半球形頭彈斜撞擊下鋁合金薄板的失效仿真分析

胡靜 呂瑜晗

摘要：為分析斜撞擊下撞擊角度對6061-T651鋁合金板失效特性的影響，首先用一級輕氣炮發射半球形頭彈正撞擊鋁合金靶板，得到試驗數據。其次根據試驗工況建立彈靶模型并驗證模型的有效性，得到數值模擬結果，不僅能很好地預測靶體的彈道極限速度，還能夠較好地分析彈體初始速度—剩余速度變化趨勢。最后建立5種不同撞擊角度下的彈靶模型，分析撞擊角度對靶體失效特性的影響。結果表明，彈體的彈道極限隨其撞擊角度的增大先減小后增大，15°時彈道極限最小。靶板主要失效模式也由剛開始的花瓣開裂逐步變為撕裂拉伸破壞，且撞擊速度也對靶板失效有較大的影響。

關鍵詞：撞擊速度；撞擊角度；6061-T651鋁合金板；失效模式；半球形頭彈

中圖分類號：O385文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.04.006

彈靶撞擊問題一直是研究熱點，影響靶板失效的因素很多，如撞擊角度、靶板材料、撞擊速度等。研究結論常用來應用于民航工程中防護結構的優化設計與材料選取，以減小外來物撞擊對機體外殼的損傷。半球形頭彈沖擊金屬靶板的研究較多，真實情況下，彈體正撞擊接觸并穿透靶板的情況只是在理想狀態下會發生，大部分彈靶撞擊接觸初始，彈體就已經偏離了靶板的法線，因此更為重要的是斜撞擊的研究。6061系列鋁合金延展性強，強度介于2A12系列與7075系列之間，且在航空器外部蒙皮及內部零件等方面使用廣泛。

M.A.Iqbal等[1]使用三維方法研究了錐形彈撞擊12mm厚鋼靶和卵形彈撞擊1mm厚鋁靶，著角為0°、15°、30°、45°和60°。發現鋼靶和鋁靶發生跳彈的角度隨撞擊速度增加而增加，失效模式都是延性擴孔。張宇[2]等還研究了V形鋁合金靶板在高速射彈下的損傷失效狀態，發現子彈剩余速度會隨射彈角度的減小而減小。鄧放等[3]通過數值模擬研究了超聲速射流與同向超聲速流動的相互作用，觀察到了次聲射流現象，且呈一定的周期性。R. Ansari[4]等研究了錐形彈以著角0°、30°、45°和60°撞擊薄鋁板。發現蝶形變形隨著角度和彈體速度增加而減小，彈體剩余速度和靶板彈道極限都隨著板厚和著角增加而減小，靶板耗能隨著板厚和著角的增加而增加。B.Su[5]使用有限元分析來研究泡沫芯型夾心殼在彈道沖擊下的沖擊性能。結果表明，增大彈體、增加彈體撞擊速度和增厚面板可以提高靶板的抗沖擊性能，著角增大會使彈體產生更大的偏轉且使速度曲線差異性變大。張鐵純等[6]進行了半球形彈以斜撞擊和偏航撞擊兩種模式沖擊2mm 2A12薄鋁靶的數值仿真研究，發現靶板失效模式及靶板功耗等都與角度大小有緊密的聯系。王瀚藝[7]進行了平頭彈斜撞擊45鋼的數值仿真研究，發現靶板的損傷情況及彈體彈道極限等都受到了斜侵徹角度大小的影響。郭子濤等[8]針對斜撞擊問題對Q235鋼進行了仿真計算，得到了角度與速度等對靶板失效模式的影響，并提出了一種角度偏轉模型。湯雪志等[9]進行了子彈斜撞擊不同結構間隔板的仿真研究，發現迎角的不同會對子彈穿孔及質量消耗產生影響。齊文龍[10]探究了半穿甲戰斗部斜撞擊下厚靶板的失效機理，總結了彈丸的彈道極限和運動姿態的影響。劉堅成等[11]進行了反彈道斜撞擊試驗，探究了在非正侵徹過程中的結構響應。祝家奇[12]研究了斜撞擊下雙層鋁合金板在平頭彈下的失效機理。由于金屬材料的不斷更迭，斜撞擊下的數據系統需進一步更進，且仿真計算中的本構模型也需修改，來模擬不同金屬板的試驗工況。

