凱夫拉與陶瓷復合結構抗侵徹性能數值仿真

王曉東， 徐永杰，2， 董方棟，3， 王昊，3， 鄭娜娜

(1.中北大學 機電工程學院， 山西 太原 030051； 2.重慶紅宇精密工業集團有限公司， 重慶 402760；3.瞬態沖擊技術重點實驗室， 北京 102202；4.陸軍裝備部駐北京地區軍事代表局駐長治地區軍事代表室， 山西 長治 046000)

0 引言

隨著現代戰爭對人員及裝備生存能力要求的日益提高，抵抗子彈、彈片等侵徹體的防護裝備的需求日漸凸顯，促進了各型復合裝甲材料與結構的不斷發展。

陶瓷材料具有高硬度、高抗壓強度、低密度等特性，在裝甲設計領域備受關注。劉迪等、包闊等通過實驗和數值模擬分析了帶有陶瓷的復合裝甲結構防護步槍彈的過程，并討論了靶板結構、背板材料及其厚度對抗侵徹性能的影響。復合裝甲的背板材料及其性能對抗侵徹性能存在影響。余毅磊等分析了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維背板鋪層角度對陶瓷/纖維復合裝甲抗侵徹性能的影響，并對彈芯、陶瓷面板及纖維背板的破壞失效模式進行了分析。孫素杰等、Batra等、鄒有純等分析了陶瓷與背板的材料對抗侵徹性能的影響，發現當陶瓷與背板間波阻抗差值減小時，可以增強裝甲結構的能量吸收能力，進而提高裝甲結構的抗侵徹性能。復合裝甲的結構組成對抗侵徹性能存在影響。劉潤華等通過數值模擬發現陶瓷/鋼無間隔時抗侵徹性能更好。張林等、高華等、任文科等通過實驗研究及數值模擬發現前置陶瓷板可以降低作為背板材料芳綸的剪切破壞程度，當采用金屬作為芳綸的支撐板時，有助于增加彈丸的侵徹阻力；芳綸位于陶瓷板及金屬之間，有助于緩解二次沖擊對陶瓷的損傷。采用纖維材料約束陶瓷，可使彈丸作用時間更長、陶瓷粉末更細、吸收能量更多，在提高抗侵徹性能的同時，還可使復合裝甲具備一定的抗重復打擊能力。復合裝甲各材料的厚度對抗侵徹性能存在影響。肖文瑩等通過數值模擬預測與實驗驗證相結合，對BC/UHMWPE復合材料靶板的5種結構進行抗侵徹性能仿真預測，發現當BC陶瓷與UHMWPE復合材料厚度比為4∶10時抗彈性能最佳。復合裝甲中陶瓷的封裝形式對抗侵徹性能存在影響。孫啟添等、孫昕等結合實驗數據和數值模擬研究發現，封裝陶瓷的形狀及金屬框架的存在影響了結構的吸能方式和破壞模式，進而影響了結構整體的抗侵徹性能。蔣志剛等、Russell等和Wadley等通過實驗對陶瓷進行約束，可以改善裝甲結構的破壞程度，有助于提高抗彈能力。Guo等通過實驗與數值模擬，分析了Kevlar-29復合材料覆蓋陶瓷/復合材料裝甲結構的抗侵徹行為，發現覆蓋層自身的能量耗散及其對陶瓷斷裂過程的影響有利于提高結構的抗侵徹性能，且增強界面間的粘結強度有利于增加耗能。數值模擬材料的本構模型對結果存在影響。Shokrieh等、Burger等通過討論及比較數值預測與實驗結果的損傷形狀、程度與穿透速度的差別，發現在考慮到陶瓷材料的本構模型及復合材料在不同應變率下的力學特性時數值模擬結果將更加可靠。

