中厚鋼板抗破片高速侵徹的影響因素試驗

張元豪，朱 錫，陳長海，侯海量，李 茂

(海軍工程大學 艦船工程系，湖北 武漢 430033)

中厚鋼板抗破片高速侵徹的影響因素試驗

張元豪，朱 錫，陳長海，侯海量，李 茂

(海軍工程大學 艦船工程系，湖北 武漢 430033)

針對艦船結構抗高速破片侵徹問題，開展彈道實驗，分析船用鋼靶板的破壞模式，得到彈體質量、初速和入射角度以及靶板厚度等影響因素對鋼板整體抗彈性能的影響規律。研究結果表明：破片高速侵徹下，總面密度相同的情形下，多層薄鋼板第一層的破壞模式與中厚鋼板相同，但后面各層的破壞模式與中厚鋼板差異較大，越靠近背層，花瓣開裂破壞的程度越大。破片高速侵徹下，鋼板的整體抗侵徹吸能能力隨彈體質量、彈體初速、入射角以及靶板總厚度的增大而提高，隨層數的增多而降低。

撞擊；彈體；靶板

反艦導彈戰斗部爆炸產生的高速破片會對艦船結構產生毀傷，工程中艦船結構采用不同的結構形式來提升抗彈性能。單層靶的貫穿問題和彈道侵徹已經有了較多的研究，但是其中相當部分實驗是用于驗證所應用，以及分析的模型和由此得到的理論，或者是為了針對某些模型的缺點給出的改進[1-2]。文獻[3-10]對鈍頭彈侵徹靶板問題進行了實驗和理論分析，文獻[11-12]通過使用不同彈體對金屬靶板的侵徹問題進行了實驗及數值理論研究。有研究認為單層靶的彈道性能高于相同總厚度的多層靶[13-14]。利用平頭彈對接觸式多層低碳鋼板進行撞擊實驗得到結論：當靶板總厚度達到一定值時，相同總厚度的多層靶抗侵徹性能優于單層靶[15]。

已有研究通常改變某一因素探究靶板抗彈體侵徹性能，然而靶板抗彈性能涉及彈體質量、彈體初速、入射角度、靶板厚度及靶板結構形式等，得到的結論往往與研究者主觀考慮的因素有關，以致結論不盡相同。此外，多層鋼板防護結構的研究與單層垂直防護結構的對比也相對有限。為探討艦船結構的抗彈性能，合理布置結構，利用彈道實驗分析中厚鋼靶板抗高速破片侵徹的破壞模式，得到彈體質量、初速和入射角度，以及靶板厚度等影響因素對鋼板整體抗彈性能的影響規律。

1 實驗設計

實驗采用14.5 mm口徑的滑膛彈道槍系統發射彈體，通過火藥推進，該系統包括激光測速裝置。采用2種不同質量的彈體，彈體由經淬火處理的45#鋼(材料參數見表1)加工而成，其一為邊長7.5 mm，設計質量3.30 g的立方體彈；其二為 7.5 mm × 7.5 mm × 5.0 mm的長方體彈，設計質量為2.20 g。

表1 材料性能參數

靶板為Q235鋼(材料參數見表1)，正方形靶板尺寸為400 mm × 400 mm，暴露面積為300 mm × 300 mm。實驗采用靶架固定的形式，事先將靶架固定于滑道上，實驗過程中再將靶板固定在不用傾斜角度的靶架上，見圖1。

圖1 不同傾斜角度的靶架

2 實驗結果及討論

2.1 實驗結果

表2給出了彈體以不同質量、初速、入射角度侵徹不同靶板厚度及靶板結構形式所得到的剩余速度及鋼板單位面密度吸能和部分實驗工況對應的靶板上彈孔直徑測量值。

表2 彈體侵徹鋼板彈道實驗結果

2.2 典型穿甲破壞模式分析

2.2.1 單層鋼板實驗結果

彈體垂直入射情形下，鋼板的穿甲破壞模式為剪切沖塞破壞。如圖2，鋼板侵徹區呈現明顯的局部效應，沒有出現大范圍的彎曲變形和整體變形，其原因是破片的侵徹速度較高，靶板中的應力波還來不及向四周傳播，兩者的接觸問題已經完成；鋼板迎彈面破口附近呈現出明顯延性擴孔堆積現象，局部的高溫導致了靶板材料的熱軟化甚至熔化，熱軟化的靶材在破片的擠壓下向迎彈面的破口附近堆積而造成的。

圖2 工況2靶板的破壞形貌

工況11由于彈體是質量為2.2 g的長方體破片，動能較相同速度下的3.3 g立方體破片要小1/3。因此，未能穿透5 mm厚的鋼板，其穿甲破壞模式為迎彈面的侵蝕開坑，背彈面形成鼓包凸起。鋼板的破壞形貌如圖3所示。

