藍寶石單晶材料的抗彈仿真分析

劉江麗,黃志文

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

為了適應現代戰場的需求, 既能保護人體又能隨時觀察敵情的功能與結構一體化的透明裝甲迅速發展了起來。透明裝甲是指兼具透光和一定防彈能力的透明防護結構，主要用于各種窗口和觀瞄部位的防護。透明裝甲的發展，使得以氮氧化鋁(AlON)、藍寶石單晶(AlO)和鋁酸鎂(MgAlO)為代表的透明陶瓷材料開始受到重視。與傳統材料相比, 這種裝甲材料具有強度高、重量輕的優點, 對于防止子彈穿過風擋、武器裝備窗口等透明件具有良好功效。

侵徹深度試驗(DOP)是通過對彈體侵徹基準靶與復合靶的侵徹深度數據進行對比計算，得到靶板的防護系數。防護系數越高，靶板的抗侵徹能力越強。DOP試驗因試驗能耗小、效率高得到了廣泛的應用。

為了推動透明陶瓷在裝備上的應用，本文針對藍寶石單晶材料的抗侵徹性能開展了DOP仿真及試驗研究，得到了一些對工程設計具有指導意義的結論。

1 動態損傷本構模型

1.1 陶瓷材料動態損傷本構模型

對于陶瓷材料，目前應用最廣泛的本構模型為JH-2模型。JH-2模型是一種累積損傷失效模型，主要描述了陶瓷材料的強度、壓力和損傷三者之間的變化關系。

1.1.1 強度模型

Johnson和Holmquist提出的JH-2模型計及了材料的應變率效應，認為陶瓷材料在產生破壞之前可將其視為彈性材料處理，而當陶瓷材料發生破壞時，可將其作為強度隨損傷累積變化的完整材料。陶瓷材料強度的無量綱表達式為：

(1)

=

(2)

其中，是等效強度，是材料在Hugoniot彈性極限(HEL)下的等效強度。歸一化的完整材料的等效強度可表示為：

歸一化的損傷材料的等效強度可以表示為：

(4)

112 損傷模型

JH2模型中的損傷系數可以表示為：

(5)

(6)

其中，和為材料常數，可以通過試驗得到。

113 壓力比容關系

最大靜水拉伸強度可以通過陶瓷材料的準靜態壓縮試驗和動態力學試驗的擬合曲線得到，而靜水壓力與密度的關系滿足關系式：

=++(≥0)

(7)

=(≤0)

(8)

其中，=(-1)，為材料密度，為材料初始密度，為材料的體積模量，、為材料常數。

壓力模型還包括一部分由于脆性材料失效造成的體積膨脹而額外增加的壓力△，因此：

=+++Δ

(9)

1.2 金屬材料動態損傷本構模型

121 強化模型

Johnson和Cook于1983年針對高速沖擊和爆炸侵徹問題提出了Johnson-Cook強化模型：

(10)

(11)

122 失效準則

1985年，Johnson和Cook建立了一個失效應變函數：

=

(12)

(13)

(14)

考慮到在動態失效過程中，應力狀態、應變率和溫度是變化的，材料的失效由下面的塑性應變累積準則來判斷：

(15)

式中，△為變形歷史中等效塑性應變的增量，為損傷參數。

2 藍寶石單晶材料DOP試驗數值模擬

本章根據不同材料高速沖擊損傷的特點，選取了靶板和彈體材料的本構模型，采用非線性動力有限元方法，應用ABAQUS軟件，分別建立了基準鋁靶和藍寶石單晶/2024航空鋁復合靶的DOP試驗數值模擬分析模型。

2.1 幾何參數及有限元建模

在現有的分析條件和理論支撐下，復雜模型不僅會帶來計算上的誤差、不收斂和結構響應的失真，同時由于其計算的繁瑣性，需要用很大的計算量來換取微小的精度提高。因此，簡化分析計算模型是建立幾何模型的第一步。

1)彈芯模型

試驗彈種采用國產54式12.7 mm穿甲燃燒彈，彈頭由彈頭殼、彈芯、鉛套等零件組裝而成。由于在沖擊的瞬間，彈頭殼脫去，僅剩下彈芯，而且在侵徹過程中彈芯起主要作用，而其他部位的作用較小，因此，將彈體簡化為彈芯進行侵徹過程的仿真分析。

2)靶板模型

選取尺寸為150 mm×150 mm的鋁靶和藍寶石單晶/2024航空鋁復合靶，靶板設置方案見表1。分別開展了12.7 mm 穿甲燃燒彈侵徹基準鋁靶和藍寶石單晶/2024航空鋁復合靶的DOP數值模擬，計算模型見圖1。

表1 靶板設置方案/(mm)

圖1 DOP 試驗計算模型

根據前文對材料本構模型的描述，DOP數值模擬中涉及的三種材料的本構模型和損傷模型如表2 所示。

表2 彈芯及靶板材料的本構模型

模型中的各部分結構包括彈芯、藍寶石單晶面板、鋁板均采用八節點的固體單元，采用六面體結構化網格的劃分方法；單元類型選擇Explicit、Linear、3D Stress、減縮積分單元C3D8R。對靶板材料，單元控制類型的選項設置如下：element deletion=YES，即單元失效后單元自動刪除。考慮到高速沖擊中靶板變形主要集中在沖擊接觸區，有限元模型網格劃分時，采用漸進式的網格劃分，使網格密度沿沖擊點向外逐漸減小(見圖2)。這樣既保證了分析結果的精度，又提高了計算效率。

