彈體侵徹陶瓷/纖維織物復(fù)合靶體研究進(jìn)展綜述

韓 冰

(解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

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彈體侵徹陶瓷/纖維織物復(fù)合靶體研究進(jìn)展綜述

韓 冰

(解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

介紹了陶瓷/纖維織物復(fù)合材料密度低、硬度高、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，從實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論研究三方面，綜合論述了國(guó)內(nèi)外近二十多年來(lái)關(guān)于陶瓷纖維織物復(fù)合材料的抗沖擊侵徹問(wèn)題的研究成果，為陶瓷材料抗侵徹問(wèn)題的深入研究提供參考。

陶瓷復(fù)合靶體，JH本構(gòu)模型，纖維材料，侵徹深度

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 陶瓷/纖維織物復(fù)合材料

纖維材料具有高強(qiáng)度、高模量以及低密度和耐高溫等優(yōu)異的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，同時(shí)在彈體高速侵徹作用條件下，高性能纖維材料的拉伸與斷裂能吸收彈體大量的沖擊能，因此纖維材料在裝甲設(shè)計(jì)日趨輕型化的實(shí)戰(zhàn)要求下越來(lái)越受到人們的關(guān)注和青睞，其材料組成的多樣化也使其在防彈復(fù)合材料上具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

已有對(duì)陶瓷纖維復(fù)合靶體的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：1)在給定靶體整體厚度或面密度的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變前后靶板厚度比來(lái)提高靶體彈道性能；2)粘結(jié)層材料對(duì)靶體整體彈道性能的影響；3)彈體正侵徹與斜侵徹靶體的對(duì)比；4)其他因素，如固有缺陷等對(duì)靶體彈道性能的影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)研究

兩靶板之間的夾層會(huì)顯著改變應(yīng)力波的傳播性質(zhì)從而導(dǎo)致整個(gè)靶體彈道性能的改變。Tasdemirci等[1]對(duì)橡膠、聚四氟乙烯和泡沫鋁三種夾層材料對(duì)陶瓷纖維復(fù)合靶體彈道性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)得出：橡膠夾層對(duì)減少應(yīng)力傳遞沒(méi)有太大作用；當(dāng)無(wú)夾層或有橡膠夾層時(shí)，陶瓷面板的破壞高度集中在彈體作用區(qū)域，且多呈現(xiàn)大塊破裂；聚四氟乙烯和泡沫鋁夾層大幅減少了應(yīng)力傳遞，使陶瓷破壞區(qū)域呈放射狀延伸，且陶瓷靶板呈碎片狀破壞。

Hetherington等[2]研究了彈體侵徹陶瓷纖維復(fù)合靶體中的能量吸收問(wèn)題。對(duì)于陶瓷/玻璃纖維復(fù)合靶體，設(shè)計(jì)了12組M33球形彈侵徹實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了靶體能量吸收量與面密度之間的關(guān)系，提出了靶體單位面密度能量吸收量的概念，并得到了它與前后靶板厚度比之間的關(guān)系。

1.3 理論分析

Feli等[3]對(duì)鈍頭彈侵徹陶瓷/多層平面編織纖維復(fù)合靶體進(jìn)行了理論研究。對(duì)Chocron-Galvez理論模型進(jìn)行了一系列修正，新的理論模型可以得到彈體的速度時(shí)程、殘余速度和侵徹深度等數(shù)據(jù)。

Chocron等[4]對(duì)彈體侵徹陶瓷纖維復(fù)合靶體給出了一種新的理論分析模型。模型將侵徹過(guò)程分為三個(gè)階段：陶瓷靶板完整階段、陶瓷靶板破裂和纖維靶板初始響應(yīng)階段、纖維響應(yīng)和破壞階段。結(jié)合模型假設(shè)，對(duì)彈體、陶瓷靶板和纖維靶板在侵徹過(guò)程中的速度或能量變化以及相互之間的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系給出了一系列簡(jiǎn)明計(jì)算公式。基于能量分析，給出了破壞常數(shù)R的概念。理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，兩者就彈體殘余速度和殘余長(zhǎng)度而言吻合較好；與數(shù)值模擬結(jié)果作比較，除彈體以接近彈道極限速度侵徹靶體外，兩者就彈體殘余速度而言吻合較好。

