包覆板材料為陶瓷時(shí)平板裝藥的防護(hù)性能＊

李如江，韓宏偉，孫素杰，劉天生

（1.中北大學(xué)安全工程系，山西 太原030051；2.中國兵器工業(yè)第五二研究所沖擊環(huán)境材料技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 煙臺(tái)264003）

平板裝藥，又稱爆炸反應(yīng)裝甲（explosive reactive armour，ERA），首先由 M.Held［1］發(fā)明，由于具有防護(hù)效益高、重量輕、裝卸方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代裝甲車輛的防護(hù)。傳統(tǒng)的爆炸反應(yīng)裝甲結(jié)構(gòu)為兩層對(duì)稱或非對(duì)稱的鋼板中間夾層炸藥組成的三明治結(jié)構(gòu)。當(dāng)射流高速撞擊具有一定傾角的爆炸反應(yīng)裝甲時(shí)，會(huì)引爆中間炸藥層，鋼板在高壓、高速爆轟產(chǎn)物作用下，沿其法線方向高速運(yùn)動(dòng)，對(duì)射流形成連續(xù)或斷續(xù)切割，使射流受到嚴(yán)重干擾，從而降低射流對(duì)主裝甲的侵徹能力。

對(duì)傳統(tǒng)平板裝藥的大量研究［2－5］表明，它爆炸后會(huì)產(chǎn)生大量的高速破片（通常達(dá)500～1 500m／s），有可能對(duì)戰(zhàn)場己方人員和車輛造成損傷，因此需尋找新的材料替代傳統(tǒng)的鋼板。H.Kaufmamnn等［6］對(duì)低密度包覆板材料（包括鋁、陶瓷、玻璃鋼等）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)低密度材料具有和鋼一樣的防護(hù)效能，且附帶損傷明顯降低。P.J.Hazell等［7］運(yùn)用X射線研究了陶瓷和硼硅玻璃等包覆板材料與射流的作用，發(fā)現(xiàn)脆性包覆板在爆炸產(chǎn)物作用下會(huì)很快破碎成碎末，可有效降低對(duì)周圍環(huán)境的損傷。王玲等［8］進(jìn)行了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為包覆板材料時(shí)反應(yīng)裝甲的抗彈性能的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其具有較好的防彈效果，且可以消除爆炸反應(yīng)裝甲的二次殺傷效應(yīng)。

本文中，使用口徑36mm的精密成型裝藥，進(jìn)行包覆板為氧化鋁和碳化硅陶瓷時(shí)平板裝藥的抗彈性能的實(shí)驗(yàn)研究，并與等重厚鋼板平板裝藥進(jìn)行對(duì)比。運(yùn)用LS－DYNA3D軟件對(duì)作用過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，擬為平板裝藥包覆板新材料的選用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 抗射流侵徹實(shí)驗(yàn)

用穿深檢驗(yàn)陶瓷包覆板對(duì)射流的防護(hù)性能。圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，包括聚能裝藥、陶瓷平板裝藥和后效靶，通過測量殘余射流在后效靶上的穿深衡量其防護(hù)性能。選用氧化鋁陶瓷和碳化硅陶瓷作為平板裝藥的面背板材料，并與45鋼板進(jìn)行對(duì)比。其中，氧化鋁陶瓷板（w（Al2O3）＝99.3%）的厚度為5.1mm，密度為4.05～4.10g／cm3；碳化硅陶瓷板的厚度為6.4mm，密度為3.8～3.9g／cm3；鋼板厚2.5mm，密度為7.85g／cm3。夾層炸藥為B炸藥，密度為1.715g／cm3，藥厚為4mm。后效靶為603裝甲鋼，平板裝藥距后效靶69mm，傾角均為30°。精密聚能裝藥口徑為36mm，當(dāng)炸高為26mm時(shí)，3發(fā)平均穿深為100mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experimental setup

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

侵徹實(shí)驗(yàn)后，測量后效靶上最大殘余穿深衡量平板裝藥的防護(hù)效能，通過觀察后效靶表面的損傷情況衡量平板裝藥的損傷效應(yīng)。對(duì)不同包覆板材料的平板裝藥進(jìn)行單發(fā)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1和圖2所示，其中a、b和c為彈坑的長、寬和穿深，l為壓痕深度。可見，碳化硅和氧化鋁陶瓷平板裝藥的防護(hù)水平優(yōu)于45鋼，且碳化硅陶瓷比氧化鋁陶瓷更優(yōu)。

表1 不同包覆板材料平板裝藥的防護(hù)性能Table 1 Protection performance of ERA with different plate materials

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Comparisons of the experimental results

