平頭彈對接觸式雙層靶板破壞模式的研究

孫章騰，劉兵

（西南科技大學土木工程與建筑學院，四川，綿陽621010）

平頭彈對接觸式雙層靶板破壞模式的研究

孫章騰，劉兵

（西南科技大學土木工程與建筑學院，四川，綿陽621010）

本文是研究接觸式雙層靶板對平頭彈的抗侵徹性能，實驗發現接觸式雙層靶的彈道極限高于相同厚度的單層靶，認為提高其彈道極限的原因是發生較大的彎曲變形，需要耗散更多的能量，塞塊增大靶板的有效厚度。以能量守恒定理及Chen和Li模型為理論基礎，提出平頭彈貫穿接觸式雙層金屬靶后的剩余速度的計算公式。在穿甲過程中，考慮塞塊對終點彈道性能產生的影響，對相關的平頭彈穿甲Weldox 700 E系列鋼靶的試驗數據進行分析比較。

平頭剛性彈；接觸式雙層金屬板；穿甲；剪切沖塞；塞塊

引言

由于動能彈的穿甲能力不斷提高，應用于軍事和民用的防護結構的抗侵徹性能要求越來越高。目前多數防護結構都采用金屬板的結構形式，為了提高金屬板的抗侵徹性能，學者們開始致力于研究雙層金屬靶板。在民用和軍事研究領域，平頭剛性彈侵徹單層金屬靶板的研究一直受到高度關注，Borvik等[1]研究了靶厚對彈道極限的影響,Dey等[2]分析了彈頭部形狀對終點彈道性能的影響,Chen和Li[3]建立了關于平頭彈撞擊單層金屬靶板的理論分析模型,后又討論了絕熱剪切帶對彈道極限的影響[4]，其他研究可參見文獻[5-8]。而關于雙層金屬靶板的研究深度和寬度遠不及單層靶，目前對雙層靶板的研究僅僅停留在實驗研究和數值模擬，理論分析方面的文獻極其有限，因此迫切需要建立關于雙層靶板破壞的理論模型。

近些年來，關于接觸式雙層靶的研究工作，Liu等[9]研究了材料的分層現象對彈道極限的影響，認為用多層復合靶板取代昂貴的厚靶板是一種經濟有效的手段；Liang等[10]認為雙層靶板中靶板分層厚度會影響終點彈道性能，發現第一層靶板厚度占總厚度為0.75時彈道極限最高，為0.5時則最低；Dey等[11]通過實驗發現了接觸式雙層靶與相同厚度的單層靶相比彈道極限增加近50%，這是由于接觸式雙層靶的變形和失效形式不同，除發生剪切沖塞破壞，平頭彈撞擊第一層靶的時候，第二層靶會阻止第一層靶的變形，耗散更多的能量，同時彈體需要貫穿的有效靶厚不但包括兩層靶板而且也包括第一層靶的沖塞，另外，他們對實驗進行了數值模擬，預測結果與實驗結果吻合；張偉等[12]通過實驗發現接觸式雙層靶（5+5 mm）的彈道極限是5 mm單層A3鋼靶的1.92倍，接觸式雙層靶的第2層靶發生了較大的結構變形，這種大的結構變形將吸收更多的能量，也進行了數值模擬，預測結果與實驗結果一致。

本文是在Chen和Li[3]模型的基礎上，結合能量守恒，明確提出平頭彈對接觸式雙層靶板破壞模型，并給出剩余速度的計算公式。以此為理論基礎，對Dey等[11]的平頭彈穿甲Weldox700E系列鋼靶的實驗數據進行系統的分析比較，討論接觸式雙層靶對終點彈道性能的影響。

1 分析模型

本文所討論的雙層靶均為接觸式雙層靶，平頭彈對接觸式雙層靶的破壞可分為兩個階段，即將平頭彈貫穿第一層靶作為第一階段，彈從靶中沖出塞塊，并與塞塊共速；彈與塞塊一起侵入并貫穿第二層靶作為第二階段，又從第二層靶中塞塊，這樣平頭彈貫穿雙層靶后形成兩個塞塊。

