步槍彈侵徹帶軟硬復合防護明膠靶標的數值模擬

羅少敏,徐誠,陳愛軍,張曉云,劉蘇蘇

(1.南京理工大學機械工程學院,江蘇南京 210094;2.南京理工大學理學院,江蘇南京 210094)

步槍彈侵徹帶軟硬復合防護明膠靶標的數值模擬

羅少敏1,徐誠1,陳愛軍2,張曉云1,劉蘇蘇1

(1.南京理工大學機械工程學院,江蘇南京 210094;2.南京理工大學理學院,江蘇南京 210094)

為研究步槍彈撞擊帶軟硬復合防護明膠靶標的作用過程和作用機理,采用顯式有限元方法對7.62 mm步槍彈侵徹復合靶標過程進行數值模擬,分析侵徹過程中的典型現象及明膠靶標動態響應。數值計算結果表明:陶瓷錐的形成是由壓縮應力波和拉伸應力波共同作用的結果;彈頭加速度變化存在明顯的分段與拐點,侵徹陶瓷面板過程中,加速度達到最大,侵徹聚乙烯(PE)背板層時,出現第二個拐點;由于防護層存在多個界面,撞擊過程中PE背板界面存在速度多峰現象:當彈頭運動加速度達到最大時,PE背板界面出現第一個速度峰,明膠界面出現第一個壓力峰;當彈頭開始侵徹PE背板時,背板層出現第二個速度峰;在步槍彈撞擊過程中明膠內壓力波傳遞呈現球形波基本形態,壓力峰值隨距離增加呈指數衰減。

兵器科學與技術;槍彈;數值模擬;軟硬復合防護;明膠;侵徹

0 引言

現代戰場槍彈與破片對士兵的威脅最大,由硬質防彈插板和軟質防彈衣組成的軟硬復合防護成為最主要的單兵防護具。一般情況下,步槍彈的速度達到700～980 m/s,在該速度段內針對步槍彈對帶軟硬復合防護的有生目標作用效應的研究具有重要的現實意義和工程應用價值。

關于步槍彈撞擊軟硬復合防護的研究,國內外主要集中在步槍彈直接侵徹陶瓷及侵徹陶瓷面板與背板組成的復合防護層,研究侵徹全過程動態響應和防護層防護能力。Krishnan等[1]研究了陶瓷/高聚乙烯(UHMWPE)復合板的抗彈性能,以數值模擬對比彈道穿深實驗驗證了有限元網格的精細程度對計算結果的影響,分析了彈頭對陶瓷/高聚乙烯復合板的侵徹過程,為單兵防彈衣的毀傷預測提供了參考。Feli等[2-3]研究了槍彈侵徹陶瓷—纖維復合材料過程,認為隨著彈頭初始速度的減小陶瓷錐最大角度增大,同時隨著初始速度的增加,纖維凹面層數增多,頂部復合板的變形減小。Fawaz[4]等基于Hypermesh和LS-DYNA平臺研究了陶瓷復合防護的侵徹響應,認為在有角度侵徹比垂直侵徹,破壞更為嚴重,為防護材料的優化提供了合理的依據。但上述研究未直接涉及到步槍彈對軟硬復合防護后的有生目標作用效應。由于有生目標的特殊性和復雜性,對其作用效應的研究難以直接進行,國內外通常采用明膠靶標來模擬。帶軟硬復合防護的明膠靶標是彈道實驗和評估步槍彈對帶防護有生目標的作用效應的主要靶標,目前國內外未見采用數值模擬研究步槍彈對帶軟硬復合防護的明膠靶標作用效應相關文獻報道。

