破片形狀對復合靶抗侵徹性能影響的實驗研究

周 楠，王金相，謝 君，彭楚才

（南京理工大學 瞬態物理國家重點實驗室，南京210094）

在軍用和民用防護領域中，使用具有高強度的薄金屬板，如均質靶板和有、無間距的層合靶板作為防護材料已具有很長的歷史。功能梯度裝甲的概念于20世紀90年代首先提出［1］，目前，各國均對其開展了廣泛的研究工作。在此期間，不同理論計算模型被提出以研究復合靶板的抗侵徹性能［2－3］，實驗和數值計算方法被廣泛用以研究復合靶板在彈丸侵徹作用下的毀傷模式和破壞機理［4－7］，同時，針對復合靶板的局部剪切沖塞破壞［8－9］和彈丸形狀對靶板抗侵徹性能的影響［10］也開展了一定的研究；在國內，對爆炸復合功能梯度靶板的制備技術及防護性能也開展了初步的實驗研究［11－12］。上述工作的開展豐富了穿甲力學、終點彈道學和高壓物理學等學科的研究內容，具有重要的學術意義。在軍事領域中，功能梯度復合靶可用于半硬目標的防護，有助于實現輕質、高效的防護目標，也可用于運鈔車、流動銀行等民用領域，具有較高的應用價值。然而，綜合當前國內外的研究，不難發現：到目前為止，在綜合考慮靶板厚度、分布及組合方式，破片形狀和界面結合強度等因素的情況下，對爆炸復合靶板抗侵徹性能與機理的研究工作尚不夠系統和深入。

本文的研究對象——爆炸復合靶是由2種或2種以上不同硬度的金屬板經爆炸焊接方法制備而成的具有較高面－面結合強度的復合靶。借助于彈道實驗分析了不同形狀破片侵徹作用下雙層鋼／鋁爆炸復合靶的毀傷機理和破壞模式，討論了破片形狀、動能和靶板厚度分布等因素對抗侵徹性能的影響。

1 彈道實驗

實驗中所采用的破片和彈托如圖1所示，復合靶板厚度組合如表1所示，表中δ為厚度，共采用2組厚度組合靶板。實驗采用14.5mm滑膛槍發射直徑6mm的鋼質球形破片和邊長4.2mm的鋼質立方體破片垂直侵徹復合靶板，通過調節裝藥量來控制破片發射速度，為有效評估靶板的抗侵徹性能，對同一靶板進行5～7次彈擊實驗，破片發射以后，彈托經彈托回收器回收，靶板前后分別放置2組測速靶，用于測量破片入射速度和殘余速度。實驗現場裝置如圖2所示。

表1 靶板層數和厚度組合

圖1 球形破片和立方體破片結構圖

圖2 實驗裝置圖

2 復合靶板毀傷機理研究

不同形狀破片貫穿靶板前后的形貌如圖3所示，不難看出，球形破片幾乎無變形，而立方體破片變形明顯。

圖3 不同形狀破片侵徹靶板前后實驗形貌圖

當球形破片和立方體破片以不同初速v0侵徹復合靶板時，靶板毀傷形態的實驗結果分別如圖4和圖5所示，可以看出，對于雙層鋼／鋁復合靶板而言，無論是在球形破片還是立方體破片的侵徹作用下，復合靶板的破壞模式和毀傷機理幾近相同，即在破片的垂直侵徹作用下，鋼面板受撞擊局部發生應力集中現象，當應力大于鋼面板的最大屈服強度時，鋼面板發生剪切沖塞破壞；隨著侵徹的深入，破片開始侵徹鋁背板，由于鋁板具有較好的延性，在破片的侵徹作用下發生延性擴孔破壞。同時，在破片的侵徹作用下，復合靶板的結合界面發生撕裂破壞，消耗破片的侵徹動能。所以，鋼面板的剪切沖塞耗能、鋁背板的延性擴孔耗能和結合界面的撕裂耗能是提高靶板抗侵徹性能的主要機理。

圖6給出了復合靶S3Al2（即復合靶板的組合為3mm厚的鋼面板和2mm厚的鋁背板）在不同形狀破片以不同初速侵徹作用下的彈孔徑向變形曲線圖，圖中r為彈孔徑向位移，y為彈孔沿侵徹方向的變形量。從圖中可以看出，當球形破片以364m／s初速侵徹復合靶板S3Al2時，靶板未被貫穿，實驗結果較好地反映了彈坑的變形形貌；當球形破片的入射速度為645m／s時，靶板被完全穿透，彈孔徑向變形量隨著距彈孔中心距離的減小而增大。對于立方體破片而言，當破片初速達到698m／s時，復合靶板仍未貫穿；當破片初速提高到935m／s時，復合靶板被完全穿透。

圖4 球形破片侵徹時靶板毀傷實驗結果

圖5 立方體破片侵徹時靶板毀傷實驗結果

圖6 彈孔徑向變形實驗結果

3 復合靶板抗侵徹性能研究

3.1 破片形狀和動能的影響

本文中，球形破片的質量（0.885g）較立方體破片（0.58g）增加了52.6%，也就是說，在相同初速下，球形破片的侵徹動能提高了52.6%。為考察破片侵徹動能對復合靶板抗侵徹性能的影響，實驗中，通過調節裝藥量來控制不同形狀破片的初始動能在大致相等的范圍內，侵徹復合靶板后剩余動能Er與初始動能E0的實驗結果如圖7所示。