圖2 計算模型的網格劃分

2.2 仿真結果及分析

12.7 mm穿甲燃燒彈侵徹基準鋁靶的DOP數值模擬結果見圖3。

圖3 基準靶DOP數值模擬結果

12.7 mm 穿甲燃燒彈侵徹復合靶的DOP數值模擬結果見圖4。

圖4 復合靶DOP數值模擬結果

本文采用計算防護因數的方式評估材料的抗彈性能。防護因數是一種常用的評估面板材料抗彈能力的參數，防護因數越高，材料的抗彈能力越好。其計算公式如下：

(16)

式中：為防護因數，為鋁合金密度，為穿甲燃燒彈基準穿深，為面板材料(藍寶石單晶)密度，為侵徹深度，為面板層厚度。

防護因數計算所需材料密度見表3。DOP數值模擬侵徹深度及防護因數結果如表4所示。

表3 防護因數計算所需材料密度

表4 侵徹深度試驗結果

結果表明，隨著藍寶石單晶厚度的增加，靶板的侵徹深度值減小，層合結構的防護因數增加，即藍寶石單晶材料的抗彈性能隨厚度的增加而增加。

3 藍寶石單晶材料DOP試驗

3.1 試驗現場布置

本試驗參考GJB59.18-1988《裝甲車輛試驗規程裝甲板抗槍彈性能試驗》相關要求進行，依托山東非金屬材料研究所的彈道實驗室開展相關試驗。DOP試驗在標準封閉式的靶道內進行，實驗室現場設備儀器及樣品布局圖如圖5所示。

圖5 實驗室現場設備儀器及樣品布局圖

試驗靶道包括發射裝置、測速靶、靶板支架等裝置；射擊起點處安裝固定54式12.7 mm口徑彈道槍，發射同口徑的54式12.7 mm穿甲燃燒彈；測速靶采用雙聯光幕靶，配合電子計時儀使用。

3.2 試驗彈靶設置

1)彈體情況

試驗采用54 式12.7 mm穿甲燃燒彈，彈殼、彈頭實物見圖6。穿甲燃燒彈彈芯為硬質合金鋼，蒙皮由覆銅鋼材質構成，內含相應的燃燒劑及配重鉛套。

圖6 12.7 mm穿甲燃燒彈彈殼、彈頭實物圖

2)靶板情況

藍寶石單晶/2024航空鋁復合靶面板采用藍寶石單晶透明陶瓷，由內蒙古晶環公司生產；背板采用2024 航空鋁，由山東非金屬材料研究所提供。面板尺寸150 mm×150 mm，厚度4 mm/6 mm/8 mm，每組厚度數據設置3塊試樣件；背板為直徑250 mm、厚55 mm的圓形靶板，膠層厚度0.7 mm。由上，試驗共設置了9 塊試驗靶板，編號分別為C4-1-C4-3、C6-1-C6-3、C8-1-C8-3，進行藍寶石單晶/2024航空鋁復合靶DOP試驗。試驗靶板方案見表5。

3.3 試驗結果及數據分析

試驗后的靶板圖片如圖7 所示。藍寶石單晶透明陶瓷在彈著點處形成了高損傷區，從彈著點向四周擴散直接碎裂。試驗后的鋁合金靶中的侵徹深度測量圖見圖8，基準深度8.9 mm。靶板圖片以C4-3為例，不再一一列舉。試驗數據見表6。

表5 試驗靶板方案

圖7 試驗后靶板圖片

圖8 試驗后侵徹深度測量

表6 侵徹深度數據

通過開展復合靶DOP試驗，得到了不同厚度藍寶石單晶復合靶的侵徹深度數據。試驗結果表明：隨著藍寶石單晶厚度的增加，侵徹深度值逐漸減小，與仿真結果趨勢一致；藍寶石單晶的抗彈性能隨厚度的增加而增加，當藍寶石單晶厚度達到8 mm時，基本可抵抗12.7 mm穿甲燃燒彈。

由于藍寶石單晶板的個體差異性及其他因素，近似厚度的不同藍寶石單晶板彈擊后的侵徹深度值差異較大。為此，對三組數據取平均值，試驗穿深數據平均值見表7。

表7 試驗穿深數據取均值

為了與前文得到的DOP仿真數據作對比，對DOP試驗數據進行進一步的處理，將厚度平均值取整換算，結果見表8。

表8 取整換算后的試驗穿深數據

3.4 DOP試驗結果與數值模擬結果對比

將試驗結果與數值模擬結果進行對比，對比結果如表9 所示。數值模擬結果與試驗結果吻合較好，誤差在5%～12%之間，因此可以認為所建立的數值模型能較好地反映材料的力學響應特性。

表9 DOP試驗數值模擬結果與試驗結果對比

4 總結

通過開展基準鋁靶和藍寶石單晶/2024航空鋁復合靶的DOP試驗仿真及DOP試驗，對比仿真結果與試驗結果，驗證了藍寶石單晶材料本構模型的可靠性。本文對復合靶板結構建立的高速沖擊有限元分析模型正確可靠，能夠實現對復合靶板結構高速沖擊的模擬，可以進一步用于指導透明裝甲層合結構的結構研究，為建立透明裝甲層合結構抗侵徹問題的數值模擬模型提供依據。