陣列式陶瓷顆粒破片防護層防彈性能仿真研究＊

安振濤，甄建偉

（解放軍軍械工程學院，石家莊 050003）

0 引言

!陣列式陶瓷顆粒破片防護層是由大量陶瓷顆粒經改性樹脂粘結固化而成，它與防彈陶瓷板一樣具有很強的防彈能力[1－6]，其具有輕質、高強的特點，特別適合作為輕型裝甲車輛的防護材料使用。由于組成防護層的陶瓷顆粒相互獨立，當高速彈丸侵徹防護層時，只有一個或幾個陶瓷顆粒發生破碎，防護層的其它部分仍保持原有性能，因此整個破片防護層仍具有很強的防彈能力，克服了防彈陶瓷板破碎后整體失效的缺點。陣列式陶瓷顆粒破片防護層是一種新型的防彈復合材料，尚未發現有相關文獻刊載，因此非常有必要對這種材料的防彈性能進行研究。文中在已制備的特定參數陣列式陶瓷顆粒破片防護層的基礎上，通過數值仿真技術來研究防護層的防彈性能，從而為破片防護層的性能改進提供理論參考。

1 模型的建立

1.1 陶瓷顆粒的結構和尺寸

陣列式陶瓷顆粒破片防護層中陶瓷顆粒為圓柱形結構，圓柱體的兩端分別為球面和平面，球面作為迎彈面，可以提高防護層的防彈能力。已制備的陶瓷顆粒及其尺寸如圖1所示。

圖1 陶瓷顆粒及其尺寸參數

1.2 陶瓷顆粒的排列方式

一般來說，陶瓷顆粒的排列方式有兩種，如圖2所示。

其中圖2（a）的排列方式稱為直排式，圖2（b）稱為斜排式。當陶瓷顆粒的直徑一定時，經簡單的幾何計算，就可得出直排方式下顆粒之間的縫隙要大于斜排式。因此文中選用斜排的方式排列陶瓷顆粒。

圖2 陶瓷顆粒的排列方式

1.3 仿真模型

圖3 陣列式陶瓷顆粒破片防護層抗侵徹仿真模型

圖4 陶瓷顆粒在改性樹脂中所處的位置

根據陶瓷顆粒的尺寸，應用Autodyn軟件建立斜排方式的仿真模型，如圖3所示。為了觀察到陶瓷顆粒，改性樹脂的模型僅顯示了一部分。陶瓷顆粒的尺寸如圖1所示，它在改性樹脂中的位置見圖4，在陶瓷顆粒的迎彈面和背彈面外改性樹脂的厚度均為2mm，也就是說陶瓷顆粒完全被改性樹脂所包覆。陣列式陶瓷顆粒破片防護層的下部分是厚度為2mm的鋼板，用于提高防護層的整體強度。用于侵徹防護層的破片根據GJB 4300－2002《軍用防彈衣安全技術性能要求》，采用1.1g模擬破片，類似于STANAG 2920標準中的1.1g模擬破片，其尺寸如圖5所示。破片的初始速度設定為700m／s，即驗證防護層是否能達到Ⅳ級的防破片等級。

圖5 模擬破片的尺寸

1.4 材料參數設置

仿真過程中涉及的模型有破片、陶瓷顆粒、改性樹脂和鋼板，它們的材料分別為剛性鑄鐵、Al2O3陶瓷、環氧樹脂和低碳鋼。在強沖擊載荷作用下，材料將產生復雜的動力學響應，例如：應變硬化、應變率硬化、塌陷、破碎等現象。在AUTODYN軟件中，這些現象一般可以由三個模型來描述，它們分別是狀態方程、強度模型和破壞準則。針對各種材料性質的不同，分別選用了不同的本構模型，見表1。

表1 不同材料的本構模型

下面分別對各種材料模型進行描述，并確定其主要參數。

1）破片

破片采用Shock狀態方程。Shock狀態方程可以描述為：

其中，假定Γρ＝Γ0ρ0＝常數（Γ為Gruneisen常數），PH和eH分別為Hugoniot曲線上某點的壓力和內能。破片的材料模型主要參數見表2。

表2 破片的材料模型參數

2）陶瓷顆粒

陶瓷顆粒采用Johnson－Holmquist強度模型來描述其強度行為。此模型由Johnson＆Holmquist于1993年提出，分為分段式（JH1）和連續式（JH2）兩種形式。文中采用JH2強度模型，該模型包含陶瓷材料未損傷和已完全損傷的強度。在損傷破碎狀態下其強度表示為：

