陶瓷復合靶板抗侵徹性能數值仿真

焦志剛，馬明超

(沈陽理工大學 裝備工程學院， 沈陽 110159)

早期的裝甲是由單一材料構成的均質靶板，后期誕生了間隔裝甲、復合裝甲、貧鈾裝甲、屏蔽裝甲、反應裝甲等一系列新型裝甲。其中復合靶板由多種不同材質的裝甲層通過粘合或是機械連接方法組成，具有良好的防御能力，較相同質量的均質靶板性能優良，但復合靶板較厚、成本也高，通常使用在戰車中彈率較高的位置。目前復合裝甲使用最多的材料是陶瓷/金屬，陶瓷/金屬復合裝甲以其高強度、低密度和抗侵徹性能好的特點，受到國內外高度重視[1]。

侯海量[2]通過彈道沖擊試驗探討了輕型陶瓷復合裝甲抗彈機理；杜忠華[3]研究了陶瓷和玻璃鋼厚度對復合裝甲抗侵徹性能的影響；井玉安[4]通過7.62 mm普通鋼芯彈侵徹鋼/Al2O3陶瓷/鋼復合裝甲試驗，優化了鋼/Al2O3陶瓷/鋼輕型復合裝甲板；賈鑫[5]基于Bernoulli方程推導了橡膠穿孔半徑以及運動速度的變化規律，對聚能裝藥垂直侵徹橡膠復合裝甲的作用過程進行了分析；戴耀[6]研究了在高速動能彈打擊下，不同夾層結構所構成的復合裝甲的抗彈性能，采用有限單元法及MSC軟件MSC.PATRAN和LS-DYNA進行數值模擬；過超強[7]用數值分析的方法研究了不同構型靶板在侵徹過程中對動能的吸收機理；Florence[8]基于彈靶系統動量和能量守恒得到了預測剛性平頭彈體正、斜侵徹陶瓷/金屬復合靶板的彈道極限速度解析表達式。本文通過AUTODYN-2D對不同材料的復合靶板的抗侵徹性能進行研究，對復合靶板的設計有一定的指導意義。

1 模型建立

1.1 有限元模型

陶瓷復合裝甲主要結構由三部分組成，如圖1所示。圖1中，面板為阻擋層,陶瓷材料具有高硬度和高強度的特點，可以使桿式彈發生質量侵蝕或斷裂，從而消耗它的后續動能[9]；夾層使用低硬度材料作為緩沖層，可以起到干擾射流、衰減應力波和阻燃的作用；背板作為復合靶板的主要抗侵徹結構，采用高強度的裝甲鋼材料。復合靶板平面尺寸為300 mm×300 mm，參考文獻[10]研究確定，三層靶板的厚度組合為2∶2∶1，如表1所示。

表1 靶板材料和厚度

簡化桿式彈模型，在有限元仿真軟件AUTODYN-2D中進行建模，采用7.62 mm直徑的鎢合金桿式彈(λ=12.2)對復合靶板的侵徹。為了減小計算量，基于整體模型的對稱性建立二分之一模型，如圖1所示。

對于高速碰撞問題，采用已經相對成熟的lagrange計算方法。在有限元模型對稱面施加對稱約束，復合靶板邊界施加固定約束。復合靶板網格最小尺寸為0.5 mm，為了保證計算精度和提高計算效率，靶板在距離侵徹中心網格劃分較密，較遠的區域應力應變影響相對較小，網格劃分逐漸稀疏，如圖2所示。為避免網格發生畸變導致計算錯誤，采用Geometric Strain侵蝕應變模型，刪除畸變網格。

1.2 材料模型

陶瓷面板材料采用多項式Polynomial狀態方程,對于脆性材料Al2O3陶瓷和SiC陶瓷均使用Johnson-Holmquist強度模型，其能夠較為準確地描述未損傷物質和損傷物質的強度，材料參數如表2所示，其中G為剪切模量，ρ為密度，A為無損標準強度參數，B為斷裂標準強度參數，M為斷裂強度指數，N為無損強度指數。夾層材料玻璃纖維和聚乙烯橡膠使用Shock狀態方程，玻璃纖維使用Piecewise JC強度模型和Plastic Strain失效模型，聚乙烯橡膠使用Johnson-Cook強度模型和用Hydro(Pmin)失效模型，如表3所示。鎢合金和裝甲鋼用Shock狀態方程和Johnson-Cook材料強度模型描述，鎢合金和裝甲鋼的材料模型參數如表4所示。

