陶瓷易碎彈對鋁板的沖擊特性研究

易榮成， 王堅茹， 印立魁， 陳智剛， 胡迪奇

(中北大學 地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室，太原 030051)

陶瓷易碎彈對鋁板的沖擊特性研究

易榮成， 王堅茹， 印立魁， 陳智剛， 胡迪奇

(中北大學 地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室，太原 030051)

為研究陶瓷易碎彈對鋁板的沖擊特性，建立陶瓷易碎彈沖擊鋁板的有限元模型，利用LS-DYNA有限元程序分析彈頭沖擊鋁板時的應力變化及速度對彈頭沖擊性能的影響；建立陶瓷易碎彈沖擊鋁板的力學模型，對陶瓷易碎彈彈頭破碎進行理論分析；通過陶瓷易碎彈對鋁板的沖擊性能試驗，驗證數值模擬和理論分析的正確性。研究結果表明：陶瓷易碎彈具有良好的破碎性能，合適的速度沖擊鋁板時鋁板損傷較小；彈頭破碎從陶瓷殼體圓頭部開始，陶瓷殼體最大應力始終在彈-靶接觸區域邊緣，是沖擊過程中陶瓷殼體最容易破壞的區域。

陶瓷；易碎彈；鋁板，沖擊；破碎

目前我國面臨多元化、復雜化的安全威脅，武裝部隊在人員密集的地區、機艙、船艙中執行警衛、安控、防暴任務時，常規彈藥對人員殺傷威力過剩，后效動能過大，跳彈附帶損傷概率高，缺少一種既能在近距離有效制止恐怖分子，又能最大限度減少對周邊高價值設施損毀和跳彈對人員損傷的特種彈藥[1]。

陶瓷材料具有高硬度、高抗壓強度、低密度、適脆性等特點[2]，國內外學者長期以來側重于研究陶瓷材料的抗彈性能，陶瓷/金屬、陶瓷/復合材料組成的復合裝甲，其抗彈性能得到了大幅度的提高[3]，將陶瓷用作彈體材料的研究較少。NECHITAILO等[4-5]用數值模擬研究了AD-85陶瓷桿對鋁板、鋼板、鎢板的侵徹特性，陶瓷-鋼復合彈對混凝土的侵徹特性；付建平等[6]對比了陶瓷子彈與普通鋼彈的侵徹能力，得出了陶瓷子彈對靶板的侵徹效果優于鋼彈的結論。

利用陶瓷材料的低密度、適脆性制備陶瓷易碎彈，在保證彈丸殺傷威力的前提下，盡可能滿足其破碎性能。結合相關試驗，建立陶瓷易碎彈沖擊鋁板的有限元模型，利用LS-DYNA有限元軟件研究其沖擊規律；建立陶瓷易碎彈沖擊鋁板的力學模型，分析陶瓷易碎彈的破碎機理；最后通過試驗，研究陶瓷易碎彈對鋁板的沖擊性能，陶瓷易碎彈破碎性能，驗證陶瓷易碎彈沖擊鋁板數值模擬和彈頭破碎理論分析的正確性。

1 陶瓷易碎彈沖擊鋁板的數值模擬

1.1 陶瓷易碎彈結構

為保證陶瓷易碎彈的彈道性能，陶瓷易碎彈外輪廓基本與DAP92普通制式彈保持相似。全彈由彈頭、藥筒、底火和發射藥組成，陶瓷易碎彈如圖1所示。彈頭采用復合結構，由陶瓷殼體、彈托、重金屬粉末等組成，陶瓷殼體起沖擊和殺傷作用，彈托起到彈帶的作用，重金屬粉末用于配重。

圖1 陶瓷易碎彈Fig.1 The ceramic fragile projectile

1.2 數值模型

結合相關試驗，建立彈頭與鋁板作用的有限元模型。彈頭分為陶瓷殼體、彈托、鎢合金粉末三部分。鋁板厚2 mm，在與彈頭接觸區域網格進行加密處理，網格大小與彈頭網格相近，遠離彈靶作用區域網格較疏，彈頭與靶板有限元模型如圖2所示。

(a)彈頭有限元模型

(b)鋁板有限元模型圖2 有限元模型Fig.2 Finite element mesh of bullet and target

MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS材料模型是現在應用較多的專門針對陶瓷、玻璃等脆性材料的材料模型，MAT_JOHNSON_COOK材料模型適合于描述材料在大變形、高應變率、高溫條件下的本構關系，所以陶瓷殼體采用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS模型，鋁板采用MAT_JOHNSON_COOK模型，彈托和鎢合金粉末采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型。彈頭與鋁板之間采用面面侵蝕接觸(CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)，彈頭各部件之間采用自動面面接觸(CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE)。部分材料參數見表1和表2。