圖3 工況11靶板的破壞形貌

工況8中彈體的入射角為30°，鋼板的典型破壞形貌如圖4所示。該入射角侵徹下，鋼板的穿甲破壞模式與垂直侵徹的相似，但與垂直入射的主要區別就在于剪切沖塞破口的形狀。比較圖4與圖2可知，垂直侵徹時，鋼板的剪切沖塞破口近似為圓形，而60°侵徹時沖塞破口為橢圓形。

圖4 工況8靶板的破壞形貌

圖5為工況9中彈體在入射角為60°時，鋼板的典型破壞形貌。由于彈體的入射角較大，產生了跳彈現象。迎彈面出現了沖塞凹坑，而背彈面有一定程度的凸起，形成鼓包。

圖5 工況9靶板的破壞形貌

2.2.2 多層鋼板實驗結果

工況6為2塊2.5 mm左右的鋼板疊層形成的組合靶板在立方體彈正侵徹的實驗工況，2塊鋼板的穿甲破壞形貌如圖6所示。

圖6 工況6靶板的破壞形貌

由圖6可見，前后兩塊鋼板的穿甲破壞模式均為剪切沖塞破壞。與單塊5 mm鋼板稍有不同的是，疊層鋼板的背彈面穿甲破口周圍有小量的拉伸破壞的痕跡，但并不明顯。

工況5為3塊2 mm左右的薄鋼板疊在一起形成的組合疊層靶板，其各層的穿甲破壞形貌如圖7所示。

圖7 工況5靶板的破壞形貌

由圖7可見，工況5中疊層組合靶板的第1塊鋼板以剪切沖塞破壞為主；第2塊鋼板的穿甲破壞除中間部位的剪切沖塞以外，剪切沖塞破口周圍還存在明顯的碟形變形現象；而第3塊板呈現處花瓣開裂的穿甲破壞模式，穿甲破口周圍存在較大的塑性變形。

3 抗彈性能影響因素分析

3.1 彈丸質量影響因素分析

實驗工況1、10分別為以3.30 g立方體彈和2.20 g長方體彈垂直侵徹實驗靶板，彈體初始速度約為1 300 m/s，工況1和工況10的單位面密度吸能EA分別56.42，42.93 J·m2/kg。比較二者可知，彈丸質量大，靶板單位面密度吸能值大。這是由于質量大的彈體體積大，侵徹靶板形成較大剪切口，接觸面積大導致靶板耗能增加。

3.2 靶板厚度影響因素分析

實驗工況2、3為3.30 g彈丸侵徹厚度分別為4.86，2.86 mm的實驗靶板，工況2和工況3的鋼板吸能E分別1 522.5，1 056.6 J·m2/kg。比較二者可知，厚度大的Q235鋼板，其吸能值大，抗彈性能好。這是由于當靶板厚度增加時，局部慣性質量增大，彈丸侵徹靶板所需能量增加所致。

3.3 彈丸初速影響因素分析

實驗工況1、2為立方體彈分別以1 264.7、1 029.0 m/s的初始速度侵徹實驗靶板，鋼板厚度約為5 mm。工況1和工況2的單位面密度吸能EA分別56.4和 39.7 J·m2/kg。比較二者可知，彈丸初速度大，靶板單位面密度吸能值大，抗彈性能好。這是由于當彈丸初速度增加時，彈丸動能隨之增加，彈丸侵徹靶板時墩粗耗能增加；同時，沖塞形成的塞塊質量增大，動能增大。這2部分能量也包含在靶板吸能之內，因此，使得靶板抗彈吸能增大。此外，破片在侵徹靶板過程中，隨著初速的增大，破片的鐓粗效應越大，破片在侵徹過程中，頭部的面積增大，從而導致與后續靶材的接觸面積增大，靶板耗能增加。

3.4 彈體入射角影響因素分析

實驗工況2、8為立方體彈分別以入射角為0°，30°侵徹實驗靶板，鋼板厚度約為5 mm，彈體初速度約為1 000 m/s。工況2和工況8的單位面密度吸能EA分別39.67，44.35 J·m2/kg。比較兩者的單位面密度吸能可知，在一定范圍內彈體入射角越小，靶板抗彈吸能能力越弱。當入射角增大到一定程度后，彈體將會發生跳彈現象。在實驗工況9中，彈體的入射角為60°，彈體在靶板上開坑階段就發生跳彈現象，因此彈體未能擊穿靶板。