表2 陶瓷面板材料參數

表3 玻璃纖維和聚乙烯橡膠材料參數

表4 鎢合金和裝甲鋼材料參數

2 仿真結果與分析

使用AUTODYN-2D進行數值模擬，7.62 mm直徑的鎢合金桿式彈以1 100 m/s著速沿法線方向侵徹150 mm厚復合靶板，其中五種復合靶板材料可以組成四種方案：1) Al2O3陶瓷、玻璃纖維和裝甲鋼；2) SiC陶瓷、玻璃纖維和裝甲鋼；3) Al2O3陶瓷、聚乙烯橡膠和裝甲鋼； 4) SiC陶瓷、聚乙烯橡膠和裝甲鋼。

方案1靶板損傷云圖如圖3所示。方案1中Al2O3陶瓷面板形成的穿孔是桿式彈直徑的兩倍，陶瓷面板在桿式彈的高速沖擊下，接觸面出現陶瓷被壓潰，發生破碎、飛濺現象，應力波的傳播，使陶瓷面板形成向中心外擴展的錐形裂紋(又稱Hertzian錐形裂紋)，軸向和徑向裂紋的不斷擴展，形成陶瓷錐，如圖3(a)所示；陶瓷面板裂紋的增加是伴隨整個穿甲過程的，侵徹完成桿式彈質量損失嚴重，玻璃纖維夾層變形較小，孔徑和桿式彈直徑相近，裝甲鋼背板產生沖塞破壞同時吸收大部分桿式彈動能，如圖3(b)所示。

方案2靶板損傷云圖如圖4所示。方案2中SiC陶瓷面板的穿孔是桿式彈直徑的3倍，整個穿孔呈漏斗狀，陶瓷面板層裂紋較少，如圖4(a)所示；玻璃纖維夾層的穿孔形狀和方案1中夾層穿孔形狀相近，桿式彈并未穿透裝甲鋼背板，裝甲鋼背板背面形成8 mm高的鼓包，如圖4(b)所示。

方案3靶板損傷云圖如圖5所示。方案3中Al2O3陶瓷面板的損傷和方案1中面板相近，同樣形成破碎錐角，大范圍裂紋，如圖5(a)所示；較多的陶瓷碎片飛濺和桿式彈侵徹導致聚乙烯橡膠夾層上部失效形成大孔徑的穿孔，裝甲鋼剪切穿孔形成沖塞破壞，如圖5(b)所示。

方案4靶板損傷云圖如圖6所示。方案4中SiC陶瓷面板的破壞形式與穿孔形狀與方案2中一致，未產生大量裂紋；由于飛濺的陶瓷碎片較少聚乙烯橡膠夾層進口并未受到方案3那種破壞，未穿透裝甲鋼背板且背面鼓起12 mm高的鼓包。

不同靶板材料的抗侵徹性能是不同的，四種方案的仿真結果得出：SiC陶瓷材料在抗高速沖擊時產生裂紋少，形成的陶瓷錐角較小；Al2O3陶瓷材料受到沖擊時產生碎片和裂紋較多，背面產生較大的陶瓷破碎錐角；玻璃纖維只形成桿式彈直徑大小的穿孔，并未受到較大破壞；聚乙烯橡膠受到破壞較大，形成較大的孔徑。不同方案靶板侵徹速度曲線圖如圖7所示，四種方案中桿式彈速度衰減趨勢相同。在著速1 100 m/s時方案2和方案4的復合靶板并未穿透，再以1 130 m/s的速度侵徹方案2和方案4的復合靶板，方案2的靶板并未穿透，方案4的靶板穿透，說明方案4靶板達到臨界速度1 130 m/s，如圖8所示。

防護系數是裝甲結構單元的抗彈能力(以標準均質鋼裝甲厚度計)與該裝甲結構單元的等重穿深之比[11]。

特種裝甲等重穿深計算公式：

(1)

式(1)中：Z為等重穿深(mm)；δi為第裝甲層的垂直厚度(mm)；ρi為第裝甲層的平均密度(kg/m3)；7850為標準均質鋼裝甲的密度(kg/m3)；α為傾角(°)。

特種裝甲防護系數計算公式：

(2)

式(2)中:N為防護系數；Pb為試驗用彈對標準均質鋼裝甲的穿深(mm)；Z為等重穿深(mm)。

表4 四種方案的防護系數

3 結論

1) 以Al2O3陶瓷或SiC陶瓷為面板、聚乙烯橡膠或玻璃纖維來夾層、裝甲鋼為背板組成的復合裝甲結構，能夠顯著提高抗侵徹性，降低裝甲的總重量。

2) SiC陶瓷面板復合靶的防護性能優于Al2O3陶瓷面板復合靶，玻璃纖維夾層復合靶的防護性能優于聚乙烯橡膠夾層復合靶。

3) SiC陶瓷/玻璃纖維/裝甲鋼組合復合靶板靶板面損傷范圍小，抗侵徹性能最好，防護系數為1.05。