TC動能彈斜侵徹復合裝甲的數值模擬分析

李小軍，李 偉，王維占，楊寶良，陳智剛，趙太勇，印立魁

(1.軍事科學研究院 防化研究院， 北京 102205； 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.西安現代控制技術研究所, 西安 710065)

陶瓷因為其高硬度、高強度、耐腐蝕、高耐磨性和密度小等優點，被廣泛用作裝甲防護材料。近年來，國內外學者對陶瓷材料的抗侵徹特性從實驗、理論分析、數值模擬等方面展開深入的研究[1-6]。與此同時，新型動能彈丸侵徹技術也在同步發展，針對陶瓷高速侵徹技術，國內外學者結合陶瓷抗彈機理進行了大量的理論與實驗研究。李鴿等[7]展開了14.5 mm TC動能彈侵徹陶瓷復合靶的實驗研究，得出TC動能彈對陶瓷復合裝甲的侵徹能力明顯優于制式彈；胡迪奇等[8-11]進行了TC復合彈侵徹多層A3鋼靶及陶瓷復合裝甲的試驗與仿真研究，發現TC彈頭可較好地保護彈芯，其侵徹效能優于傳統制式彈；易榮成等[12-14]針對陶瓷復合彈的結構性能及對靶板的沖擊特性開展研究，發現TC彈丸的初速及結構特性對目標毀傷有重要影響。

上述研究多是基于正侵徹下陶瓷彈體對陶瓷復合靶板破壞研究，受戰爭環境諸多因素影響，斜侵徹條件下對復合靶板破壞狀況較多，故研究TC動能彈斜侵徹陶瓷復合靶板對深入陶瓷復合靶板防護性能研究具有一定的現實意義。

本文在14.5 mm TC動能彈及制式彈正侵徹陶瓷復合裝甲試驗的基礎上，利用AUTODYN軟件進行動能彈穿甲過程數值模擬，研究7.62 mm TC動能彈對不同斜置角度下陶瓷復合靶毀傷效能，并與7.62 mm制式彈侵徹威力進行比較。最后分析并對比了TC動能彈與制式彈對不同斜置角度下陶瓷復合靶的彈道極限規律。研究結論可為彈丸優化設計提供參考依據。

1 研究現狀

依托中北大學地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室開展的14.5 mm TC動能彈[7]與制式彈侵徹陶瓷復合裝甲的試驗結果展開研究分析，試驗與數值模擬靶板破壞圖及彈丸殘體圖如圖1、圖2所示。

圖1 14.5 mm制式彈

圖2 14.5 mm TC動能彈

由圖1、圖2可知，基于SPH方法數值模擬結果與試驗結果較為符合，驗證了基于SPH方法數值模擬的可靠性。可知TC動能彈可較好地保護彈芯的完整性，且相對于制式彈能提高對復合裝甲的侵徹威力。基于上述研究結果，開展了7.62 mm TC動能彈侵徹陶瓷復合裝甲的數值模擬研究，將7.62 mm制式彈頭部改換為形狀一致的氧化鋯陶瓷彈頭，以與制式彈相同的動能侵徹不同斜置角度下陶瓷復合裝甲，分析其毀傷效能。同時對不同斜置角度復合裝甲的彈道極限進行研究。

2 TC動能彈與制式彈計算方案

本研究采用總厚度為12 mm的復合裝甲，由陶瓷面板、背靶組成，其對應厚度分別為H1=6 mm、H2=6 mm，背靶材料選用603裝甲鋼，表面靶選用Al2O3陶瓷面板。定義復合裝甲斜置角度為子彈軸線方向與靶板法線方向夾角θ。圖3為動能彈結構示意圖。

圖3 7.62 mm制式彈及TC動能彈結構示意圖

采用TUREGRID軟件建立有限元模型，為節約計算時間，采用1/2結構建立三維有限元模型，并設置對稱約束條件于1/2模型的對稱面上。計算網格均采用Solid164八節點六面體單元，7.62 mm子彈及陶瓷面板采用SPH算法，并在模型的邊界粒子上施加壓力流出邊界條件，等效為周向應力約束效應[15-16]。本文算例中，制式彈被甲材料采用H90銅，鋼芯采用35CrMnSi鋼，鉛套采用金屬鉛。所有金屬材料模型都采用JOHNSON-COOK材料模型和GRUNEISEN狀態方程，TC彈頭采用ZrO2增韌陶瓷材料，，其與Al2O3陶瓷面板采用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS材料模型,材料參數見文獻[9]。其他材料參數具體參見文獻[17-18]。