Ben-Dor等[5]對(duì)彈體侵徹陶瓷纖維復(fù)合靶體進(jìn)行了分析優(yōu)化，在給定靶體面密度的情況下，通過(guò)對(duì)靶板厚度的優(yōu)化得到彈道極限速度的最大值。引入無(wú)量綱分析，得到彈道極限速度的最優(yōu)解是兩個(gè)無(wú)量綱變量的函數(shù)，并且給出了在給定面密度的情況下陶瓷靶板厚度以及彈道極限速度的最優(yōu)解。同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)靶板厚度在最優(yōu)解附近一定范圍內(nèi)取值時(shí)，并不會(huì)影響靶體整體的防護(hù)性能。

1.4 數(shù)值模擬研究

Krishnan等[6]利用有限元模型對(duì)陶瓷纖維復(fù)合靶體抗彈體侵徹作用進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究首先揭示了陶瓷靶板的破壞機(jī)理，即當(dāng)彈體作用在陶瓷靶板表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生在靶板內(nèi)傳播的壓縮波，這些壓縮波傳遞到陶瓷靶板與纖維復(fù)合材料靶板的交界面時(shí)會(huì)以拉伸波的形式反射，當(dāng)拉伸波的強(qiáng)度大于材料的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí)，放射狀裂紋就會(huì)在陶瓷靶板底部產(chǎn)生，同時(shí)在彈體作用區(qū)域會(huì)從上至下形成一個(gè)圓錐體破裂面。當(dāng)陶瓷靶板與柔性材料靶板結(jié)合時(shí)，部分壓縮波也會(huì)傳遞到柔性材料上，壓縮波傳遞量與柔性材料的機(jī)械阻抗和粘結(jié)層厚度有關(guān)。在模型選擇方面，用四面體元對(duì)彈體進(jìn)行嚙合，用八節(jié)點(diǎn)六面體單元對(duì)陶瓷材料進(jìn)行嚙合，用JH-2模型描述陶瓷材料的力學(xué)性質(zhì)，通過(guò)侵深測(cè)試來(lái)修正JH-2模型的材料強(qiáng)度和破壞參數(shù)；一種自定義的非線性正交模型用來(lái)對(duì)纖維材料靶板進(jìn)行模擬并假設(shè)在垂直靶板厚度方向的平面內(nèi)，材料性質(zhì)具有各項(xiàng)同性；數(shù)值模擬中，在保持靶體面密度相同的情況下，給出三種不同的陶瓷和纖維復(fù)合材料配置方法，結(jié)果顯示靶體的防護(hù)作用隨陶瓷材料占比的下降而下降，當(dāng)陶瓷材料占比達(dá)到70%時(shí)，彈芯動(dòng)能的75%在侵徹陶瓷靶板時(shí)被耗散。

Hassan等[7]用有限元方法對(duì)靶體在彈體高速侵徹作用下的彈道性質(zhì)進(jìn)行了研究。在LS-DYNA3D中為陶瓷、橡膠、復(fù)合材料和彈體材料選擇材料模型。實(shí)驗(yàn)中，使用質(zhì)量為14.0 g的破片模擬彈，彈體沖擊初速為610 m/s。通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)動(dòng)能下降的速率高于內(nèi)能增加的速率。由于靶體在彈體作用區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)生了質(zhì)量損耗，因此靶體系統(tǒng)總能量下降。分析法向應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)法向應(yīng)力最大值處不在彈體頂端，而在接近彈體侵徹造成孔洞的邊緣處，三種材料有各自的法向應(yīng)力峰值，陶瓷面板內(nèi)的法向應(yīng)力最大，同時(shí)得出橡膠與復(fù)合材料交界面始終承受法向壓應(yīng)力。

Ong等[8]對(duì)單兵裝甲進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)中以AISI40鋼板作為參照靶體，此外設(shè)計(jì)了兩種靶體，一是陶瓷/超強(qiáng)聚乙烯纖維Dyneema HB25復(fù)合靶體，二是陶瓷/超強(qiáng)聚乙烯纖維Dyneema HB25/聚氨酯PI/鋁板復(fù)合靶體。彈體為圓柱形，彈長(zhǎng)25.4 mm，彈徑7.49 mm。使用AUTODYN進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬中，首先用A2鋼芯彈侵徹AISI40鋼板，彈體初速484 m/s，鋼板厚度5 mm，發(fā)現(xiàn)彈體完全貫穿鋼板，殘余速度137 m/s，比實(shí)驗(yàn)結(jié)果118 m/s略大；用同種彈體侵徹第一種復(fù)合靶體，彈體初速483 m/s，模擬結(jié)果顯示彈體在0.32 ms后速度降為0，Dyneema纖維材料出現(xiàn)分層和明顯的變形，但未出現(xiàn)剪切破壞；對(duì)第二種靶體進(jìn)行模擬，彈體在0.20 ms后速度降為0。PI泡沫板完全破裂，Dyneema纖維材料分層，陶瓷板出現(xiàn)脆性破裂。

