點對應的圓心角,以X負半軸沿順時針偏轉,取值為0°(同第5點)、22.5°、45°、67.5°、90°(同第9點)。

表1 陶瓷復合靶曲率半徑

圖2 靶板上選取的著靶點示意圖

穿燃彈與陶瓷復合靶板使用TRUEGRID軟件建立1/2結構的三維有限元模型,并在1/2結構模型的對稱面上設置對稱約束條件,計算網格采用Solid164八節(jié)點六面體單元。彈靶接觸過程采用Lagrange算法,接觸作用采用EROSION侵蝕接觸算法。通過ANSYS/LS-DYNA軟件對侵徹過程進行數(shù)值模擬。圖3為數(shù)值模擬所采用的有限元模型。

圖3 有限元模型

在本文中,穿燃彈彈芯使用30CrMnSi,被甲材料使用H90銅。2種材料的模型均為JOHNSON-COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程,并且還添加MAT _ADD _EROSION裂紋控制附加失效模型(此附加失效模型并非單獨的材料模型,而是一種附加失效方式以獲得更貼近實驗結果的彈體破壞形態(tài))。Al2O3陶瓷面板采用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS材料模型。PE板采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型。具體材料參數(shù)見表2—表5[8-9]。

表2 彈芯材料參數(shù)

表3 被甲材料參數(shù)

表4 陶瓷材料參數(shù)

表5 PE材料參數(shù)

1.2 材料參數(shù)有效性校核

參考文獻[6-7]實驗方案,驗證表2—表5的材料參數(shù)。圖4為文獻實驗靶入、出孔與數(shù)值模擬結果對比圖;圖5為不同著角的彈道極限下文獻實驗彈芯及被甲毀傷形態(tài)與數(shù)值模擬結果對比圖。由圖4和圖5可知,數(shù)值模擬的靶板、彈體破壞形態(tài)與實驗結果有較好的一致性。

圖4 實驗靶入、出孔與數(shù)值模擬對比圖

圖5 不同著角下彈芯及被甲破壞形態(tài)對比圖

表6為文獻實驗彈道極限范圍與本文中數(shù)值模擬驗證的對比表格。對比分析可知,本文中數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與文獻[6]的實驗結果雖有一定偏差,但是均落在或接近實驗范圍,誤差絕對值均小于5%,處于可接受范圍內,并且其變化規(guī)律相同。

因此,通過對比,驗證了材料參數(shù)有效性,證明了本文中數(shù)值模擬方法具有可靠性。

表6 文獻實驗速度與數(shù)值模擬速度對比

1.3 彈道極限分析

彈道極限(亦稱臨界穿透速度,V50),是給定侵徹工況下彈體嵌入靶板的最大速度與貫穿靶板的最小速度的平均值。在實踐中,如果有效值速度浮動范圍不大于40 m/s,可取3發(fā)未穿透靶板的最大速度和3發(fā)穿透靶板的最小速度的平均值作為V50[7]。

該節(jié)所有工況下彈體初始均平行于Z軸(垂直XOY平面)侵徹靶板。圖6為12.7 mm穿燃彈在短軸第1、3、5點侵徹陶瓷復合靶板的過程。侵徹過程中,陶瓷靶在彈體持續(xù)的侵徹下發(fā)生界面擊潰;因沖擊界面應力很大,銅質被甲由于質量低、塑性好,會發(fā)生嚴重侵蝕和變形,動能耗盡后常會停留在陶瓷層與PE層之間;鋼質彈芯塑性低,彈體頭部同樣被嚴重磨蝕,對比圖5與圖6,因靶板的厚度、結構以及彈體的初始速度不同,導致彈頭部所受侵蝕程度不一,另外因受彎扭和彈體內應力波的反射彈體可能會發(fā)生破碎和斷裂(見圖5(b)和圖13)。