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

采用非線性有限元LS－DYNA3D軟件對(duì)聚能射流和平板裝藥的作用過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。采用ALE算法，此種算法中包括拉格朗日與歐拉兩種算法。由于在歐拉算法中，網(wǎng)格固定不動(dòng)，材料和能量在網(wǎng)格間運(yùn)動(dòng)，所以在建立模型時(shí)不僅包括金屬射流部分，還需加入空氣。根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，考慮計(jì)算時(shí)間與周期，建立1／2模型，模型包括聚能裝藥、空氣、平板裝藥三部分。其中聚能裝藥、空氣采用歐拉法，平板裝藥采用拉格朗日算法。

2.2 材料參數(shù)

聚能藥柱使用8701炸藥壓制，采用高能燃燒材料模型和JWL狀態(tài)方程描述。其主要參數(shù)為：ρ0＝1.685g／cm3，D＝8 130m／s，A＝625.3GPa，B＝23.29GPa，R1＝5.25，R2＝1.6，ω＝0.28。

紫銅藥型罩、45鋼聚能裝藥殼體以及平板裝藥包覆板，使用Johnson－Cook模型和Grüneisen狀態(tài)方程描述：

式中：A、B、C、n和m為材料常數(shù)；ε＊p為有效塑性應(yīng)變；ε＊p為有效塑性應(yīng)變率；Tm為材料熔化溫度；Tr為室溫。紫銅和45鋼材料本構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 紫銅和45鋼的計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculating parameters for the copper and 45steel

空氣采用空物質(zhì)材料模型，狀態(tài)方程采用多線性狀態(tài)方程描述，ρ＝1.25mg／cm3。

夾層炸藥為B炸藥，采用Lee－Tarver反應(yīng)模型［9］和JWL狀態(tài)方程描述，Lee－Tarver反應(yīng)模型為：

式中：λ為反應(yīng)速率分?jǐn)?shù)；t為時(shí)間，p為壓力。B炸藥的計(jì)算參數(shù)分別為：I＝4.4×1017s－1，b＝0.667，a＝0，x＝20，G1＝310GPa，c＝0.667，d＝0.111，y＝1.0，G2＝400GPa，e＝0.333，g＝1.0，z＝2.0。

陶瓷材料采用氧化鋁和碳化硅，使用JH－2模型描述材料在高壓下的力學(xué)行為。模型主要包括了對(duì)材料的強(qiáng)度、壓力和損傷的變化關(guān)系的描述。通過這3部份關(guān)系的耦合，可以描述完整材料和破碎材料的在載荷作用下的響應(yīng)。陶瓷材料的本構(gòu)參數(shù)見表3。

表3 陶瓷的計(jì)算參數(shù)［10］Table 3 Calculating parameters for SiC and AL2O3

3 結(jié)果分析

包覆板的等效鋼板厚度δequ＝ρphp／ρFe，ρp和hp為包覆板的密度和厚度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件可以計(jì)算，氧化鋁包覆板的等效鋼板厚度為2.50mm，碳化硅陶瓷的等效鋼板厚度為2.51mm，兩者和45鋼板的板厚幾乎相同。根據(jù)Gurney公式，炸藥爆炸后驅(qū)動(dòng)飛板的運(yùn)動(dòng)速度為：

從圖2后效靶表面的損傷結(jié)果可以看出：45鋼板在高速碰撞后效靶后，壓痕比較完整、深度達(dá)到了2～3mm；而氧化鋁和碳化硅陶瓷碰撞后的后效靶表面無完整痕跡，僅有大量麻點(diǎn)存在，凹坑深度較淺。說明陶瓷背板在此距離內(nèi)已完全破碎，后效損傷與鋼板相比已明顯降低。

圖3分別為碳化硅陶瓷、氧化鋁陶瓷以及45鋼包覆板不同時(shí)刻與射流作用的模擬結(jié)果。對(duì)比圖3可以看出：當(dāng)t＝35μs時(shí)，碳化硅陶瓷板經(jīng)爆炸驅(qū)動(dòng)后保持完整，而氧化鋁陶瓷板內(nèi)表面呈現(xiàn)破壞，原因是由于氧化鋁陶瓷抗壓強(qiáng)度較低所致。當(dāng)t＝45μs時(shí)，出現(xiàn)了比較有趣的現(xiàn)象，從陶瓷板周邊開始出現(xiàn)破碎和斷裂，原因可能是陶瓷材料為典型的抗壓不抗拉材料，在邊界處由于爆轟產(chǎn)物的強(qiáng)烈剪切和稀疏波拉伸作用下，先從陶瓷板邊緣出現(xiàn)破壞。當(dāng)t＝60μs時(shí)，氧化鋁陶瓷板已完全破碎，而碳化硅中間部分仍保持有一定的完整性，但是表面出現(xiàn)了裂紋。在t＝45μs時(shí)，45鋼板由于稀疏波的作用在周邊出現(xiàn)了層裂，但整個(gè)過程保持完好，這也正是陶瓷材料在碰撞后效靶表面壓痕不明顯而鋼板壓痕比較深的原因。