Tan[9]對(duì)預(yù)先存在分層現(xiàn)象的陶瓷纖維復(fù)合靶體進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。設(shè)置四種靶體情況，分別是無(wú)分層現(xiàn)象和分層處距離Kevlar背靶板前端0 mm，1 mm，7 mm。通過(guò)數(shù)值模擬得到了彈道極限速度Vbl、背靶板最大形變量MAXBFD與分層尺寸、彈體直徑和粘結(jié)層厚度之間的關(guān)系。數(shù)值模擬結(jié)果顯示：1)Vbl值隨δv，Rv和Lv值的減小而增大，MAXBFD值隨δv和Rv值的減小而減小，隨Lv值的增大而減小；2)對(duì)于相同質(zhì)量的鋼芯彈，彈徑越大時(shí)侵徹導(dǎo)致Vbl值越大而MAXBFD值減小；3)粘結(jié)層厚度的減小會(huì)使得Vbl值增大、MAXBFD值減小。

2 工作展望

在對(duì)國(guó)內(nèi)外近二十多年來(lái)關(guān)于陶瓷纖維織物復(fù)合材料的抗沖擊侵徹問(wèn)題的研究成果進(jìn)行歸納總結(jié)后，下一步擬針對(duì)長(zhǎng)桿彈高速侵徹陶瓷纖維復(fù)合靶體開(kāi)展數(shù)值模擬研究。為確定各類陶瓷材料的JH模型參數(shù)，一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)就是結(jié)合彈塑性力學(xué)理論確定陶瓷材料在準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)條件下的各類參數(shù)，通過(guò)加載卸載實(shí)驗(yàn)得到JH-2模型中等效應(yīng)力與壓力的關(guān)系曲線以及壓力與體應(yīng)變的關(guān)系曲線等。在此基礎(chǔ)上再對(duì)參數(shù)敏感性進(jìn)行討論，對(duì)現(xiàn)有參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修正使其更加符合彈道實(shí)驗(yàn)實(shí)際。

[1] Tasdemirci A,Tunusoglu G,Güden M.The effect of the interlayer on the ballistic performance of ceramic/composite armors:Experimental and numerical study[J].Int.J.Impact.Eng,2012(44):1-9.

[2] Hetherington J G,Rajagopalan B P.An investigation into the energy absorbed during ballistic perforation of composite armours[J].Int.J.Impact.Eng,1991,11(1):33-40.

[3] Feli S,Yas M H,Asgari M R.An analytical model for perforation of ceramic/multi-layered planar woven fabric targets by blunt projectiles[J].Composite Structures,2011(93):548-556.

[4] Chocron Benloulo I S,Sánchez-Gálvez V.A new analytical model to simulate impact onto ceramic/composite armors[J].Int.J.Impact.Eng,1998,21(6):461-471.

[5] Ben-Dor G,Dubinsky A,Elperin T.Optimization of two-component composite armor against ballistic impact[J].Composite Structures,2005(69):89-94.

[6] Krishnan K,Sockalingam S,Bansal S,et al.Numerical simulation of ceramic composite armor subjected to ballistic impact[J].Composites:Part B,2010,41(8):583-593.

[7] Mahfuz Hassan,Zhu Y H,Haque Anwarul,et al.Investigation of high-velocity impact on integral armor using finite element method[J].Int.J.Impact.Eng,2000,24(2):203-217.

[8] Ong C W,Boey C W,Robert S Hixson,et al.Advanced layered personnel armor [J].Int.J.Impact.Eng,2011,38(5):369-383.

[9] Tan P.Numerical simulation of the ballistic protection performance of a laminated armor system with pre-existing debonding/delamination[J].Composites:Part B,2014(59):50-59.

Review on the research process of projectile penetration ceramic / fiber fabric composite target

Han Bing

(National Defense Engineering School, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

This paper introduced the low density, high hardness, high temperature resistance, corrosion resistance and other advantages of ceramic fiber fabric composite material, from the experiment, numerical simulation and theoretical research three aspects, comprehensively discussed the research results of anti impact penetration problems of ceramic fiber fabric composite material domestic and international recent more than and 20 years, provided reference for further research on ceramic material anti penetration problem.

ceramic composite target, JH constitutive model, fiber material, penetration depth

1009-6825(2017)08-0118-03

2017-01-06

韓 冰(1992- )，男，在讀碩士

TU531

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