本文使用ABAQUS等有限元軟件，采用Johnson-Cook本構關系，建立了半球形頭彈斜撞擊6061-T651模型，探究了撞擊角度及撞擊速度對靶板失效的影響。為優化彈靶裝配提供參考依據。

1試驗分析

如圖1所示，沖擊試驗在一級輕氣炮上進行，圖2為正撞擊下靶板的裝夾示意圖。所用靶體為正方形勻質板，靶體材料為6061-T651鋁合金，彈體材質為38CrSi合金鋼，試驗所用彈體與靶板的幾何形狀如圖3所示。試驗用半球形頭彈進行了7次有效沖擊，試驗結果見表1。

圖4給出了半球形頭彈分別以低速和高速撞擊靶體的典型圖像。可以看出不論撞擊速度的高低，子彈貫穿靶板的過程中運動姿態并沒有發生較大擺動。首先在子彈的沖擊作用下，靶板局部凹陷產生蝶形變形，隨著子彈的向前運動產生接觸區域，隨之變薄，彎曲拉伸，在拉伸到一定程度時靶板背面產生的拉伸應力超過材料的拉伸強度，靶板沿彈體頭部四周產生開裂，形成帽狀沖塞。隨著撞擊速度的不斷增大，對比發現高速下彈體穿過靶板時帶出的金屬碎末更多，沖塞更早地形成并脫離靶板。還可以發現各個速度下產生的沖塞形狀接近圓形，直徑接近彈體直徑。當彈體完全穿過靶板后，靶板有收縮回彈的動作發生，明顯觀察到穿孔四周的隆起程度變小。圖5為半球形頭彈正撞擊靶板時的失效模式圖，由低速到高速選取了三個撞擊速度下的失效狀態，對比分析發現正撞擊下靶板的失效模式主要是拉伸作用形成的延性擴孔，穿孔處呈花瓣形開裂。撞擊速度越大穿孔四周隆起程度越小，花瓣面積越小數量越多，產生的帽狀沖塞厚度越小。

2仿真模型的建立

2.1彈靶數學模型

采用經過修正后的Johnson-Cook本構關系及斷裂準則。修正后的Johnson-Cook模型MJC模型[13]，如式（1）所示：

2.2彈靶物理模型

經特殊熱處理過的6061-T651板，板厚為2mm，有效直徑為160mm。半球形彈體材料為38CrSi，直徑為12.68mm，質量為34.2g。彈靶的示意圖如圖3所示。由于在撞擊過程中彈體僅發生極其微小的變形，因此設定子彈是剛性的[17]。

在數值模擬過程中，設置靶體的邊界為固定邊，靶體劃分網格時分為內部和外部接觸區域，中間用過渡區連接，靶板中心網格尺寸為0.2mm×0.2mm×0.2mm[18]，子彈與靶體間摩擦因數設為0.1[19]。θ為斜撞擊角度，vi為子彈初始斜撞擊速度，如圖6所示。

3數值仿真結果與分析

3.1模型的有效性驗證

為保證所建模型的可用性，先通過對比試驗與仿真的失效模式，再通過對比試驗與仿真的彈道極限驗證模型的有效性。圖7為幾種典型速度下靶板的失效模式。

3.2彈靶斜撞擊仿真過程

圖9為斜撞擊角度為5°、15°、30°、45°和60°的子彈以132.4m/s的初速斜撞擊靶板的物理過程，可以看出，靶板形態出現明顯的變化。不同角度下彈道姿態不同，子彈穿過靶板時靶板的破壞狀態也不盡相同，且在60°下，子彈并沒有穿透靶板，反而出現了跳彈現象，可知斜撞擊下子彈的撞擊角度和撞擊速度對靶板的失效有明顯的影響，需要對靶板的失效進行深入分析。

