多層橡膠陶瓷復(fù)合裝甲的抗侵徹性能研究

李 坤，高旭東，董曉亮

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

1 引言

相比于傳統(tǒng)均質(zhì)鋼裝甲，陶瓷復(fù)合裝甲具有面密度低、沖擊吸能高、防護(hù)性能好等優(yōu)點(diǎn)，在裝甲防護(hù)結(jié)構(gòu)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。但是陶瓷材料具有斷裂韌性低和塑性差的特點(diǎn)，嚴(yán)重影響了陶瓷防護(hù)性能的提高。針對(duì)如何提高陶瓷復(fù)合裝甲的防護(hù)能力的問題，學(xué)者們開展了大量的研究。

李茂[1]基于均質(zhì)鋼板、聚脲涂層材料和SiC陶瓷材料設(shè)計(jì)了4種聚脲涂覆復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)，開展近炸下復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)毀傷特性試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)聚脲涂覆復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能明顯優(yōu)于多層均質(zhì)鋼裝甲，增加陶瓷厚度比增加背板和前面板厚度對(duì)整體防護(hù)效能更有效。 董彬[2]從陶瓷面板和復(fù)合材料背板彈道吸能角度討論了陶瓷/纖維復(fù)合裝甲的抗彈機(jī)理，并基于此理論綜述了陶瓷面板、復(fù)合材料背板、界面黏結(jié)層等因素對(duì)陶瓷復(fù)合裝甲抗彈性能的影響規(guī)律。包闊[3]基于剩余穿深方法開展了碳化硼及復(fù)合靶抗12.7 mm穿甲燃燒彈侵徹的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究，重點(diǎn)研究了靶板配置、背板厚度及種類對(duì)復(fù)合靶抗彈能力的影響。焦志剛[4]通過數(shù)值模擬的方法建立了7.62 mm的鎢合金桿式彈侵徹150 mm厚度復(fù)合靶板的有限元模型，研究了陶瓷為面板，橡膠或玻璃纖維為夾層，裝甲鋼為背板的不同組合復(fù)合靶的抗彈性能，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維作為夾層的陶瓷復(fù)合裝甲防護(hù)性能較好。杜忠華[5]研究了裝甲鋼為面板、陶瓷、玻璃纖維和裝甲鋼為背板的復(fù)合裝甲抗長桿彈侵徹性能的影響，結(jié)果表明相對(duì)較大的陶瓷厚度有利于提高復(fù)合裝甲的抗穿甲能力。Wilkins[6]通過用7.62 mm口徑模擬彈代替穿甲燃燒彈，對(duì)碳化硼/鋁復(fù)合靶進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)。Florence[7]以彈體靶板系統(tǒng)動(dòng)量和能量守恒推導(dǎo)出了剛性平頭彈體正侵徹和斜侵徹陶瓷/金屬復(fù)合靶板的極限彈道速度解析表達(dá)式。

前人的研究都是通過對(duì)增加陶瓷復(fù)合裝甲中某層材料厚度和改變裝甲材料來提升復(fù)合裝甲的抗彈能力，并沒有考慮復(fù)合裝甲中存在傾斜的材料結(jié)構(gòu)層對(duì)抗彈能力的影響。作者通過對(duì)國外某主戰(zhàn)坦克的解密資料研究發(fā)現(xiàn)[8]，某主戰(zhàn)坦克的炮塔側(cè)面裝甲是一種多層橡膠傾斜布置的陶瓷復(fù)合裝甲的特殊結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)據(jù)稱能具有優(yōu)越的抗彈性能[9]。本文結(jié)合裝甲資料設(shè)計(jì)了一種多層橡膠陶瓷復(fù)合裝甲的結(jié)構(gòu)，利用這種特殊的結(jié)構(gòu)開展多層橡膠陶瓷復(fù)合裝甲對(duì)穿甲彈在不同著角情況下抗彈性能的研究。

2 彈靶模型的建立

2.1 有限元模型

多層橡膠陶瓷復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)可以分為3個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 多層橡膠陶瓷復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)示意圖