其中：D為損傷因子，σi＊和σf＊分別表示完整（D ＝0）和破碎（D ＝1）狀態時材料的無量綱等效應力。陶瓷顆粒的材料模型主要參數見表3。

表3 陶瓷靶板的材料模型參數

3）改性樹脂

仿真模型中的粘結材料為環氧樹脂，材料參數選用AUTODYN材料庫中的EPOXY RES2。EPOXY RES2材料采用Shock狀態方程，環氧樹脂的材料模型主要參數見表4。

表4 環氧樹脂的材料模型參數

4）鋼板

鋼板采用和破片材料相同的狀態方程和強度模型。鋼板的材料模型主要參數見表5。

表5 鋼板的材料模型參數

圖6 破片侵徹的不同位置

2 仿真結果及分析

根據仿真模型的參數設置建立模型，計算的時間域設定為0～0.1ms。對于陣列式陶瓷顆粒破片防護層來說，有3個特殊的位置，如圖6所示。對這3個位置的侵徹過程進行研究，就基本可以確定整個防護層的防彈性能，因此分別建立破片對這3個位置的侵徹模型，為了減少對計算資源的浪費，模型中陶瓷顆粒數量的確定原則是，保證受直接侵徹的陶瓷顆粒被其它顆粒所包圍的最小數量。3個侵徹位置所對應的仿真模型分別如圖7（a）～圖9（a）所示，從圖中可以發現每個模型中陶瓷顆粒的數量各不相同，位置1～3對應模型中的陶瓷顆粒的數量分別為7、10和12個。

圖7 位置1對應的仿真模型

圖8 位置2對應的仿真模型

圖9 位置3對應的仿真模型

圖 7（a）～圖9（a）表示了仿真模型中 0.1ms 時刻各種材料的狀態。從圖中可以發現，無論破片的侵徹位置在何處，破片侵徹所造成的改性樹脂的破壞面積都遠遠大于破片的直徑。另外，受破片直接侵徹的陶瓷顆粒破壞比較嚴重，而對于周圍的其它陶瓷顆粒幾乎未受到影響。圖7（b）～圖9（b）中為相應模型中直接受沖擊的陶瓷顆粒在0.1ms時刻的狀態。從圖7（b）中可以發現，當破片的侵徹點在位置1時，受侵徹的陶瓷顆粒幾乎完全破碎；對于位置2的情況，如圖8（b）所示，2個陶瓷顆粒均有一定的破壞，但破碎情況較位置1時輕很多；對于位置3的情況，見圖9（b），3個陶瓷顆粒的破壞情況較位置2時更輕微。

圖10 破片速度的變化趨勢

當破片對防護層侵徹時，破片的速度會隨著時間的延長逐漸變小，如圖10所示。對于侵徹位置的不同，破片的速度變化趨勢略有不同。由于陶瓷顆粒迎彈面曲率的存在，使得破片與陶瓷顆粒發生接觸的時刻各不相同，破片在位置1情況下首先與陶瓷顆粒發生接觸，然后依次是位置2和位置3的情況，這就造成在位置1的情況下，破片的速度首先下降。但在3種情況下，破片的速度在0.04ms內均下降到100m／s以內，然后進入平臺下降期，在0.1ms時刻破片的速度均下降到40m／s以下。這說明在0～0.04ms內，陶瓷顆粒對破片速度的下降起主要作用，在此時間域內陶瓷顆粒發生整體破碎（位置1）或部分破碎（位置2和3），隨后支撐鋼板對破片速度的衰減起主要作用。

圖11 鋼板背面中心的位移變化情況

為陶瓷顆粒起整體支撐作用的鋼板在0～0.1ms內也發生了微小的變形，見圖11，圖中表示了3種情況下鋼板背面中心點的位移情況。由于在3種情況下破片運動的軸線都穿過此中心點，因此可以預測鋼板背面此點的位移最大。對于3種情況，中心點的位移變化情況相差不大，幾乎都是隨時間線性增加，在0.1ms時刻位移均未超過2mm，因此鋼板的變形量遠未達到失效的程度，仍具有很強的抗侵徹能力。

3 結論

1）采用陶瓷顆粒為主要防彈材料制備的破片防護層具有一定的抗侵徹能力，可以達到GJB 4300－2002《軍用防彈衣安全技術性能要求》中Ⅳ級的防破片等級要求。

2）陣列式陶瓷顆粒破片防護層的特殊結構使其具有了很好的抗整體破碎能力，當其受到高速破片的侵徹時，僅有少量陶瓷顆粒發生整體破碎或部分破碎，其它顆粒仍保持完好。這一特性使得防護層具有了良好的可修復性，從而降低了防護層的使用成本。

3）當破片對防護層的不同位置進行侵徹時，陶瓷顆粒均能使破片的速度降至40m／s以下，同時支撐鋼板僅發生輕微變形。當陶瓷顆粒失去防彈作用后，鋼板可以對破片的余速有效的衰減，因此防護層中鋼板所起的作用也不能忽略。

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