對(duì)比圖3還可以看出，鋼板和陶瓷板與射流的作用機(jī)理不一樣：當(dāng)t＝45μs時(shí)，氧化鋁陶瓷背板后出現(xiàn)了一定長度的逃逸射流，為整個(gè)射流長度的約7%，隨著射流的延伸，逃逸射流很快斷裂成更小的碎片，而碳化硅陶瓷背板后的逃逸射流不明顯。由于氧化鋁陶瓷抗壓強(qiáng)度較低，在沖擊波作用下內(nèi)表面破碎成更小的碎末，對(duì)射流的干擾作用減弱，造成射流頭部逃逸。當(dāng)t＝60μs時(shí)，氧化鋁陶瓷由于破碎完全，其與射流尾部的作用減弱，而碳化硅仍保持一定的完整性，仍可與充分射流作用，此為碳化硅陶瓷板抗彈性能優(yōu)于氧化鋁的原因。45鋼板與射流作用后造成射流前部出現(xiàn)斷裂，但無明顯逃逸射流，與射流后部作用后使射流局部出現(xiàn)了大的失穩(wěn)。模擬結(jié)果說明，鋼板與射流尾部作用為斷續(xù)干擾，而陶瓷板為連續(xù)干擾，其中鋼板對(duì)射流的干擾周期為約125kHz，氧化鋁為約140kHz，碳化硅為約160kHz。連續(xù)干擾后的射流射流在飛行過程中會(huì)很快斷裂成破片，失去侵徹能力，而斷續(xù)干擾后的射流在飛行過程中會(huì)進(jìn)一步延伸，對(duì)后效靶仍具有一定的侵徹能力，造成鋼反應(yīng)裝甲的防護(hù)性能低于等重厚氧化鋁和碳化硅陶瓷反應(yīng)裝甲。

圖3 碳化硅、氧化鋁和鋼反應(yīng)裝甲與射流的作用過程的模擬結(jié)果Fig.3 Comparison of the interaction process between shaped charge jets and ERA with SiC，Al2O3and steel plates

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，碳化硅和氧化鋁陶瓷平板裝藥具有優(yōu)良的防護(hù)性能，對(duì)于此結(jié)構(gòu)的平板裝藥，可使垂直穿深100mm的聚能裝藥侵徹能力分別下降88%和82%，優(yōu)于鋼板的防護(hù)性能。鋼包覆板與后效靶作用后有明顯的壓痕，而陶瓷包覆板僅在后效靶表面產(chǎn)生麻點(diǎn)，壓痕不明顯。

模擬結(jié)果顯示，陶瓷包覆板先從邊緣出現(xiàn)斷裂和粉碎現(xiàn)象，逐漸向中心發(fā)展，當(dāng)t＝60μs時(shí)，已基本破碎。鋼板與射流尾部作用為斷續(xù)干擾，而陶瓷板為連續(xù)干擾。

［1］Held M.Protection device against projectiles，especially shaped charges：Deutsches，2358277［P］.1973.

［2］Held M.Stopping power of explosive reactive armors against different shaped charge diameters or at different angles［J］.Propellants，Explosives，Pyrotechnics，2001，26：97－104.

［3］Held M.Momentum theory of explosive reactive armours［J］.Propellants，Explosives，Pyrotechnics，2001，26：91－96.

［4］Held M.Disturbance of shaped charge jets by bulging armour［J］.Propellants，Explosives，Pyrotechnics，2001，26：191－195.

［5］毛東方，李向東，宋柳麗.V型夾層炸藥對(duì)射流干擾的數(shù)值模擬［J］.爆炸與沖擊，2008，28（1）：86－91.Mao Dong－fang，Li Xiang－dong，Song Liu－li.Numeriacal simulation of disturbance by sandwich explosive on jet［J］.Explosion and Shock Waves，2008，28（1）：86－91.

［6］Kaufmann H，Koch A.Terminal ballistic effects of low density materials used as confinement plates for explosive reactive armor［C］∥Proceedings of the 22nd International Symposium on Ballistics.Vancouver，Canada，2005：405－412.

［7］Hazell P J，Lawrence T，Stennett C.The defeat of shaped charge jets by explosively driven ceramic and glass plates［J］.International Journal of Applied Ceramic Technology，2012，9（2）：382－392.

［8］王玲，鄭威，辛培訓(xùn)，等.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備及防護(hù)性能研究［J］.工程塑料應(yīng)用，2010，38（10）：27－30.Wang Ling，Zheng Wei，Xin Pei－xun，et al.Study on preparation and ballistic resistance of fiber reinforced composite［J］.Engineering Plastics Application，2010，38（10）：27－30.

［9］Lee E L，Tarver C M.Phenomenological model of initiation in heterogeneous explosives［J］.Physics of Fluids，1980，23（12）：2362－2369.

［10］Livermore Software Technology Corporation.LS－DYNA keyword user’s manual［M］.California：Livermore Software Technology Corporation，2001.