第1層結(jié)構(gòu)為裝甲鋼面板1。第2層結(jié)構(gòu)為多層橡膠復(fù)合裝甲層，這層結(jié)構(gòu)由單層橡膠復(fù)合裝甲以一定的傾角排列組合而成，相鄰的單層橡膠復(fù)合裝甲之間存在空氣間隙，其中單層橡膠復(fù)合裝甲的結(jié)構(gòu)為裝甲鋼+橡膠+裝甲鋼。第3層結(jié)構(gòu)為陶瓷復(fù)合裝甲層，這層結(jié)構(gòu)具體為裝甲鋼面板2+陶瓷層+裝甲鋼背板。每層結(jié)構(gòu)的尺寸如下：第1層面板尺寸為300 mm×150 mm；第2層單層橡膠復(fù)合裝甲每層結(jié)構(gòu)的尺寸為100 mm×150 mm，與水平面的夾角為35°，相鄰的單層橡膠復(fù)合裝甲之間的空氣間隙為2 mm；第3層結(jié)構(gòu)的面板2、陶瓷、背板尺寸為300 mm×150 mm。靶板各層材料和厚度如表1所示：

表1 靶板材料和厚度

本研究采用球頭長桿式穿甲彈[10]對(duì)靶板進(jìn)行侵徹，長度為67.07 mm，直徑為6.33 mm，長徑比為10.6。彈體材料為鎢合金，密度為17.45 g/cm3，頭部為半球形，質(zhì)量為36.44 g，如圖2所示。

圖2 球頭長桿式穿甲彈示意圖

利用LS-DYNA有限元軟件，建立穿甲彈侵徹多層橡膠陶瓷復(fù)合裝甲的有限元模型。穿甲彈和多層橡膠陶瓷復(fù)合裝甲部分是利用三維Lagrange網(wǎng)格建模，單元之間采用拉格朗日算法來分析穿甲彈與多層橡膠陶瓷復(fù)合裝甲的相互作用過程。彈體和靶板的邊界條件采用SPC_SET來控制，彈體采用內(nèi)部單元自接觸AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，靶板采用內(nèi)部各單元之間內(nèi)部自接觸AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，彈體和靶板之間采用ERODING_SURFACE_TO_SURFACE侵蝕接觸。考慮網(wǎng)格數(shù)量與計(jì)算時(shí)間的關(guān)系，多層橡膠裝甲層采用二分之一模型進(jìn)行建模，面板1和陶瓷復(fù)合層采用四分之一模型進(jìn)行建模。采用復(fù)合靶板的網(wǎng)格最小尺寸為0.05 mm，為了保證計(jì)算的精度和縮短計(jì)算時(shí)間，靶板在距離穿甲彈侵徹中心的網(wǎng)格劃分較密，由于距離較遠(yuǎn)的區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變受侵徹影響較小，網(wǎng)格劃分逐漸稀疏。穿甲彈和復(fù)合靶板的組成效果如圖3所示有限元模型。

圖3 多層橡膠陶瓷復(fù)合裝甲有限元模型示意圖

2.2 材料模型

彈體采用鎢合金材料，材料模型使用Johnson-Cook強(qiáng)度模型和Gruneisen狀態(tài)方程[11]。面板1、橡膠面板、橡膠背板、面板2和背板材料采用616裝甲鋼，采用Johnson-Cook強(qiáng)度模型和Gruneisen狀態(tài)方程。多層橡膠復(fù)合裝甲中的橡膠使用的材料是天然橡膠6744，采用Ogden強(qiáng)度模型，參數(shù)來自于文獻(xiàn)[12]。陶瓷材料使用碳化硼陶瓷，采用Johnson-Holmquist強(qiáng)度模型[13]。表2、表3和表4分別給出了鎢合金和616裝甲鋼、天然橡膠6744和碳化硼陶瓷的材料參數(shù)。

表2 鎢合金和616裝甲鋼的材料參數(shù)

表3 天然橡膠6744的材料參數(shù)

表4 碳化硼陶瓷的材料參數(shù)