3.3撞擊速度與撞擊角度對靶板失效影響分析

（1）彈體的彈道極限與動能變化分析

通過數值仿真，得到不同撞擊角度下的初始速度—剩余速度數據以及彈體動能變化量，分別如圖10、圖11所示。

利用式（4）整理仿真數據得到了如表4所示不同斜撞擊角度條件下所對應彈體的彈道極限和參數取值。

如圖12所示，利用式（4）分析仿真結果，得到彈道極限隨斜撞擊角度變化規律曲線圖，可以看出，在0°～15°區間內，彈道極限隨撞擊角的增大而減小，但在15°～60°區間內隨撞擊角的增大而增大。在15°角附近，彈道極限會降低到一個最小值，當斜撞擊角為60°時，該角度下的彈道極限與0°也就是正撞擊靶板時的彈道極限速度相比，增大了1.31倍。由此可知，彈體斜撞擊角度變化影響靶板的抗沖擊能力，且存在臨界角——最易侵徹角，在該角度下彈體能以較大的剩余速度繼續飛行。

對圖10進行分析發現，隨著子彈初速的增加，不同撞擊角度下的靶體抗沖擊能力也出現了變化。對于撞擊角為60°的彈體，其剩余速度在所有類型的撞擊下處于最小值，這說明該角度下靶體的抗沖擊能力在各個速度下都很強，對于入射傾角為15°和30°的斜撞擊，靶板的抗沖擊能力則始終較差。

靶體對彈體動能的吸收量通常作為衡量靶體失效特性的重要指標之一，彈體能量變化量越大，說明靶體更能有效吸收能量，其防護性能也就越好。對圖11進行分析發現，隨著傾角的增大，彈體的動能變化量逐漸增大，當撞擊傾角為15°時彈體能夠以最平穩的姿態穿透靶體，此時的彈體由于姿態的改變而耗散的動能最少。

（2）靶板的失效模式與變形模式分析

通過仿真得到撞擊后靶體迎彈面和背彈面斷口形貌，分析半球形彈斜撞擊下的損傷情況，發現子彈的斜撞擊角度和初速高低都對靶板的失效狀態有明顯影響。

當半球形彈以較小的角度（5°、15°）斜撞擊靶板時，靶體的情況如圖13所示。靶體失效模式表現為花瓣形開裂，隨著撞擊角度增加，裂紋數量減少。與彈體首先接觸的部分由于直接承受沖擊荷載的作用，最先發生破壞，初始破壞處產生裂紋并沿彈體頭部擴展形成沖塞。子彈初速臨近彈道極限時，沖塞未脫離靶板；彈體初速遠高于彈道極限時，沖塞隨彈體飛出。

當半球形彈以30°角斜撞擊靶板時，靶板的失效情況如圖14所示。靶板失效單元主要受到彈體的剪切力和膜面的拉伸力。彈體前進過程中，其頭部會對靶板一側產生彎曲應力，裂紋在沖擊載荷和彎曲應力的混合作用下，向前形成一個撕裂帶并向外翻轉。彈體初速臨近彈道極限時，撕裂帶面積更大且并未脫離靶體；彈體初速遠高于彈道極限時，撕裂帶隨子彈飛出且面積較小。

當半球形彈以較大角度（45°、60°）斜撞擊靶板時，靶體的損傷情況如圖15所示。彈體初始速度臨近彈道極限時，伴隨撞擊角的增加，彈靶接觸面積增大，穿孔四周下凹面積增大，彈體前進過程中沿水平方向產生劃痕；彈體初始速度遠高于彈道極限時，靶板失效單元沿彈身受到切應力，撞擊角度越大，破壞面積越大。

參考表4中的彈道極限，選取三個典型撞擊角度5°、30°、60°，得到如圖16所示，同一時刻4種撞擊速度下靶板的下凹變形量。圖中未斷開曲線表示彈體未穿透靶板。

根據圖16（d）發現同一速度下，隨著撞擊角度的增大孔口逐漸向右偏移，且下凹變形量越來越大；對比圖16（a）與圖16（b）發現隨撞擊速度的變大，5°和30°撞擊角下的變形減小，60°下反而增大；對比圖16（b）～圖16（d）發現5°、30°撞擊角下撞擊速度對于靶板下凹變形影響不明顯，60°下隨撞擊速度的增大，靶板下凹變形反而減小。