為探究Kevlar與AlO陶瓷的復合裝甲結構，對抗侵徹性能的影響，本文通過AUTODYN軟件對平頭彈丸以不同速度侵徹復合裝甲的過程進行數值模擬，并與相同情況下彈丸侵徹同等面密度的4340鋼的靶后速度、吸收動能情況做進行對比分析。

1 仿真模型的建立

1.1 計算模型與材料參數

目前廣泛用于抗侵徹的材料主要有金屬、陶瓷以及纖維復合材料三大類。對于金屬材料，在侵徹下的變形過程及力學機理相較于陶瓷以及纖維復合材料有較為深入的研究與分析，抗侵徹機理及性能目前已有較為明確的結論與準則；對于陶瓷材料，其雖不具有金屬材料的韌性和強度，但陶瓷因其在硬度和密度方面的獨到優勢，也被廣泛應用為抗侵徹材料；對于纖維復合材料，因其在比強度上的巨大優勢，至今一直是非常重要的一類工程材料，近幾年來，隨著新型纖維的不斷開發，復合材料強度不斷提升，在抗侵徹領域也表現出了巨大的應用潛能。

包裹陶瓷面板的材料為Kevlar-129，狀態方程為Puff，強度模型為von Mises，失效及侵蝕均為Plastic Strain，具體參數如表1所示。

表1 Kevlar-129纖維復合材料參數Table 1 Meterial parameters of Kevlar-129

其余材料均來自AUTODYN材料庫，AlO陶瓷面板材料采用Johnson-Holmquist(JH-2)模型描述，主要材料參數如表2所示，以及鋼質背板的材料4340鋼主要材料如表3所示。

表2 Al2O3陶瓷材料參數Table 2 Material parameters of Al2O3 ceramic material

表3 4340鋼材料參數Table 3 Material parameters of steel 4340

凱夫拉(Kevlar)包覆陶瓷復合裝甲結構如圖1所示。

圖1 彈丸侵徹Kevlar包覆陶瓷復合結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of a projectile penetrating a Kevlar and ceramics composite structure

圖1中，為復合裝甲長度，=100 mm；為復合裝甲塊厚度，=10 mm；為陶瓷面板厚度，=6 mm；為鋼質背板厚度，=2 mm；陶瓷面板被厚度為1 mm的Kevlar材料包裹，侵徹體為圓柱平頭彈丸，長度為24 mm，半徑為3 mm，材料為4340鋼，各層材料之間使用AUTODYN軟件功能Joins連接。

1.2 復合裝甲工況設計

對復合裝甲的結構參數及平頭彈丸的速度進行調整，對侵徹過程進行數值模擬，工況如表4所示。

表4 工況設計表Table 4 Project

2 仿真結果與分析

2.1 侵徹過程分析

以1 200 m/s的彈丸侵徹各裝甲結構為例，對比不同結構復合裝甲及等面密度鋼裝甲的抗侵徹過程，分析各材料與結構抵抗侵徹的能力。

對于A組的K/A/K/S結構復合裝甲，侵徹體首先經過短暫飛行，在0.8 μs接觸到外側的Kevlar包裹層，在0.8～1.5 μs侵徹體不斷壓縮外側Kevlar層，并在此過程中頭部鐓粗，速度下降至1 170 m/s左右；在1.5～11 μs，侵徹體與陶瓷材料相互作用，侵徹體頭部呈花瓣裝剝落，速度降低至950 m/s左右，在此過程中陶瓷碎裂后抗侵徹能力下降，由于Kevlar包裹層與鋼質背板的作用，限制了陶瓷的飛散使其繼續能夠對侵徹體作用；在15～16 μs，侵徹體穿透Kevlar包裹層內側，速度由950 m/s下降至920 m/s；此后至27 μs，主要為侵徹體對鋼質背板的侵徹，速度下降至815 m/s左右。