3.5 靶板層數影響因素分析

實驗工況2、6、5為立方彈分別垂直侵徹4.86 mm靶板、2.40 mm+ 2.50 mm 2塊分離板、1.78 mm+ 1.76 mm+ 1.76 mm 3塊分離板，彈體初速約為1 000 m/s。工況2、工況6和工況5的單位面密度吸能EA分別39.67，38.79和36.63 J·m2/kg。從單位面密度吸能EA情況來看，在總的板厚相同時，單塊板的抗彈性能最好，兩層鋼板次之，三層鋼板抗彈最差。在彈體高速侵徹的情況下，靶板層數越多，每層抵抗彈體侵徹的慣性質量越小，侵徹過程中形成的沖擊波回射較快，對彈體造成的阻力較小，靶板抗彈性能越差。由此可見，在總的厚度相同的情況下，隨著鋼板層數的減少，彈體的侵徹能力下降，靶板的抗彈吸能能力越大。

4 結論

1)破片高速侵徹下，單層鋼板的破壞模式為剪切沖塞破壞；對于總面密度相同的多層薄鋼板而言，第一層薄鋼板的破壞模式為剪切沖塞，最后一層薄鋼板的破壞模式為花瓣開裂，中間各層薄鋼板的破壞模式介于剪切沖塞和花瓣開裂之間。

2)破片高速侵徹下，鋼板的整體抗侵徹吸能能力隨彈體質量、彈體初速、入射角以及靶板總厚度的增大而提高。

3)破片高速侵徹下，在鋼板厚度不變的條件下，得到與Corran等一致的結論，即鋼板的整體抗侵徹吸能能力隨層數的增多而降低。

[1] CORBETT G G，REID S R，JOHNSON W．Impact loading of plates and shells by free-flying projectiles：a review[J]．International journal of impact engineering，1996，18(2)：141-230．

[2] 蔣志剛，曾首義，周建平．分析金屬靶板彈道極限的延性擴孔模型[J]．彈道學報，2004，16(1)：54-59．

[3] 潘建華，文鶴鳴．平頭彈丸撞擊下延性金屬靶板的破壞模式[J]．高壓物理學報，2007，21(2)： 157-164．

[4] 劉文韜，張數道，李恩征． 金屬材料侵徹的理論分析和數值模擬研究[R]．中國國防科學技術報告，GF-A-0061577G，2004．

[5] 朱學旺，黃寅生，李永池．貫穿有限厚金屬靶板的一種模型[J]．彈道學報，2001，13(2)：1-6．

[6] 張國偉．爆炸作用原理[M]．北京：國防工業出版社，2006．

[7] 蔣志剛，曾首義，周建平．金屬薄靶板沖塞破壞最小穿透能量分析[J]．工程力學，2004，21(5)：203-208．

[8] CHEN X W，Li Q M．Shear plugging and perforation of ductile circular plates struck by a blunt projectile [J]．International journal of impact engineering， 2003，28(5)：513-536．

[9] 王儒策，趙國志．彈丸終點效應[M]．北京：北京理工大學出版社，1993．

[10] 馬曉青，韓峰．高速碰撞動力學[M]．北京：國防工業出版社，1998．

[11] TENG X，DEY S，BORVIK T，et al．Protection performance of double-layered metal shields against projectile impact [J]．Journal of mechanics of materials and structures，2007，2(7)：1309-1330.

[12] TENG X，WIERZBICKI T，HUANG M．Ballistic resistance of double-layered armor plates[J]．International journal of impact engineering，2008，35(8)：885-894.

[13] RADIN J，GOLDSMITH W．Normal projectile penetration and perforation of layered targets[J]．International journal of impact engineering，1988，7(2)：229-259.

[14] GUPTA N K，IQBAL M A，SEKHON G S．Effect of projectile nose shape，impact velocity and target thickness on the deformation behavior of layered plates[J]． International journal of impact engineering，2008，35(1)：37-60.

[15] CORRAN R S J，SHADBOLT P J，RUIZ C．Impact loading of plates-an experimental investigation[J]．International journal of impact engineering，1983(1)：3-22.

Experimental Study on Influencing Factors of Steel Intermediate Targets Subjected to Impact by High Velocity Projectiles

ZHANG Yuan-hao, ZHU Xi, CHEN Chang-hai, HOU Hai-liang, LI Mao

(Dept. of Naval Architecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Aiming at the study of warship structure subjected to impact by typical defense target projectiles, a series of ballistic experiment were carried out to investigate the failure modes. The ballistic performance regularity of the marine steel plate against the projectiles mass, initial velocity, incidence angle and configuration of projectiles was obtained. It was showed under impact by high velocity, the failure mode of the first layer steel plate is shear plugging like intermediate targets, but the layers behind metal plate have much difference with intermediate targets, the closer to the back layer, the greater the degree of petal cracking. The ballistic performance of metal plates improves with increasing of the projectiles mass, initial velocity, incidence angle and thickness of metal plates．

impact; projectile; target

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.013

2016-05-05

國家自然科學基金資助項目(51409253、51479204)

張元豪(1992—)，男，碩士生

U674.7;O344.7

A

1671-7953(2016)06-0057-05

修回日期：2016-05-23

研究方向:艦艇防護

E-mail:zhangyuanhao.paul@gmail.com