4結論

通過數值模擬研究了6061-T651鋁合金板在半球形彈斜撞擊下的失效特性，分析了不同撞擊角度、不同撞擊速度對靶板失效的影響。基于仿真結果，可以發現：

（1）撞擊速度一定的條件下，隨著撞擊角度的增大，靶板的失效模式逐漸從花瓣開裂過渡為拉伸撕裂，靶板下凹變形量也隨撞擊角度的增大而增大。撞擊速度遠高于彈道極限時，靶板的下凹變形量受速度的影響較小。

（2）撞擊角度一定的條件下，靶板的耗能量隨撞擊速度的增大先減小后趨于穩定；撞擊角度為15°左右時彈體動能變化最穩定，靶板最易被穿透。

參考文獻

[1]Iqbal M A，Gupta G，Gupta N K. 3D numerical simulations of ductile targets subjected to oblique impact by sharp nosed projectiles[J]. International Journal of Solids and Structures，2010，47：224-237.

[2]張宇，白春玉，郭軍，等.V形鋁合金靶板雙射彈高速沖擊損傷特性[J].航空科學技術，2020，31（9）：72-78. Zhang Yu，Bai Chunyu，Guo Jun，et al. High-speed impact damage characteristics of V aluminum target[J]. Aeronautical Science & Technology，2020，31（9）：72-78.（in Chinese）

[3]鄧放，韓桂來，劉美寬，等.射流與超聲速來流剪切層作用的數值模擬研究[J].航空科學技術，2018，29（10）：21-27. Deng Fang，Han Guilai，Liu Meikuan，et al. Numerical simulation of two shear layers interaction in double backwardfacing steps[J]. Aeronautical Science & Technology，2018，29（10）：21-27.（in Chinese）

[4]Ansari R，Khan S H，Khan A H. Oblique impact of cylindroconical projectile on thin aluminium plates[C]// International Conference on Theoretical，Applied，Computational and Experimental Mechanics，2010.

[5]Buyun S，Zhiwei Z，Jianjun Z，et al. A numerical study on the impact behavior of foam-cored cylindrical sandwich shells subjected to normal/oblique impact[J]. Latin American Journal of Solids & Structures，2015，12（11）：2045-2060.

[6]張鐵純，田璐，鄧云飛，等.2A12鋁合金薄板抗葉片形彈體撞擊的數值仿真研究[J].機械強度，2019，41（3）：734-738. Zhang Tiechun，Tian Lu，Deng Yunfei，et al. Numerical simulation research on the aluminum alloy thin plate impacted by blade projectile[J].Journal of Mechanical Strength，2019，41（3）：734-738.（in Chinese）

[7]王瀚藝.硬38CrSi平頭彈斜撞擊45鋼靶侵徹特性研究[J].中國民航飛行學院學報，2019，30（1）：13-16. Wang Hanyi.Research on penetration characteristics of 45 steel target impact by hard 38CrSi flat-nosed projectile[J].Journal of Civil Aviation Flight University of China，2019，30（1）：13-16.（in Chinese）

[8]郭子濤，郭釗，張偉.彈體斜撞擊單層金屬薄靶的數值仿真[J].高壓物理學報，2018，32（4）：116-126. Guo Zitao，Guo Zhao，Zhang Wei. Numerical study of the oblique perforation of single thin metallic plates[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics， 2018， 32（4）： 116-126. （in Chinese）

[9]湯雪志，王志軍，董理贏，等.彈丸斜撞擊間隔靶板的數值模擬[J].兵器裝備工程學報，2019，40（6）：47-50. Tang Xuezhi，Wang Zhijun，Dong Liying，et al. Numerical simulation analysis of projectile oblique impact target plate[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering，2019，40（6）：47-50.（in Chinese）

[10]齊文龍.半穿甲戰斗部斜撞擊有限厚靶板特性研究[D].南京：南京理工大學，2015. Qi Wenlong. Research on characteristics of semi-armorpiercing warhead oblique impacting finite thick target[D]. Nanjing：Nanjing University of Science & Technology，2015.（in Chinese）

[11]劉堅成，皮愛國，黃風雷.反彈道斜撞擊下自由梁結構響應研究[J].兵工學報，2017，38（11）：2117-2125. Liu Jiancheng，Pi Aiguo，Huang Fenglei.Structural response of free-free beam under oblique reverse ballistic impact[J].Acta Armamentarii，2017，38（11）：2117-2125.（in Chinese）