對于B組的鋼裝甲，在侵徹過程中首先在鋼靶開坑，此時消耗的動能最大，速度下降最快，在此之后進入穩定侵徹階段，此時速度下降趨勢依舊明顯，最后進入到貫穿階段，靶板材料受到嚴重侵蝕，對動能的吸收能力不斷下降，此時侵徹體速度降低趨勢明顯放緩，直至侵徹體完全貫穿靶板。

對于C組的A/K/S結構復合裝甲，侵徹體最先侵徹陶瓷面板，此時速度下降最為明顯，隨著侵徹體穿透陶瓷材料，此時彈丸開始侵徹Kevlar層與鋼質背板，侵徹體的速度下降趨勢逐漸放緩，背板的材料與結構影響到裝甲的抗侵徹能力。

對于D組的K/A/S背板結構復合裝甲，侵徹過程接近于A組，在侵徹貫穿靶板的最后階段，由于 D組僅有鋼背板，速度下降的趨勢更明顯。

2.2 侵徹體速度變化

侵徹體速度變化曲線如圖2～圖4所示。

圖2 1 200 m/s侵徹體速度變化Fig.2 Velocity change for a projectile penetrating at 1 200 m/s

圖3 1 000 m/s侵徹體速度變化Fig.3 Velocity change for a projectile penetrating at 1 000 m/s

圖4 800 m/s侵徹體速度變化Fig.4 Velocity change for a projectile penetrating at 800 m/s

根據彈丸以不同速度侵徹各裝甲結構的速度變化圖，在彈丸侵徹速度為1 200 m/s時，侵徹體在穿透鋼裝甲后速度最高，其次為C組結構，A組及 D組結構的剩余速度相當且為最低；在彈丸侵徹速度為1 000 m/s時，對鋼裝甲的穿透速度依舊為最高，A組穿透速度低于B組及D組，但此時C組結構的剩余速度為最低，而在彈丸侵徹速度為800 m/s時，C組結構的侵徹體穿透速度為最低。根據以上分析可知，A組結構對速度較高的侵徹體時有較好的防護效果，而C組結構在抵抗速度較低的侵徹體時有更好的防護效果。

2.3 復合裝甲結構對靶后速度影響

彈丸的侵徹速度與殘余速度的變化曲線如圖5所示。

圖5 侵徹速度與殘余速度曲線Fig.5 Curves of penetration velocity and residual velocity

在仿真模擬中，彈丸在500 m/s及以下速度均未穿透復合裝甲及等面密度鋼裝甲，隨著侵徹體速度的提高，D組結構的復合裝甲最先被穿透，此時侵徹體速度約為500 m/s；彈丸的速度繼續提升，接下來為A結構復合裝甲被穿透，彈丸速度約為700 m/s；此后彈丸速度進一步提升，B組結構及C組結構被穿透，侵徹體速度約為750 m/s。

觀察侵徹速度與殘余速度的變化趨勢，對于 B組的鋼裝甲，在彈丸侵徹速度在850 m/s以上時，殘余速度均高于其他3組的復合裝甲，在850 m/s以下時優于D組復合裝甲，在800 m/s以下時優于 A組復合裝甲；對于A、C、D 3組復合裝甲，在1 050 m/s以上時殘余速度區別并不明顯，但A組存在微弱優勢，在1 050 m/s以下時D組侵徹體的殘余速度最高，A組其次，C組侵徹體的殘余速度最低。

2.4 復合裝甲結構對侵徹體動能影響

不同結構復合裝甲與等面密度鋼裝甲對侵徹體動能的吸收量如圖6所示。

圖6 對侵徹體動能吸收量圖Fig.6 Kinetic energy absorption of the projectile

由圖6中數據可以直觀分析出，C組結構復合裝甲吸收侵徹體動能的總量高于其他3組的平均水平，隨著侵徹體速度的降低，C組對侵徹體吸收的動能量逐漸高于其他3種結構裝甲，A組結構對 1 200 m/s 侵徹體動能的吸收量高于其他3組，但隨侵徹速度的降低吸收動能越來越低，而D組結構則在復合裝甲中吸收動能最少。