1.1 平頭彈對金屬靶的剪切沖塞

平頭彈撞擊金屬靶的問題，Chen和Li[3]利用剛塑性分析和動態空腔膨脹理論，建立了剪切沖塞模型，并考慮了局部撞擊響應和整體結構響應,Chen和Li[3]給出平頭彈穿甲中厚靶的彈道極限和剩余速度分別為：

1.2 對彎曲效應進行無量綱分析

利用剛塑性分析平頭彈對金屬靶破壞響應是一種比較有效的手段，當遇到高強度荷載作用時，能較好地顯現出彈作用于靶的效應。平頭彈撞擊金屬靶板，除剪切破壞外，針對不同厚度的靶板，還有靶板彎曲、膜力拉伸和局部壓入、侵徹等的作用。這里將靶板分為薄靶板、中厚靶板、厚靶板。對于薄靶板，結構響應的初級階段主要是橫向剪切變形，當靶板的變形與板的厚度相同時，彎曲效應出現之前橫向剪切終止，此時結構效應表現為膜效應；對于中厚靶板，結構響應包括剪切沖塞階段和彎曲響應階段；對于厚靶板，靶板的彎曲變形小，可忽略不計。當忽略靶板的膜效應時，在剪切沖塞和靶板彎曲過程中，彎曲鉸的位置是不變的。

Chen和Li[3]模型中彎曲鉸的位置需滿足：

1.3 平頭彈貫穿雙層靶后剩余速度首先通過2.1和2.2判斷實驗參數是否符合無量綱要求，確定其彈道極限，結合能量守恒來計算最終的剩余速度。

2 實驗分析

根據以上分析模型，本文對Dey等[11]的實驗數據作進一步分析，證實實驗中現象的存在。

Dey等[11]采用平頭彈穿甲（2×6 mm）接觸式雙層金屬靶。靶板采用Weldox 700E鋼靶，此種材料強度高、延性好；平頭彈采用高硬度（約1900 Mpa）材料,質量為197 g，直徑為20 mm，長度為80 mm。平頭彈除了初速不一樣，其他參數均相同。對于雙層靶由2.2中可知，2×6 mm雙層靶存在彎曲鉸，剪切沖塞過程中彎曲效應對靶板結構響應起著重要作用。

圖1給出了（2×6 mm）接觸式雙層金屬靶穿甲的終點彈道實驗數據，及由上述分析模型給出的理論預期。顯然，在低彈速范圍內，Weldox 700E靶材彈道極限的實驗結果與理論預期比較一致。在較高彈速存在一定的偏差，由于實驗本身的隨機性，但理論預期曲線的趨勢與實驗數據的相近，另外，凡是理論模型都有特定的適用范圍。

圖1 剩余速度的理論預期和實驗數據（Weldox 700E）

3 討論

在研究平頭彈貫穿穿透接觸式雙層靶的破壞模式時，傳統的理論模型是將接觸式雙層靶看作兩塊單層靶進行理論分析，應用單層靶的R-I公式[14]來計算最終的剩余速度。傳統理論模型忽略了平頭彈貫穿第一層金屬靶板時，第二層金屬靶板通過彎曲變形耗散能量，對第一層靶板的變形起到阻礙作用，從而提高彈道極限速度，因此通過傳統理論模型計算的終點剩余速度相對于實驗結果均偏高。本文考慮到雙層靶板之間的相互作用，沖出的塞塊對終點彈道性能也產生影響，通過能量法計算出貫穿第一層靶板后的剩余速度，應用Chen和Li[3]模型計算最終的剩余速度，得到了與實驗結果相近的理論預期。

5 結語

由于Chen和Li[3]模型對平頭彈貫穿單層金屬靶得到較好的理論預期，本文結合能量法是對Chen和Li模型進一步的拓展應用。以能量守恒和Chen和Li模型為理論基礎，明確提出平頭彈貫穿接觸式雙層靶后的剩余速度計算公式，并與實驗數據進行系統的分析比較。分析模型的理論預期與試驗結果吻合較好。接觸式雙層金屬靶的彈道極限高于相同厚度的單層靶，原因是靶板產生較大的彎曲變形，產生的塞塊使平頭彈貫穿第二層靶板的有效厚度增大。