從圖7中可以看出，對于不同形狀的破片而言，侵徹動能的提高均有利于破片對復合靶板的侵徹與貫穿；對于相同厚度組合的復合靶板而言，不同形狀破片的動能對靶板的抗侵徹性能具有較明顯的影響。對于復合靶S4Al1而言，當球形破片的初始動能高于104J時，靶板開始出現貫穿現象；而當立方體破片侵徹相同組合的靶板時，其初始動能達到185.6J時，較球形破片提高了78.5%，靶板才被穿透。同樣地，對于復合靶S3Al2，立方體破片需要更大的初始動能才能完全貫穿靶板。這說明，對于立方體破片而言，若要完全侵徹靶板，需要比球形破片更大的初始動能，也就是說，當立方體破片侵徹靶板時，相同組合的復合靶板具有更佳的抗侵徹性能。所以，復合靶板抗立方體破片侵徹性能優于抗球形破片侵徹性能。這可能是由于立方體破片在侵徹過程中發生了較大的變形，所受到的阻力也更大，所以穿透靶板需要更高的動能。

圖7 破片初始動能與剩余動能變化關系

當球形破片和立方體破片分別侵徹不同組合的復合靶板時，不同厚度組合靶板的抗侵徹性能表現出不同的變化規律。對于球形破片而言，當初始動能為70.8J時，靶S3Al2被完全貫穿；而當初始動能為104J時，靶S4Al1才開始穿透。相反地，對于立方體破片而言，完全貫穿靶S3Al2較靶S4Al1需要更大的動能，這也是與球形破片的不同之處。所以，當破片不同時，厚度組合對復合靶抗侵徹性能的影響表現出不同的變化規律，應區別對待。

3.2 靶板厚度分布的影響

當靶板總厚度（5mm）保持不變時，因靶板厚度分布不同，為比較分析厚度分布對復合靶板在不同形狀破片侵徹作用下抗侵徹性能的影響，不同組合復合靶板v50的實驗結果如表2所示。本文通過對速度混合區［13］內的破片初速取均值來獲得復合靶板的彈道極限速度v［14］。

50

從表2中可以看出，在球形破片的侵徹作用下，復合靶板的彈道極限速度隨鋼面板／鋁背板厚度比的增大而提高，當厚度比由3／2提高到4／1時，靶板v50值提高了2.1%；在立方體破片的侵徹作用下，復合靶板的彈道極限速度隨鋼面板／鋁背板厚度比的增大而下降，靶S4Al1的v50值較靶S3Al2降低了6.7%。初步分析，這可能是由于侵徹過程中立方體破片具有更大的變形所致，在接下來的工作中，將結合侵徹過程中破片的變形和靶板的毀傷機理，從微觀機理方面深入分析。

表2 不同組合靶板的v50實驗值

綜合比較復合靶板S3Al2和S4Al1在球形破片和立方體破片侵徹作用下的彈道極限速度，不難發現，具有不同厚度組合的復合靶板在立方體破片作用下的v50值較其在球形破片侵徹作用下均有所提高，也就是說，對于相同組合靶板而言，在立方體破片作用下的抗侵徹性能優于其在球形破片作用下的抗侵徹性能。然而，需要指出的是：除考慮破片形狀的影響之外，還應綜合考慮破片質量（即動能）對復合靶板抗侵徹性能的影響。

4 結論

本文采用系列彈道實驗研究了不同形狀破片侵徹下雙層鋼／鋁爆炸復合靶的毀傷機理和破壞模式，討論了破片形狀、動能和靶板厚度分布等因素對復合靶抗侵徹性能的影響。通過本文的研究可以得到以下結論：

①在球形破片和立方體破片的侵徹作用下，復合靶板的毀傷機理和破壞模式大致相同，即鋼面板發生剪切沖塞破壞，鋁背板發生延性擴孔破壞，前者消耗更多的破片動能。

②當復合靶板的厚度組合確定時，立方體破片較球形破片需要更大的初始動能才能完全貫穿靶板，也就是說，靶板抗立方體破片侵徹性能優于抗球形破片侵徹性能。

③在球形破片的侵徹作用下，復合靶板的抗侵徹性能隨鋼面板厚度的增大而提高，當鋼面板／鋁背板厚度比由3／2提高到4／1時，靶板的彈道極限速度v50提高了2.1%；在立方體破片的侵徹作用下，復合靶板的抗侵徹性能隨鋼面板／鋁背板厚度比的增大而降低，靶S4Al1的v50值較靶S3Al2降低了6.7%。

本文的研究結果將為爆炸復合靶板抗侵徹性能及其影響因素的研究提供理論依據，接下來將進一步豐富實驗數據，同時綜合考慮靶板層數、厚度分布和破片形狀等因素對靶板抗侵徹性能的影響，并開展優化設計工作。

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