本文結合相關彈道實驗,建立了與之對應的有限元數值計算模型,利用顯式有限元方法進行數值模擬,再現了7.62 mm步槍彈對帶軟硬復合防護的明膠靶標的侵徹過程。數值計算結果與實驗結果吻合較好,驗證了所建立的有限元模型的正確性。在此基礎上,研究侵徹過程中典型物理現象和非貫穿侵徹時防護后明膠靶標動態響應,為非貫穿侵徹帶軟硬復合防護有生目標的毀傷機理認識、評估,槍彈優化設計以及單兵防護裝備優化設計提供了參考。

1 數值計算模型及實驗驗證

1.1 有限元模型

本文研究的帶軟硬復合防護明膠靶標幾何結構如圖1所示,它由陶瓷面板、聚乙烯(PE)背板和高聚乙烯纖維軟防護層及明膠組成。陶瓷輕質高強防彈插板為PE材料陶瓷復合板,由高性能PE纖維“UD”無緯布和氧化鋁陶瓷材料構成,符合美國NIJ標準防Ⅲ級,規格尺寸為250 mm×300 mm.軟質防護為超高分子量聚乙烯纖維防彈材料,符合GA141-2001警用標準防Ⅱ級。明膠材料為4℃、10%彈道明膠,作為仿生肌肉靶標,在制作過程中,將插板和軟防護與明膠材料一起脫模。本文主要研究7.62 mm步槍彈對該帶軟硬復合防護明膠靶標的作用效應。

對圖1所示靶標進行有限元網格劃分,離散化后有限元網格如圖2(a)所示,為兼顧計算時長與計算精度,對防護層和明膠塊中心彈著點區域進行進一步細化:面板、背板層和軟防護在彈著點中心5倍半徑區域加密,向外劃分逐漸稀疏,面板和背板中心區域劃分30段,如圖2(b)所示;彈頭由彈頭殼被甲、鉛套和鋼芯組成,彈頭殼錐部與圓柱部過渡部分由3個單元轉化為2個單元,鉛套前部精細劃分,鋼芯部分由頭部向尾部逐漸稀疏,如圖2(c)所示。彈頭、陶瓷面板層、PE背板層和明膠塊采用SOLID單元,其中彈頭中彈頭殼共 9 792個單元,鉛套共10 400個單元,鋼芯共9 216個單元;陶瓷面板共63 000個單元;PE背板共126 000個單元;明膠塊共180 000個單元。軟防護共46層,采用Shell單元建模,中心加密方式與面板和PE背板一致,共165 600個單元。

數值模擬中邊界條件設置與實驗一致,彈頭殼、鉛套與鋼芯設置自動面面侵蝕接觸,靶板與軟質防護以及明膠塊之間設置為自動面面接觸,陶瓷插板面板層與背板層之間設置固連失效接觸,實驗中軟防護層與層之間無膠粘材料,因此軟質防護內部設置自動單面接觸,彈頭與復合靶標之間設置面面侵蝕接觸,整體采用單點積分,明膠塊設置沙漏控制。

圖2 彈頭侵徹靶板及明膠有限元網格Fig.2 Finite element mesh of bullet impacting armor and gelatin

1.2 材料模型與參數

彈頭的被甲、鉛套和鋼芯采用Johnson-Cook模型結合Gruneisen狀態方程來描述彈頭在侵徹過程中材料的力學行為,其材料參數與文獻[5]相同。陶瓷面板采用Johnson-Hoimquist模型來描述,根據文獻[6-7]來進行主要參數的賦值。描述背板和軟防護的材料性能都采用 MAT_COMPOSITE_ FAILURE_OPTION_MODEL材料模型,對于PE背板采用SOLID單元,對于軟防護采用SHELL單元。該模型由Cheng等[8]嵌入LS-DYNA軟件中,是包含8種失效模式的正交異型材料模型,根據所做基礎材料實驗及文獻[9]確定主要材料參數值。表1給出了PE背板采用的材料模型參數,表2給出了PE纖維軟防護的材料模型參數。明膠靶標采用流體彈塑性材料模型(MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO)結合LINEAR_POLYNOMIAL狀態方程來描述,材料參數參考文獻[10-11],與文獻[5,12]相同。