[12]祝家奇.雙層鋁合金板的抗沖擊特性研究[D].天津：中國民航大學，2019. Zhu Jiaqi. Research on the resistance performance of double aluminum alloy target[D].Tianjin：Civil Aviation University of China，2019.（in Chinese）

[13]鄧云飛，張永，吳華鵬，等.6061-T651鋁合金動態力學性能及J-C本構模型的修正[J].機械工程學報，2020，56（20）：74-81. Deng Yunfei， Zhang Yong， Wu Huapeng， et al. Dynamic mechanical properties and modification of J-C constitutive model of 6061-T651 aluminum alloy[J].Journal of Mechanical Engineering，2020，56（20）：74-81.（in Chinese）

[14]Xiao Xinke，Mu Zhongcheng，Pan Hao，et al.Effect of the lode parameter in predicting shear cracking of 2024-T351 aluminum alloy Taylor rods[J]. International Journal of Impact Engineering，2018，120：185-201.

[15]鄧云飛，張永，曾憲智.6061-T651鋁合金動態力學性能及斷裂準則修正[J].機械工程學報，2020，56（18）：81-91. Deng Yunfei， Zhang Yong， Zeng Xianzhi.Dynamic mechanical properties and modification of fracture criteria of 6061-T651 aluminum alloy[J].Journal of Mechanical Engineering，2020，56（18）：81-91.（in Chinese）

[16]Dey S，B？rvik T，Teng X. et al. On the ballistic resistance of double-layered steel plates：an experimental and numerical investigation，2007，44（20）：6701-6723.

[17]魏剛.金屬動能彈變形與斷裂特性及其機理研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014. Wei Gang.Investigation of deformation and fracture behavior associated mechanisms of the metal kinetic energy projectiles[D]. Harbin：Harbin Institute of Technology，2014.（in Chinese）

[18]張永.6061-T651鋁合金力學性能測試及抗沖擊性能研究[D].天津：中國民航大學，2020. Zhang Yong.Investigation on the mechanical property test and ballistic resistance of 6061-T651 Aluminum alloy[D].Tianjin： CivilAviation University of China，2020.（in Chinese）

[19]惠旭龍，劉小川，王計真，等. TC4鈦合金平板高速撞擊損傷及彈道極限特性[J].科學技術與工程， 2017， 17（11）：1671-1685. Hui Xulong， Liu Xiaochuan， Wang Jizhen，et al.High velocity impact failure and ballistic performance of TC4 plate[J]. Science Technology and Engineering， 2017， 17（11）：1671-1685.（in Chinese）

[20]Huang Xianglin，Zhang Wei，Deng Yunfei，et al. Experimental investigation on the ballistic resistance of polymer-aluminum laminated plates[J].International Journal of Impact Engineering，2018，113：212-221.

（責任編輯余培紅）

作者簡介

胡靜（1972-）女，碩士，教授。主要研究方向：航空材料力學性能。

Tel：18822128295E-mail：1508147529@qq.com

呂瑜晗（1996-）女。主要研究方向：沖擊動力學。

Tel：18822128295

E-mail：1628723697@qq.com

Failure Characteristics Analysis on 6061-T651 Aluminum Alloy Sheet Under Oblique Impact

Hu Jing*，Lv YuHan

Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China

Abstract： In order to analyze the influence of impact angle on the failure characteristics of 6061-T651 aluminum alloy plate under oblique impact， a hemispherical projectile was fired by a first-stage light gas gun and hit the aluminum alloy target to obtain the test data.Secondly， according to the test conditions， the missile-target model is established and the validity of the model is verified. The numerical simulation can not only predict the ballistic limit velocity of the target， but also analyze the variation trend of the initial-residual velocity of the missile. Finally， five missile-target models with different impact angles are established to analyze the impact angle on the impact resistance of the target. The results show that the ballistic limit of the projectile decreases first and then increases with the increase of the impact angle， and the ballistic limit is the smallest at 15°.The main failure mode of the target gradually changed from petal cracking at the beginning to tearing and strething damage， and the impact velocity also had a great influence on the failure of the target.

Key Words： impact velocity； impact angle； 6061-T651 aluminum alloy plate； failure mode； hemispherical warheads