3 計算分析

3.1 數值模擬

通過調整復合裝甲的斜置角度依次為0° 、5°、10°、15°、20°、25 °、30°、35°、40°、45°。以制式彈為基準，保證兩者動能相同，對制式彈以850 m/s的速度，TC動能彈以900 m/s的速度，侵徹復合裝甲過程展開數值模擬，并對數值模擬結果中的鋼芯偏轉角度，背靶侵深及彈道極限等性能參數進行分析。

由表1結合圖4～圖6可知，在復合靶板斜置角度45°范圍內時，TC動能彈對復合靶的侵徹效能即對背靶的侵深明顯高于制式彈，隨著斜置角度的增加，TC彈頭對陶瓷面板的法向沖擊力逐漸減小，且由于陶瓷抗剪特性較差，TC彈頭由壓縮斷裂逐漸向剪切斷裂趨勢變化，其對陶瓷面板的破壞程度降低，當斜置角度大于30°時，TC動能彈整體侵徹威力快速減小，其較小速率遠大于制式彈； TC動能彈鋼芯完整度要高于制式彈，這是因為TC彈頭避免了鋼芯與陶瓷面板的直接接觸，減小了其質量侵蝕。TC動能彈和制式彈對陶瓷復合靶板的彈道極限隨斜置角度的增加均呈指數型增加，TC動能彈的增加速率小于制式彈，可見靶板斜置角度在一定范圍內時，改用TC彈頭利于侵徹能力的提高。

表1 7.62 mm TC動能彈/制式彈對斜置靶板的侵徹結果

注：θ為靶板斜置角度，h為背靶侵深，Φ為彈丸鋼芯偏角，V50為彈道極限(定義：嵌入靶板的最大速度與貫穿靶板的最小速度的平均值)

圖4 斜置角度-彈芯偏角關系

圖5 斜置角度-背靶侵深的關系

圖6 斜置角度-彈道極限關系

由圖7和圖8可知，TC動能彈鋼芯較制式彈鋼芯完整，因其鋼芯的尖卵型頭部較為完整，對背靶的侵徹多為嵌入型開孔形態，而制式彈對背靶的破壞多為隆起鼓包型形態。TC動能彈在靶板斜置角度為45°時，發生跳彈現象，而制式彈在靶板斜置角度為35°時，發生跳彈現象，可見TC動能彈較制式彈在同一靶板斜置角度下發生跳彈的概率更小。對比TC動能彈與制式彈鋼芯偏轉角度也可知，隨靶板斜置角度的增加，兩種彈丸鋼芯近似指數型增加，制式彈鋼芯偏角增大速率大于TC動能彈，靶板斜置角度大于30°時，制式彈鋼芯偏角大于TC動能彈。由此可知，靶板斜置角度在一定范圍內，采用TC彈頭不僅能保護鋼芯完整度，提高對復合靶的侵徹威力，且能降低其穿靶偏轉角度，進而降低跳彈概率。

圖7 靶板不同斜置角度下的破壞圖(TC彈)

圖8 靶板同斜置角度下破壞圖(制式彈)

3.2 理論分析

當彈丸以較高的速度撞擊靶板時，在沒有發生沖擊相變的相當寬的壓力范圍內，撞擊點處形成了一個很高的壓力區，根據撞擊時的動量守恒定律和界面上的連續條件，在撞擊點的壓力可以表示為[10]：

PP=ρP(αP+bPuP)uP

(1)

Pc=ρc(αc+bcuc)uc

(2)

由牛頓第三定律可知：

Pc=PP

(3)

其中：PP、uP分別為作用在彈丸上的沖擊壓力和質點速度；Pc、uc分別為作用在陶瓷面板上的沖擊壓力和質點速度；aP、bP和ac、bc分別為彈丸和陶瓷面板的Hugoniot材料參數[11-15]，如表2所示。而撞擊界面上的真實速度為

vP=uP+uc

(4)

式中，vP為彈丸的著靶速度。

表2 Hugoniot材料參數

由式(1)、式(3)、式(4)可求解

(5)

其中

A=ρcbc-ρPbP

B=-(2ρcβcυp+ρPaP+ρcac)

C=(ρcbcυp+ρcac)vP

利用式(1)、式(3)、式(5)可分別求解當制式彈撞擊RHA與陶瓷復合靶時作用在彈丸上的壓力。

在TC彈與制式彈動能相同的條件下，利用式(1)～式(5)計算可求出彈丸撞擊陶瓷面板的沖擊應力，TC彈比制式彈高出1.56 GPa，可見TC彈對陶瓷復合靶板具有較好的毀傷優勢。

4 結論

1) TC動能彈不僅能夠減小子彈鋼芯穿靶偏轉角度，提高彈道準直性，且能夠降低跳彈概率，增加對陶瓷復合靶板的毀傷應力。

2) TC動能彈與制式彈對陶瓷復合裝甲的彈道極限均呈指數型增長，且TC動能彈的增加速率低于制式彈。