表1 彈頭材料參數Tab.1 Material parameters of projectile-nose

表2 鋁板的材料參數Tab.2 Material parameters of Aluminum plate

1.3 數值結果分析

一般情況下，手槍子彈的出膛速度[7]為300～350 m/s，結合試驗，本文中彈頭以250 m/s, 300 m/s, 350 m/s的速度垂直入射鋁板。經模擬仿真得到了彈頭沖擊鋁板破碎的全過程，速度為250 m/s的彈頭沖擊鋁板的典型時刻應力變化如圖3所示，其他速度的彈頭應力變化與之類似。

30 μs時彈頭接觸靶板，1 200 μs時沖擊作用基本結束。彈頭從陶瓷殼體圓頭部開始破壞，彈頭最大應力出現在彈-靶接觸區域邊緣，隨著沖擊深度的增加，最大應力也逐漸增大，當最大應力大于陶瓷殼體承受極限時，陶瓷殼體開始破碎，破碎區域直徑約為6.2 mm。沖擊作用結束后，彈頭完全破碎，鋁板發生塑性變形但未被穿透。

彈頭加速度是靶板對彈頭的載荷產生的，彈頭加速度時間曲線如圖4所示。彈頭接觸靶板后，彈頭所受載荷迅速增大，速度越大的彈頭所受載荷越大；當載荷超過陶瓷殼體承受極限后，陶瓷殼體圓頭部開始破碎，所受載荷迅速下降，速度越大的陶瓷殼體破碎越嚴重，所受載荷下降速度也越快。

陶瓷殼體圓頭部破碎后，陶瓷殼體圓柱部接著沖擊靶板，陶瓷殼體所受載荷又逐漸增加，速度越大的陶瓷殼體所受載荷也越大；沖擊作用快結束時，陶瓷殼體全部破碎，速度越大的彈頭產生的陶瓷破片越小；速度較小的彈頭產生的陶瓷破片較大，靶板凹坑使陶瓷殼體圓柱部破片由軸向沖擊轉變為徑向沖擊(如圖3中950 μs的圖片所示)，陶瓷殼體所受載荷將再次經歷先增加后減小的過程。彈頭速度越大，對靶板沖擊做功越大，靶板發生的變形也越大，靶板變形能隨時間變化如圖5所示。

圖3 彈頭應力變化圖Fig.3 The stress variation of bullet

圖4 彈頭加速度時間曲線Fig.4 Acceleration of projectile vs time

圖5 靶板變形能時間曲線Fig.5 Distortional energy of target vs time

2 陶瓷易碎彈破碎的理論分析

數值模擬得到了陶瓷易碎彈沖擊靶板時陶瓷殼體的應力分布，所受載荷的變化。分析陶瓷殼體的受力情況，建立陶瓷殼體沖擊靶板的力學模型，研究陶瓷殼體的破碎規律，陶瓷殼體與靶板作用如圖6所示。

圖6 陶瓷殼體侵徹靶板的受力示意圖Fig.6 The stress analysis of ceramic shell penetrating target

陶瓷殼體為球柱組合殼體，陶瓷殼體以速度V與靶板作用，與靶板接觸的球殼部分受到載荷P，對應圓心角為2a，球殼外圓圓周半徑為R。在不考慮外載荷使殼體產生的變形時，首先解除與靶板接觸的球殼邊界上的約束，根據無矩理論[8]可以得到殼體的壓力N1和切力N2為：

(1)

在載荷P作用下的無矩球形殼邊界上各點的轉角V1=0，沿平行圓半徑方向的位移是：

(2)

式中，E為殼體材料的彈性模量；h為殼體厚度；u為殼體材料的泊松比。

實際上與靶板接觸的球殼邊界是有約束的，故應在上述無矩狀態上疊加沿邊界均布的彎矩Ma和剪力H，且疊加后邊界上各點的轉角V和位移δ都應等于零[9]，即

V=0，δ=0

(3)

這也就是變形協調條件。把無矩狀態的V1和δ1與Ma和H引起的轉角和位移疊加，并使結果滿足條件(3)，得：

(4)

(5)

解得：

(6)

(7)

由彎矩Ma和剪力H產生的應力分別為σ和τ。

(8)

(9)