3 彈靶侵徹?cái)?shù)值模擬

3.1 不同著角彈體侵徹速度變化數(shù)值模擬分析

在相同初速的條件下，通常用穿甲彈的剩余速度來評(píng)估靶板的防護(hù)性能。彈體初速為1 300 m/s，表5表示彈體在不同著角的情況下侵徹多層橡膠陶瓷復(fù)合裝甲的剩余速度。從表中可以看出，在相同的初速條件下，隨著彈體的著角的增大，侵徹所用的時(shí)間越長，速度損耗量越大，剩余速度越小，對(duì)靶板的侵徹深度越小。在彈體著角60°時(shí)，侵徹深度最小，與彈體著角50°時(shí)相比侵徹深度下降了22.7 mm。

表5 不同著角彈體侵徹復(fù)合靶板的剩余速度

圖4是彈體不同著角侵徹靶板的速度曲線， 從圖中可以看出，不論彈體從何種著角侵徹，彈體侵徹多層橡膠陶瓷復(fù)合裝甲可以分為3個(gè)階段。

圖4 彈體不同著角侵徹復(fù)合靶板速度曲線

1) 彈體侵徹面板1階段。在這一階段不同著角之間侵徹的區(qū)別在于侵徹耗費(fèi)時(shí)間不同，但由于面板1較薄，對(duì)彈體速度影響較小。彈體侵徹由于著角的增大，彈體頭部與面板1之間的接觸面積也會(huì)增大，彈體侵徹路徑被延長，相應(yīng)的侵徹時(shí)間會(huì)增長。

2) 彈體侵徹多層橡膠復(fù)合裝甲層階段。在這一階段彈體所侵徹的橡膠復(fù)合裝甲層數(shù)量會(huì)隨著角的增大而增多，例如彈體0°著角侵徹了7層橡膠復(fù)合靶板，而彈體60°著角侵徹了15層橡膠復(fù)合靶板。彈體速度和動(dòng)能的下降量主要是由這一段所侵徹的橡膠復(fù)合靶板層數(shù)所決定的，侵徹的橡膠復(fù)合靶板層數(shù)越多，彈體下降的速度越快，彈體侵徹的時(shí)間也會(huì)增長。同時(shí)在這一段彈體速度同時(shí)呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì)，主要是因?yàn)橄鹉z夾層的存在影響了速度變化趨勢(shì)。

3) 彈體侵徹陶瓷復(fù)合層階段。在這一階段彈體先后侵徹面板2，陶瓷層和背板3層結(jié)構(gòu)。由于著角的增大，彈體速度下降的速率會(huì)增大，彈體的速度下降趨勢(shì)基本與時(shí)間呈現(xiàn)線性下降的關(guān)系。但當(dāng)著角增大超過50°，彈體只能侵徹到面板2和陶瓷層兩層結(jié)構(gòu)；當(dāng)著角增大超過60°，彈體只能侵徹到面板1結(jié)構(gòu)，同時(shí)會(huì)發(fā)生彈體跳飛的現(xiàn)象。

圖5為彈體在0°，30°和60°侵徹復(fù)合靶板的速度云圖。

圖5 彈體不同著角毀傷復(fù)合靶板速度云圖

由圖5可以看出，在彈體著角為0°時(shí)，彈體可以穿透復(fù)合靶板，并有很大的侵徹剩余速度；在彈體著角為30°時(shí)，彈體無法擊穿結(jié)構(gòu)中的背板層，在背板層上留下深的開坑，失去侵徹能力，并且彈頭發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，彈體侵徹剩余速度幾乎為零；在彈體著角為60°時(shí)，彈體無法擊穿結(jié)構(gòu)中的面板2，在面板2上留下淺的開坑，并發(fā)生彈體跳飛現(xiàn)象，彈體跳飛時(shí)仍有部分侵徹剩余速度。由此可以得出結(jié)論，穿甲彈在侵徹多層橡膠陶瓷復(fù)合裝甲時(shí)若著角大于30°，會(huì)出現(xiàn)無法擊穿復(fù)合靶板的現(xiàn)象；穿甲彈在侵徹多層橡膠陶瓷復(fù)合裝甲時(shí)若著角大于60°，會(huì)出現(xiàn)彈體跳飛的現(xiàn)象，無法穿透靶板。

綜合來看，在不同著角下的穿甲彈侵徹速度的下降主要是由于中間橡膠復(fù)合層的存在。彈體在不同著角下所侵徹的橡膠復(fù)合裝甲層數(shù)不同，直接導(dǎo)致彈體速度下降量的不同。