注釋及參考文獻：

[1]Borvik T,Hopperstad OS,Langseth M,Malo KA．Effect of target thickness in blunt projectile penetration of Weldox 460E steel plates．International Journal of Impact Engineering[J]．2003,28(4):413-464．

[2]Dey S,Borvik T,Hopperstad OS,Leinum JR,Langseth M．The effect of target strength on the perforation of steel plates using three different projectile nose shapes．International Journal of Impact Engineering[J]．2004;30:1005-1038

[3]Chen XW,Li QM．Shear plugging and perforation of ductile circular plates struck by a blunt projectile．International Journal of Impact Engineering[J]．2003,28(5):513-536．

[4]Chen XW,Li QM,Fan SC．Initiation of adiabatic shear failure in a clamped circular plate struck by a blunt projectile．International Journal of Impact Engineering[J]．2005,31(7):877-893．

[5]Backman ME,Goldsmith W．Mechanics of penetration of projectiles into targets．International Journal of Engineering Science [J]．1978;16:1-99．

[6]Anderson Jr CE,Bodner SR．Ballistic impact:the status of analytical and numerical modeling．International Journal of Impact Engineering[J]．1988;7:9-35．

[7]Corbett GG，Reid SR and Johnson W．Impact loading of plates and shells by free-flying projectiles:a review．International Journal of Impact Engineering[J]．1996;18:141-230．

[8]Ben Dor G,Dubinsky A,Elperin T．Ballistic impact:recent advances in analytical modeling of plate penetration dynamics-a review．ASME Applied Mechanics Reviews[J]．2005,58(11):355-371．

[9]Liu D,Raju B．B,Dang X．Impact perforation resistance of laminated and assembled composite plates．International Journal of Impact Engineering[J]．2000,24:733-746．

[10]Liang C C,Yang M F,Wu P W,Tso L T．Resistant performance of perforation of multi-layered targets using an estimation procedure with marine application．International Journal of Impact Engineering[J]．2000,24:733-746．

[11]S．Dey,T．Borvik,X．Teng,T．Wierzbicki,O．S．Hopperstad．On the ballistic resistance of double-layered steel plates:An experimental and numerical investigation．International Journal of Solids and Structures[J]．2007,44:6701-6723．

[12]張偉，肖新科，郭子濤，等．雙層A3鋼靶對平頭桿彈的抗侵徹性能研究[J]．高壓物理學報，2012,26(2):163-170．

[13]Chen XW,Li QM．Deep penetration of a non-deformable projectile with different geometrical characteristics．International Journal of Impact Engineering[J]．2002,27(6):619-637．

[14]Recht RF,Ipson TW．Ballistic perforation dynamics．Journal of Applied Mechanics[J]．1963,30:385-391．

Perforation Modes of Double-layered Plates Struck by a Blunt Rigid Projectile

SUN Zhang-teng,LIU Bing
(School of Civil Engineering,Southwest University of Science&Technology,Mianyang,Sichuan 621010)

The thesis aims at exploring the perforation of double-layered plates in contact struck by a blunt rigid projectile.The experiment shows that the ballistic limit of a double-layered target is higher than a monolithic target’s.The thesis considers that the higher ballistic limit lies in the great bending deformation which requires moreenergy consumptions and the plug has extended the effective thickness of target.Based on the laws of conservation of energy and the model of Chen and Li,the calculation formula of residual velocity can be put forward after the blunt projectile penetrates the double-layered plate.In the process of armor-piercing,considering about the influence of the plug on the property of terminal ballistic limit,the thesis has compared and analyzed the relevant experimental data about blunt projectile piercing the plates from Weldox 700E series.

blunt rigid projectile；double-layered plates in contact；perforation；shear plugging；plug

O385

A

1673-1891（2015）03-0032-03

2015-04-27

孫章騰（1990-），男，工學碩士研究生，研究方向：土木工程-結構工程。