圖6 典型工況下12.7 mm穿燃彈侵徹陶瓷復合靶過程Fig.6 The penetration process of 12.7 mm projectile into ceramic composite target under typical conditions

陶瓷靶通過陶瓷錐的破碎,PE背板的變形,破壞彈體的完整性和改變彈體的侵徹姿態(tài),不斷耗散彈體的動能,起到對人體的防護。短、長軸上各著靶點彈道極限分別如圖7、圖8所示。

圖7 短軸上各著靶點彈道極限

圖8 長軸上各著靶點彈道極限

由圖7與圖8可知,無論是在短軸還是在長軸上,隨著著靶點往靶板邊緣移動,其彈道極限都隨之增大,近似于指數(shù)型升高,并且在相同的曲率半徑下沿短軸彈道極限的變化比沿長軸的變化更為明顯。原因為隨著著靶點靠近邊緣,復合靶板的等效厚度和初始著角均變大,彈體更易發(fā)生侵徹姿態(tài)的偏轉導致其侵徹的比動能分量降低。因此,為了能夠擊穿復合靶板,穿燃彈的速度會隨著彈著點往邊緣的移動而提高。

對比圖7中的曲線1、2、3與4、5、6以及7、8、9,結合表1可以發(fā)現(xiàn),在短軸的曲率半徑R1相同的情況下,V50隨長軸曲率半徑R2增大而減小。對于曲線1、4、7 與2、5、8以及 3、6、9,則是長軸曲率半徑R2相同,V50隨著R1增大而減小。

由圖8中的曲線1、2、3與4、5、6以及7、8、9,結合表1可知,在短軸曲率半徑R1相同的情況下,V50隨著長軸曲率半徑R2增大而減小。對比曲線1、4、7 與2、5、8以及 3、6、9可知,長軸曲率半徑R2相同,V50隨著R1增大而減小。

圖9為第5組曲率半徑下,以第1、5點距離為半徑的四分之一圓弧(見圖2)上各著靶點的彈道極限;其他8組曲率半徑下數(shù)值模擬的結果曲線及變化規(guī)律與之相差不大。在第2象限內,隨著圓心角θ增大,V50先增大后減小,最大值出現(xiàn)在45°左右的位置,并且0°～22.5°的值大于67.5°～90°的值。在這四分之一圓弧上,每一個點都會受到短軸曲率半徑R1和長軸曲率半徑R2的雙重影響,因此V50會比單獨在短軸或者長軸的數(shù)值更大。在45°左右處,R1和R2的影響會達到最大,所以在此會出現(xiàn)最大值。

圖10—圖12是選取陶瓷復合靶板上典型的3個代表點,分別為靶板中心點(即第1點),短軸最大值點(即短軸上第5點),長軸最大值點(即長軸上第10點)。

由圖10—圖12可知,曲線所圍成的曲面上的每一個點代表著在對應的R1與R2下的該點V50。隨著R1、R2增大,V50則反而降低。

綜上所述,無論是在短軸,還是在長軸上,V50都會受到該軸曲率半徑的影響,曲率半徑越小,V50越大,但因為靶板的整體尺寸比較小,數(shù)值模擬的結果在數(shù)值上相差并不顯著。

圖9 以1和5兩點距離為半徑的圓弧上 各點的彈道極限

1.4 跳彈臨界速度分析

跳彈是指子彈侵入或者碰擊靶板后,又從靶體表面跳出并繼續(xù)在空中運動的現(xiàn)象[14]。臨界跳彈著靶參量是影響彈體侵徹效果的重要參量。發(fā)生跳彈的臨界速度判斷標準,要兼顧彈體的速度變化和與靶板的相對位移。胡德安[15]結合子彈剩余速度分量及子彈頭部中點與靶板變形后最低點的相對距離減去該位置處靶板變形后的厚度值,所得結果為正時,則出現(xiàn)了跳彈;否則為嵌埋。本文中將參考上述方法確定不同著角下的跳彈臨界速度。