當σ或τ大于陶瓷材料的許用強度時，陶瓷殼體將被破壞。

由于陶瓷材料的抗彎強度和抗剪強度較小，陶瓷殼體在受到沖擊載荷時，載荷邊緣區域的變形受到約束，必將產生邊緣彎曲變形，導致邊緣應力的產生；同時載荷邊緣區域還受到壓力和剪切力的作用，都將使陶瓷殼體產生變形；所以載荷邊緣區域(即彈-靶接觸區域邊緣)是陶瓷殼體沖擊靶板時最容易破壞的區域，與數值模擬結果相同。

3 低侵徹陶瓷槍彈沖擊性能試驗

3.1 試驗布置

考核陶瓷易碎彈彈頭的破碎性能，對靶板的沖擊性能。試驗場地布置如圖7所示，試驗用彈道槍發射陶瓷易碎彈，網靶監測初速，高速攝影儀記錄彈頭對靶板的沖擊過程，靶板為500 mm×500 mm×2 mm(高×寬×厚)的硬質鋁板，有效試驗用彈共15發。

圖7 試驗場地布置圖Fig.7 Experiment sketch map

3.2 試驗結果分析

本文進行了3組陶瓷易碎彈沖擊鋁板試驗，每組試驗有效用彈5發，彈頭均在靶前破碎，未穿透鋁靶，試驗數據如表3所示。彈頭穿過網靶時形成的穿孔很正，說明陶瓷殼體和彈托連接完好，飛行姿態正確，能滿足膛內的發射強度要求和旋轉時的連接強度要求。

表3 試驗數據Tab.3 The experimental data

第一組試驗中彈頭平均初速為246 m/s，與數值模擬彈頭初速基本相同，由彈頭回收物可知，陶瓷殼體圓頭部沿彈-靶接觸區邊緣剪切掉且未破碎，大小約為5.8 mm×4.1mm，略小于數值模擬破碎尺寸和靶板凹坑尺寸，如圖8(a)所示，分析原因為彈頭破碎后，陶瓷殼體圓頭部破片在飛散過程中與破片回收箱發生碰撞，損失了部分質量。陶瓷彈頭沿彈靶接觸邊緣破碎，說明了陶瓷殼體所受載荷在彈-靶接觸區邊緣最大，且超過陶瓷殼體承受極限，試驗結果很好的驗證了數值模擬和理論分析的正確性。

靶板受損情況及彈頭回收物如圖8所示，通過分析靶板和彈頭碎片發現：陶瓷易碎彈的速度對其沖擊性能和破碎性能起到了至關重要的作用。速度較小時，彈頭所受載荷較小，陶瓷殼體破碎不完全；速度過大時，彈頭威力較大，對靶板造成嚴重損傷，因此可能對人質和周圍設備造成傷害，不能滿足陶瓷易碎彈的使用要求。

(a) 第一組試驗回收物

(b) 第二組試驗回收物

(C) 第三組試驗回收物圖8 靶板受損情況及彈頭回收物Fig.8 Damage effect of target and regenerant of projectile

4 結論

(1)陶瓷易碎彈破碎性能良好，彈頭破碎從陶瓷殼體圓頭部開始，陶瓷殼體最大應力始終在所受載荷區域邊緣，是沖擊過程中陶瓷殼體最容易破壞的區域。

(2)陶瓷易碎彈的速度對彈頭破碎性能和對靶板沖擊性能影響很大，速度較大的彈頭沖擊靶板時，彈頭所受載荷較大，彈頭破片更小更均勻，但對靶板損傷更大，合適的速度對陶瓷易碎彈性能的發揮至關重要。

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Characteristics of ceramic fragile projectiles impacting against aluminum plates

YI Rongcheng, WANG Jianru, YIN Likui, CHEN Zhigang, HU Diqi

(National Defense Key Laboratory of Underground Damage Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)

To figure out the characteristics of ceramic fragile projectiles impacting against aluminum plates, a finite element model for the projectiles was built. The LS-DYNA finite element program was used to analyze the variation of the impact force and the effect of projectile velocity on it’s impact properties was investigated. A mathematical model for ceramic fragile projectiles impacting against aluminum plates was also set up for further theoretical analysis. Meanwhile, an authentic experiment was carried out to prove the truth of the numerical simulation and theoretical analysis. All the results show that: ceramic fragile projectiles have good fragmentation property, ceramic fragile projectiles at a suitable velocity may make less damage on aluminum plates, the projectile fragment starts from the round top of ceramic shell, the maximum stress in ceramic shell locates at the edge of impact contact area and that area is the most likely to be damaged in the process of impacting.

ceramic; fragile projectile; aluminum plate; impact; fragmentation

2016-05-24 修改稿收到日期： 2016-07-17

易榮成 男，碩士生，1990年生

王堅茹 女，研高工，碩士生導師，1957年生

TJ410.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.06.025