不同結構復合裝甲中各材料的能量變化趨勢如圖7～圖9所示。由圖7～圖9可見：在A組及D組中，Kevlar材料被置于裝甲表面，侵徹初期能量在短時間內出現峰值，而C組則因為Kevlar材料全部作為夾層能量曲線無較大波動；A組中除表面的Kevlar層外還存在Kevlar夾層，使其在侵徹過程中得以繼續吸收侵徹體動能；D組在侵徹體穿透表面的Kevlar層后，不再直接吸收侵徹體的動能，因此在此之后能量無較大變化；C組的Kevlar材料均被置于夾層中，其能量變化趨勢保持緩慢增長。同時各材料能量曲線波動的原因，主要在于靶板各材料之間的相互作用，以及材料的破壞與失效。

圖7 A組各材料能量曲線(侵徹速度1 200 m/s)Fig.7 Energy curves of group A materials (penetration speed at 1 200 m/s)

圖8 C組各材料能量曲線(侵徹速度1 200 m/s)Fig.8 Energy curves of group C materials (penetration speed at 1 200 m/s)

圖9 D組各材料能量曲線(侵徹速度1 200 m/s)Fig.9 Energy curves of group D materials (penetration speed at 1 200 m/s)

綜合來看，不同結構復合裝甲中各材料能量變化的趨勢大致相同，由于結構變化導致侵徹體接觸材料的時間不同，能量曲線存在時間上的偏移，但在各材料能量曲線的穩定值存在區別，在A組的Kevlar包覆陶瓷結構中，Kevlar與鋼背板均能有效吸收侵徹體動能，此結構對侵徹體的動能吸收情況更優。

2.5 復合裝甲防護性能分析

在降低侵徹體速度的方面，各結構復合裝甲在抵抗高速侵徹體時均表現良好，當侵徹體速度逐漸下降至800 m/s及以下時，D組結構復合裝甲性能最差，A組與C組均表現良好。

在吸收侵徹體動能的方面，各結構復合裝甲均相較于鋼裝甲有更高的動能吸收量，但在800 m/s時僅有C組結構復合裝甲的吸能能力最好，唯一超過了鋼裝甲的吸能能力。在3組復合裝甲中由于結構的不同，導致各材料的吸能能力有所不同，C組中Kevlar吸能水平最優，D組中鋼質背板的吸能水平最優，而A組雖不能大幅超越C組與D組，但其鋼質背板及Kevlar夾層均能夠比較有效地吸收侵徹體動能。

根據仿真模擬的結果，對侵徹體的速度與動能以及靶板對動能的吸收情況進行分析。其中A組的K/A/K/S結構復合裝甲，對1 200 m/s的侵徹體時有較好的防護性能；C組的A/K/S結構復合裝甲對不同速度的侵徹體的防護性能均表現優秀，其主要原因在于陶瓷與鋼背板中有更厚的Kevlar夾層，可以吸收更多侵徹體的動能；D組的K/A/S結構復合裝甲，表面的Kevlar材料在侵徹初期便被穿透，由此造成對侵徹體動能的吸收能力不足，抗侵徹性能不佳。

3 結論

本文對不同速度平頭彈丸侵徹復合裝甲與同等面密度鋼裝甲的過程進行了數值模擬研究，分析了侵徹體速度變化、靶后速度、動能吸收量、各材料吸收能量情況。得出主要結論如下：

1)Kevlar包覆AlO陶瓷的復合裝甲結構，可以比較有效地吸收高速侵徹體的動能，其Kevlar夾層起到了主要的吸能作用。

2)將Kevlar材料作為陶瓷與鋼質背板的夾層材料時，復合裝甲具有更高的動能吸收能力，以及更低的靶后速度。

3)本文研究的Kevlar與AlO陶瓷的復合裝甲結構可以更好地抵抗侵徹，Kevlar夾層的位置對抗侵徹能力有較大影響。