3.2 不同著角下彈體質(zhì)量變化數(shù)值模擬分析

彈體不同的著靶姿態(tài)，會(huì)導(dǎo)致彈體頭部與靶板結(jié)構(gòu)的接觸面積會(huì)有所不同。接觸面積的不同會(huì)影響到穿甲彈彈頭的變形和彈體動(dòng)能下降的不同，直接導(dǎo)致彈體侵徹靶板后剩余質(zhì)量的不同。本研究以彈體侵徹多層橡膠陶瓷復(fù)合裝甲為例，彈體的著角分別取0°、20°、30°、40°、50°、60°。彈體不同著角質(zhì)量銷蝕曲線如圖6所示，彈體侵徹靶板質(zhì)量銷蝕率如表6所示。

圖6 彈體不同著角侵徹復(fù)合靶板質(zhì)量銷蝕曲線

表6 不同著角彈體侵徹復(fù)合靶板的質(zhì)量銷蝕率

綜合而言，對(duì)于多層橡膠陶瓷復(fù)合裝甲的結(jié)構(gòu)，雖然彈體的初始動(dòng)能相同，但不同著角的彈體穿透靶板的質(zhì)量變化不同。彈體質(zhì)量銷蝕的曲線規(guī)律主要分成以下3種情況。

1) 第1種情況，彈體著角小于30°，這種情況的彈體質(zhì)量的銷蝕可以分為4個(gè)階段。如圖6所示，彈體著角0°和20°二者質(zhì)量下降的趨勢(shì)總體上保持一致，但質(zhì)量下降的區(qū)間時(shí)間有所不同。

彈體著角0°和20°四個(gè)階段的質(zhì)量銷蝕率如表7所示。

表7 彈體著角0°和20°四個(gè)階段質(zhì)量銷蝕率

特征如下：第1階段為彈體質(zhì)量輕微變化階段；這一階段質(zhì)量銷蝕較小，質(zhì)量下降的原因主要是彈體頭部的變形侵蝕；第2階段為彈體質(zhì)量急速下降階段；這一段為彈體侵徹中間橡膠復(fù)合層階段，這是彈體質(zhì)量主要被銷蝕的階段，決定了最后彈體的剩余質(zhì)量。第3階段為彈體質(zhì)量緩慢下降階段；這一段為彈體侵徹面板2和陶瓷階段，質(zhì)量銷蝕比較緩慢，主要是面板2和陶瓷的破碎對(duì)彈體質(zhì)量的銷蝕。第4階段為彈體質(zhì)量波動(dòng)下降階段。這一段彈體開始侵徹背板，此刻彈體頭部已經(jīng)失去大部分侵徹能力，主要依靠彈體剩余動(dòng)能推動(dòng)彈體頭部侵徹，這會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量曲線開始波動(dòng)下降，彈體在穿透背板后質(zhì)量保持穩(wěn)定。

2) 第2種情況，彈體著角在30°到50°之間，這種情況的彈體質(zhì)量的銷蝕可以分為3個(gè)階段。如圖6所示，在彈體著角為30°和40°著角時(shí)，彈體質(zhì)量下降的趨勢(shì)保持一致，僅在下降時(shí)間區(qū)間有所不同。

彈體著角30°和40°三個(gè)階段質(zhì)量銷蝕率如表8所示。

表8 彈體著角30°和40°三個(gè)階段質(zhì)量銷蝕率

特征如下：第1個(gè)階段為彈體質(zhì)量急速下降階段；這一段包括彈體侵徹面板和中間多層橡膠復(fù)合結(jié)構(gòu)，這一段是彈體質(zhì)量銷蝕的主要階段，質(zhì)量下降趨勢(shì)幾乎呈線性急速下降。第2階段為彈體質(zhì)量波動(dòng)下降階段；這一段主要是彈體侵徹面板2和陶瓷兩層結(jié)構(gòu)，彈體頭部發(fā)生不規(guī)則的變形，質(zhì)量呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的趨勢(shì)。第3階段為彈體質(zhì)量緩慢下降階段。這一段彈體侵徹背板時(shí)已經(jīng)失去大部分侵徹能力，在背板的作用下彈體殘余動(dòng)能被消耗，質(zhì)量下降比較緩慢。