1.3 模型驗證

為驗證本文所建立有限元仿真模型的可信性和準確性,進行了7.62 mm步槍彈侵徹帶軟硬復合防護的明膠靶標實驗。實驗中采用的軟硬復合防護靶標結構尺寸與圖1相同,入靶速度由光電測速靶測量,明膠內壓力由壓電晶體傳感器測量,高速攝像機拍攝彈頭與防護及靶標作用過程。下面從實驗后彈頭結構形態和穿深、背凸量、最大壓力、明膠靶標瞬時凹入量等方面將計算結果與實驗結果進行了比較。

表1 PE背板材料主要參數Tab.1 Mechanics properties of materials of PE

表2 軟防護材料主要參數Tab.2 Mechanics properties of materials of so ft armor

數值仿真結果和實驗結果皆顯示步槍彈均未穿透防護:步槍彈穿過陶瓷面板,繼續侵徹PE背板層,最終停留在插板背板層中。如圖3所示,彈頭作為投射物在撞擊過程中受到防彈插板阻礙,不斷破碎及變形,彈芯頭部墩粗,呈明顯的“蘑菇”形,計算的彈頭形態與實驗結果基本一致。

表3給出了計算獲得的典型侵徹特征量與實驗結果的比較,可知計算獲得的步槍彈穿深、剩余長度、明膠中壓力峰值以及明膠靶標最大瞬時凹入量等與實驗結果基本一致。綜合計算與實驗對比情況可知,本文所建立的有限元模型具有較好的可信度和準確性,能夠有效地模擬殺傷元對軟硬復合防護后的明膠靶標的侵徹作用和動態響應。

圖3 彈頭形態對比Fig.3 Comparison of bullet configurations

2 計算結果分析

2.1 侵徹過程中防護層應力變化特性

彈體撞擊陶瓷面板,產生一束壓力波,壓力波在橫向和縱向方向傳播,彈著點及其附近區域開始產生損傷,如圖4中10 μs時刻。縱向壓力波沿彈道方向傳播,到達陶瓷面板與PE背板界面處時,由于陶瓷材料和高聚乙烯材料的密度和聲阻抗等性質的差異,會反射形成一個拉伸波,被壓縮的固體材料會膨脹,拉伸波與彈體前進方向反向傳播,不同材料界面開始出現損傷,當時長在30 μs時,陶瓷錐基本形成。圖4描述了典型時刻段防護材料應力分布情況。反射拉伸波在陶瓷面板內不斷傳播,陶瓷錐不斷擴展,至彈頭停止運動。

在由硬質插板和軟質防護材料組成的防護體系中,插板防護對彈頭的侵徹阻滯和動能消耗起主要作用。彈頭在界面擊潰過程中材料流動發生質量侵蝕和變形,損耗部分動能,同時受到靶板阻力作用,侵徹速度下降,直至被攔截停止運動。彈頭與軟硬復合防護接觸全過程,伴隨了陶瓷擊潰、彈頭變形、背板背凸變形、軟質防護變形和明膠靶標動態凹陷等主要物理現象。在侵徹過程中,陶瓷材料受到拉壓應力波的反復作用發生裂紋擴展、破碎及飛濺,如圖5所示。通過靶板z向應變云圖與等值線可以看出,拉伸損傷和壓縮破壞對陶瓷錐的影響很大,陶瓷錐中心區域由于受到壓縮應力波作用出現負應變,在陶瓷錐邊沿區域由于受到反射拉伸波的作用出現正應變,應變云圖與陶瓷錐基本形態相似。背板層與彈頭直接接觸時,阻擋彈頭繼續侵徹,發生變形,壓縮軟質防護層變形,同時明膠靶標受到撞擊產生凹陷,彈頭直接侵徹結束后明膠靶標發生長時間動態卸載消耗傳遞至模擬靶標的能量。