本文中對跳彈臨界速度僅在短軸上研究,彈體初始位置在XOZ平面內,所取著靶點在圖2的基礎上,增加其在X軸正方向的對稱點。在每一個著靶點分別進行15°、30°、45°、60°著角(彈體初始速度方向與Z軸的夾角)下的跳彈臨界速度研究。

圖13為著角為60°時的跳彈情況。彈體與靶板接觸作用,被甲和彈芯先后受到侵蝕磨損;陶瓷靶產生了破碎凹痕,但未被擊穿,PE板也未發(fā)生明顯變形。著靶點處靶板對彈芯的作用力與其運動方向不共線,使得彈芯偏轉或者滑移,飛出靶板表面發(fā)生跳彈現(xiàn)象。

圖14為第1組曲率半徑下各著靶點不同著角的臨界跳彈速度變化規(guī)律,其他8組靶板曲率半徑下,不同著角下的臨界跳彈速度變化規(guī)律與之相似。圖15、圖16分別為著角30°、60°時,各著靶點的跳彈臨界速度變化曲線。因著角15°和45°工況下的變化趨勢與之相似,本文中不再贅述。

由圖14可知,隨著著角增大,臨界跳彈速度也隨之增大,X軸正半軸各著靶點的數(shù)值大于負半軸上各著靶點的數(shù)值。由圖14(a)、圖15(a)和圖16(a)可知,在負半軸上,從第1點到第5點,同一著角下,跳彈的臨界速度逐漸降低;圖14(b)、圖15(b)和圖16(b),在正半軸上,從第1點到第5點,同一著角下,跳彈的臨界速度則是逐漸增大。這是因為:在X軸負半軸上,靶板的弧段為下降段,彈體的初始著角是逐漸減小的;而正半軸的弧段則是上升段,彈體的初始著角則逐漸增大。

由圖14(b)的第4、5著靶點曲線可以明顯看出,從45°起,跳彈臨界速度急劇增加,數(shù)值遠大于其他各點,結合圖2與圖13可知,首先這2點已非常靠近靶板的邊緣,彈體在斜侵徹的過程中,以極短的時間破壞了陶瓷層,并飛離了靶板;其次由于彈體著角偏大,受靶板作用彈體更易偏轉,發(fā)生跳彈。

分別比較圖15和圖16(a)、圖16(b)中的曲線1、4、7,曲線2、5、8,曲線3、6、9,在長軸曲率半徑R2相同的情況下,短軸曲率半徑R1越小,同一著靶點同一著角下的跳彈速度越大。

圖13 著角60°時的跳彈現(xiàn)象Fig.13 Ricochet phenomenon at angle of 60°

圖14 短軸上各著靶點不同著角下的跳彈臨界速度Fig.14 On the short axis are the critical velocity of ricochet at different angles of the target

圖15 著角30°時各著靶點的跳彈臨界速度Fig.15 The critical velocity of ricochet at each point when the angle is 30°

2 結論

1) 數(shù)值模擬表明,當短軸曲率半徑R1取0.43～0.83 m,長軸曲率半徑R2取1.00～1.40 m時,從靶板中心至邊緣,彈道極限近似呈指數(shù)型提高;第2象限內,以靶板中心為圓心至短軸上第5點距離為半徑所作的圓弧上著靶點的彈道極限隨θ增大而表現(xiàn)為先增加后減小,峰值出現(xiàn)在45°左右。

2)R1相同時,同一著靶點處彈道極限隨著R2增大而減小;R2相同時,同一著靶點處彈道極限隨著R1減小而增大。

3)R1取0.43～0.83 m,R2取1.00～1.40 m時,著角從15°增至60°時,同一著靶點處跳彈臨界速度隨著角增大而增大。

4)R1取0.43～0.83 m,R2取1.00～1.40 m,著角為15°～60°時,沿X負方向,同一著角下,各著靶點跳彈臨界速度逐漸降低;而沿X正方向則逐漸增大。