3) 第3種情況，彈體著角大于50°，這種情況的彈體質(zhì)量的銷蝕可以分為2個(gè)階段。如圖6所示，在彈體侵徹著角大于50°之后，彈體會(huì)出現(xiàn)不能侵徹到背板結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，并且隨著著角增大，彈體會(huì)出現(xiàn)無法侵徹到陶瓷層結(jié)構(gòu)的情況，只能侵徹到面板2層。

彈體著角50°和60°兩個(gè)階段質(zhì)量銷蝕率如表9所示。

表9 彈體著角50°和60°兩個(gè)階段質(zhì)量銷蝕率

特征如下：第1階段為彈體質(zhì)量急速下降階段。主要是彈體侵徹裝甲結(jié)構(gòu)中的面板1和中間層多層橡膠復(fù)合層，質(zhì)量幾乎呈現(xiàn)快速線性下降的趨勢(shì)，是彈體質(zhì)量下降的主要階段。第2階段為彈體質(zhì)量緩慢下降階段。彈體侵徹面板2，隨著彈體著角的增大，彈體頭部會(huì)發(fā)生跳飛現(xiàn)象，質(zhì)量下降趨勢(shì)變緩。

4 多層橡膠陶瓷復(fù)合裝甲抗彈能力的計(jì)算

目前常采用多組分復(fù)合裝甲混合律的方法來計(jì)算復(fù)合裝甲的抗彈能力。多組分復(fù)合裝甲混合律的通式(1)如下[14]：

Ri=∑NiLi

(1)

式中：Ri為復(fù)合裝甲抗彈能力(mm)；Li為第i種材料的復(fù)合裝甲水平等重厚度(mm)；Ni為第i種材料的防護(hù)系數(shù)。

通過應(yīng)用多組分復(fù)合裝甲混合律計(jì)算復(fù)合裝甲的抗彈能力，計(jì)算每層的水平等效厚度Li。各材料層的水平等效厚度計(jì)算通式(2)如下[15]：

(2)

式中：ρi為第i層材料的密度或結(jié)構(gòu)單元層的評(píng)價(jià)密度(×103kg/m3)；δi為第i層材料或結(jié)構(gòu)單元的垂直厚度(mm)；αt為裝甲的傾角(°)。

根據(jù)防護(hù)系數(shù)Ni計(jì)算每層材料的抗彈能力Ri，通過各層抗彈能力得出多層橡膠陶瓷復(fù)合裝甲的抗彈能力，如表10所示。

表10 多層橡膠陶瓷復(fù)合裝甲抗彈能力

裝甲結(jié)構(gòu)的抗穿甲彈等效系數(shù)計(jì)算式(3)如下：

N=Ri/L

(3)

式中：L為裝甲原厚度。

由此得出多層橡膠陶瓷復(fù)合裝甲的抗穿甲等效系數(shù)為2.55，說明本文所設(shè)計(jì)的裝甲結(jié)構(gòu)在穿甲彈的侵徹作用下具有良好的抗彈性能。

5 結(jié)論

1) 多層橡膠陶瓷復(fù)合裝甲對(duì)穿甲彈的防護(hù)作用主要是依靠中間橡膠裝甲層。彈體著角越大，所侵徹的橡膠層的數(shù)量越多，彈體速度下降越快，裝甲的抗彈性能就越好。彈體著角超過30°時(shí)，裝甲結(jié)構(gòu)不會(huì)被擊穿；彈體著角超過60°時(shí)，會(huì)在侵徹陶瓷復(fù)合層面板時(shí)出現(xiàn)彈體跳飛。

2) 彈體質(zhì)量銷蝕率隨著著角的增大而增大。不論彈體著角現(xiàn)象如何變化，彈體頭部在侵徹裝甲結(jié)構(gòu)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。

3) 根據(jù)多組分復(fù)合裝甲混合律計(jì)算出了在穿甲彈作用下的抗彈能力，計(jì)算出裝甲結(jié)構(gòu)的抗穿甲的防護(hù)系數(shù)為2.55，說明多層橡膠復(fù)合靶具有良好的抗穿甲彈能力。