表3 數值模擬結果與實驗結果對比Tab.3 Comparison of numerical and experimental results

2.2 彈靶相互作用過程中速度、加速度變化特性

彈頭速度變化、加速度的變化與整個侵徹過程中陶瓷面板、PE背板的物理特性相關,與陶瓷錐的成型、背板的變形直接相關。圖6給出了計算所獲得的彈頭侵徹帶軟硬復合防護的明膠靶標過程中速度曲線和加速度曲線,在彈頭速度衰減曲線上標出了3個特征點:A0點為運動初始接觸點,B0點為彈頭部分即將穿過陶瓷面板與背板接觸時刻,C0點為運動速度為0時刻。

在加速度曲線上,A1點為運動初始點,B1點為加速度最大點,在C1點時加速度曲線出現第二個拐點,D1點加速度值減小為0.根據圖6和圖4,將彈頭侵徹過程和加速度變化分為3段:

1)A1B1段,約為0～20 μs,彈頭頭部與陶瓷面板初始接觸,加速度急劇增大,彈頭頭部材料向外流動而發生質量侵蝕和變形。在彈頭界面擊潰過程中,陶瓷面板受到高速沖擊作用,開始出現初始裂紋,在頭部“擠進”陶瓷面板后,加速度達到最大,此階段視為彈頭侵徹過程的開坑階段。開坑部分直徑大于彈頭直徑。

2)B1C1段,約為20～50 μs,陶瓷面板由于短時間的強沖擊破碎,對彈頭的阻力減小,后期主要以摩擦阻力為主。在此階段內陶瓷錐形成,彈頭與陶瓷錐一起運動,同時受到背板阻力與面板摩擦力作用,加速度減小。此階段可視為彈頭在陶瓷面板內運動的穩定侵徹階段,速度曲線上的B0點與B1C1曲線段上的C1點很接近。

3)C1D1段,約為50～90 μs,在C1點,加速度曲線出現第二個拐點,彈頭頭部部分嵌入PE層壓板內部,彈頭主要受到背板阻力作用,加速度逐漸衰減,直至減小為0.速度曲線上的C0點與C1D1段上的D1點不重合。隨著彈頭的運動PE背板的變形成為主要的吸能方式,背板背凸量增大直至彈頭停留在背板內,同時彈芯發生墩粗,整體長度變短。

彈頭在侵徹過程中主要包括:界面擊潰、彈芯墩粗變形、磨損發熱等。彈頭變形主要發生在約前50 μs:在彈頭界面擊潰階段,彈頭頭部錐頭部分磨損侵蝕,彈頭形狀和質量發生改變,與靶板接觸面積變大;在彈頭受到背板防護阻力作用過程中,彈頭的變形對侵徹的影響較為明顯,伴隨彈芯墩粗和質量侵蝕,侵徹速度下降,同時會發生加速度的跳躍,如B1C1曲線段較為明顯的跳躍點。

圖4 侵徹過程典型時刻Fig.4 Penetration processes at some typical moments

圖5 靶板z向應變云圖(t=30 μs)Fig.5 Strain contour of ceramic/PE composite target in direction z(t=30 μs)

圖6 彈頭速度和加速度變化曲線(v0=734 m/s)Fig.6 The variation of projectile velocity and acceleration(v0=734 m/s)

2.3 靶標界面速度變化特性

在整個侵徹過程中靶標存在3個界面,其中兩個明顯界面:一是插板防護與軟質防護之間;二是軟質防護與明膠靶標之間。一個不明顯界面,即插板防護中陶瓷面板與PE背板材料之間。分析界面位置處單元及質點的速度、加速度對于研究非貫穿侵徹作用下明膠靶標的損傷機制尤為重要。

數值模擬中在彈頭彈道方向上選取PE背板與軟質防護、軟質防護與明膠靶標界面處單元,分析明膠靶標在侵徹過程中的動態特性。與軟防護接觸的PE背板單元為71 986,與軟防護接觸的明膠靶標單元為354 809,圖7為背板及明膠界面速度變化曲線,可以看出明膠界面單元的最大速度為66.8 m/s, PE背板單元運動的最大速度為87.3 m/s.

如圖7所示,背板界面存在速度多峰。對比圖6,背板界面單元第一個速度峰值點出現的時間約在20 μs左右,與彈頭加速度最大值出現的時刻基本一致。背板速度第一個峰值的出現與彈頭的強沖擊直接相關:彈頭撞擊陶瓷面板層,在此過程中出現第一個速度上升沿并達到最大;在形成陶瓷錐后,彈頭與陶瓷錐一起運動,繼續運動過程中伴隨陶瓷的破碎,對彈頭的阻力開始減小,出現“卸載”現象,但隨著彈頭到達PE背板,與PE背板接觸,PE背板的速度增大出現第二個峰值。軟防護最后一層與明膠界面單元第一個速度峰值時刻出現一定延遲,這與沖擊過程中壓力波的傳遞有關,同時由于防護層變形,軟防護最后一層會擠壓明膠界面使得明膠界面速度出現第二個平緩峰值,隨后明膠界面與軟防護最后一層開始出現明顯的界面分離。

圖7 界面單元速度變化Fig.7 The variation of interface velocity

2.4 明膠內壓力波傳遞特性

在撞擊過程中,當彈頭接觸防護材料,壓力波形成,傳遞至界面,形成拉伸波。壓力波繼續經由軟質防護傳播至明膠模擬靶標,如圖8所示,在傳播初始階段,明膠靶標內典型時刻壓力波傳遞呈現球形波基本形態。沿彈頭侵徹方向每隔2 cm選取明膠上單元,共4個測點,測點壓力隨時間變化曲線如圖9所示。

計算獲得的明膠界面壓力峰值達到94.1 MPa,界面壓力曲線會出現第二個壓力峰值,這是由于彈頭與PE背板撞擊所致;壓力波在明膠內傳播速度為1 421.5 m/s,實驗中測得傳播速度為1 501 m/s,二者基本一致。壓力峰值隨距離衰減情況如圖10所示,壓力波在傳播過程中,隨著傳播距離增加,壓力峰值呈指數下降。

3 結論

本文針對步槍彈侵徹帶軟硬復合防護的明膠靶標,進行了有限元建模和數值模擬,通過與實驗結果的對比驗證了有限元模型的可信性和準確性,計算結果表明:

1)彈頭在撞擊過程中,彈頭加速度存在明顯的分段與拐點。侵徹陶瓷面板過程中,加速度達到最大,侵徹PE背板層時,出現第二個拐點。彈頭變形主要發生在侵徹陶瓷面板運動過程中,侵徹背板時主要吸能方式為PE背板的拉伸變形。

圖8 明膠內壓力波傳遞Fig.8 Propagation of shock waves in gelatin

圖9 不同距離測點處壓力波形曲線Fig.9 Pressure of shock waves at different distances

2)由于靶標存在多個防護層界面,撞擊過程中PE背板界面點存在速度多峰現象,出現時刻與彈頭運動存在一定的關聯。當彈頭運動加速度達到最大時,在彈頭強沖擊下,背板材料背面彈道方向單元速度達到第一個速度峰,隨后明膠界面出現第一個壓力峰,最大壓力達到94.1 MPa,防護層界面處明膠單元最大運動速度達到66.8 m/s.當彈頭開始進入背板層時,PE背板第二個速度峰,導致明膠壓力曲線出現第二個峰值。

3)沖擊過程中,明膠內壓力波傳遞呈球形波形態,壓力峰值隨傳播距離呈指數規律衰減。

圖10 壓力峰值隨距離變化情況Fig.10 Peak pressure versus distance

References)

[1] Krishnan K,Sockalingam S,Bansal S,et al.Numerical simulation of ceramic composite armor subjected to ballistic impact[J]. Composites,2010,41:583-593.

[2] Feli S,Asgari M R.Finite element simulation of ceramic/composite armor under ballistic impact[J].Composite Structures,2011, 42(4):771-780.

[3] Feli S,Asgari M R.An analytical model for perforation of ceramic/multi-laryered planar woven fabric targets byblunt projectiles [J].Composite Structures,2011,93(2):548-560.

[4] Fawaz Z,Zheng W,Behdinan K.Numerical simulation of normal and oblique ballistic impact on ceramic[J].Composite Structures, 2004,63(2):387-395.

[5] 溫垚珂,徐誠,陳愛軍,等.步槍彈侵徹明膠靶標的數值模擬[J]兵工學報,2013,34(1):14—19.

WEN Yao-ke,XU Cheng,CHEN Ai-jun,et al.Numerical simulation of penetration of bullet on gelatin target[J].Acta Armamentarii,2013,34(1):14-19.(in Chinese)

[6] Simha C H M.Computational modeling of the penetration response of a high-purity ceramic[J].International Journal of Impact Engineering,2002,27(1):65-86.

[7] Cronin D S,Bui K,Kaufmann C,etal.Implementation and validation of the Johnson-Holmquist ceramic material model in LS-Dyna[C]//4th European LS-DYNA Users Conference.Ulm,Germany:DYNA more Gmh,2003:D-I-47-D-I-59.

[8] Cheng W,Hallquist J.Implementation of three-dimensional composite failure model into DYNA3D[M].US:Livermore Software Technology Corporation,2004.

[9] Menna C,Asprone D,Caprino G,et al.Numerical simulation of impact tests on GFRP composite laminates[J].International Journal of Impact Engineering,2011,38(8/9):677-685.

[10] Segletes S B.Modeling the penetration behavior ofrigid spheres into ballistic gelatin,ARL-TR-4393[R].Aberdeen Proving Ground,MD:Army Research Laboratory,2008.

[11] Kwon J,Subhash G.Compressive strain rate sensitivity of ballistic gelatin[J].Journal of Biomechanics,2010,43(3):420-425.

[12] Wen Y K,Xu C,Wang H S,et al.Impact of steel spheres on ballistic gelatin at moderate velocities[J].International Journal of Impact Engineering,2013,62:142-151.

Numerical Simulation of Bullets Penetrating into Gelatin Target with Hard/Soft Composite Armor

LUO Shao-min1,XU Cheng1,CHEN Ai-jun2,ZHANG Xiao-yun1,LIU Su-su1
(1.School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China; 2.School of Science,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China)

In order to explore the interaction process and mechanism of bullet impacting a gelatin target with hard/soft composite armor,the penetration of 7.62 mm bullet into composite armor and gelatin is numerically simulated using an FEA method,and the typical phenomena of impacting process and the dynamic response of gelatin target are analyzed.The simulation results show that the formation of the ceramic cone results from the compressive and tensile stress waves.The obvious segmentation and inflection points display on the curve of projectile acceleration.The acceleration reaches its maximum when the projectile penetrates into a ceramic faceplate.The second inflection point appears when the projectile penetrates into PE rear plate.The multi-peaks appear on the velocity curve of PE rear plate due to multiple interfaces on protection layer:When the projectile reaches the maximum acceleration,the first peak appears,and the first pressure peak appears on gelatin interface;the second peak appears when the projectile penetrates into PE rear plate.The propagation of pressure wave in gelatin presents the basic form of spherical wave,and the pressure peak propagation complies with the law of exponential decay.

ordnance science and technology;bullet;numerical simulation;hard/soft composite armor; gelatin;penetration

TJ012.4

:A

:1000-1093(2014)08-1172-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.08.006

2013-10-25

羅少敏(1987—),男,博士研究生。E-mail:1119lsm@163.com;徐誠(1962—),男,教授,博士生導師。E-mail:xucheng62@mail.njust.edu.cn