低侵徹陶瓷槍彈對航空有機(jī)玻璃的侵徹性能分析

李 波,王堅(jiān)茹,印立魁,陳智剛,易榮成,胡迪奇

(1.中北大學(xué) 地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,山西 太原030051;2.重慶長安工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,重慶 401120)

低侵徹陶瓷槍彈對航空有機(jī)玻璃的侵徹性能分析

李 波1,王堅(jiān)茹1,印立魁1,陳智剛1,易榮成2,胡迪奇1

(1.中北大學(xué) 地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,山西 太原030051;2.重慶長安工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,重慶 401120)

為了改善常規(guī)槍彈殺傷過剩,在9 mm手槍基礎(chǔ)上使用陶瓷槍彈進(jìn)行試驗(yàn),研究了陶瓷槍彈侵徹航空玻璃,并進(jìn)行了結(jié)果分析。運(yùn)用LS_DYNA有限元軟件,對不同速度的低侵徹陶瓷槍彈侵徹航空有機(jī)玻璃進(jìn)行數(shù)值模擬,對比彈頭的破碎效果和對航空有機(jī)玻璃的毀傷效果,分析低侵徹陶瓷槍彈的破碎性能和對航空有機(jī)玻璃的侵徹威力。研究結(jié)果表明:低侵徹陶瓷槍彈具有良好的破碎性能,速度對低侵徹陶瓷槍彈侵徹航空有機(jī)玻璃的毀傷效果影響很大,存在充分發(fā)揮低侵徹陶瓷槍彈能力的速度區(qū)間。

低侵徹;陶瓷槍彈;破碎;航空有機(jī)玻璃;數(shù)值模擬

常規(guī)彈藥在應(yīng)對我國面臨的安全威脅、維護(hù)社會治安和保持社會穩(wěn)定等方面起到重要作用。但是,常規(guī)彈藥存在對人員殺傷威力過剩的現(xiàn)象,犯罪分子常在人群稠密地區(qū)、機(jī)艙、船艙等環(huán)境進(jìn)行恐怖襲擊,這使常規(guī)彈藥的使用受到限制,因此需要研究既能使恐怖分子立即失去作案或反抗能力,保證人質(zhì)或周邊無辜群眾的生命安全,又能最大限度減少對周邊高價(jià)值設(shè)施損毀和跳彈對人員損傷的低侵徹特種彈藥[1]。

陶瓷材料具有高硬度、高抗壓強(qiáng)度、低密度、適脆性等特點(diǎn),低侵徹陶瓷槍彈遇到有生目標(biāo)等軟目標(biāo)時(shí),有一定的殺傷能力,遇到硬目標(biāo)時(shí),能夠在車船、機(jī)艙等特殊環(huán)境下使用,而不產(chǎn)生跳彈,滿足反恐防暴及特殊環(huán)境的使用要求。本文建立低侵徹陶瓷槍彈侵徹航空有機(jī)玻璃的有限元模型,研究在不同速度下低侵徹陶瓷槍彈對航空有機(jī)玻璃的侵徹威力和其自身的破碎性能。陶瓷槍彈在飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)使用,有效打擊、制服恐怖劫機(jī)分子,對航空玻璃不會造成功能性破壞,可以保證飛機(jī)安全。

國內(nèi)外學(xué)者長期以來側(cè)重于研究陶瓷材料的抗彈性能,陶瓷/金屬和陶瓷/復(fù)合材料組成復(fù)合裝甲,抗彈性能得到了大幅度的提高[2],將陶瓷材料用作小口徑彈體材料的研究較少。胡迪奇等[3]、Nechitailo等[4]分別用數(shù)值模擬研究了TC復(fù)合彈對陶瓷復(fù)合靶板的侵徹特性、陶瓷-鋼復(fù)合彈對混凝土的侵徹特性;付建平等[5]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(yōu)于鋼彈。

1 低侵徹槍彈試驗(yàn)及結(jié)果分析

1.1 試驗(yàn)用的陶瓷槍彈和靶板

如圖1所示,本文研究的低侵徹陶瓷槍彈與DAP92式9 mm警用彈頭外形結(jié)構(gòu)相近,質(zhì)量基本相同,彈頭陶瓷材料采用一次燒結(jié)成型,球柱型結(jié)構(gòu),內(nèi)部空心,用鎢粉填充并輔以尼龍彈托后,能夠?qū)崿F(xiàn)彈丸在槍膛內(nèi)可靠發(fā)射,同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)距槍口一定距離遇到一定硬度的目標(biāo)并破碎,從而實(shí)現(xiàn)低侵徹的目的。

對國內(nèi)外民航客機(jī)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),飛機(jī)型號不同,局部尺寸略有不同。現(xiàn)對我國民用航空領(lǐng)域常見波音737飛機(jī)的飛機(jī)艙壁和舷窗結(jié)構(gòu)與材料進(jìn)行分析。飛機(jī)舷窗由內(nèi)到外,由3層厚度分別為 2.2 mm,6.2 mm,9.5 mm的航空有機(jī)玻璃構(gòu)成。圖2和圖3分別為試驗(yàn)中靶板結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖。

1.2 試驗(yàn)條件

驗(yàn)證陶瓷彈頭的破碎性能和對航空有機(jī)玻璃靶板的侵徹性能。試驗(yàn)設(shè)備布置和試驗(yàn)工作示意圖如圖4所示,試驗(yàn)用槍為9 mm線膛彈道槍,采用網(wǎng)靶測速。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對低侵徹陶瓷槍彈分別以247 m/s,297 m/s,346 m/s速度(v0)垂直侵徹航空有機(jī)玻璃靶板進(jìn)行數(shù)值模擬,彈頭均勻破碎,彈頭飛行姿態(tài)正常,在網(wǎng)靶上留下的彈孔整齊,說明陶瓷槍彈結(jié)構(gòu)滿足膛內(nèi)發(fā)射強(qiáng)度要求。

圖5為打靶的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,陶瓷彈在這3組速度下均穿過第1層玻璃,被拒止在第2層玻璃處,未對第3層玻璃造成損傷,但不同的速度對第2層靶板作用效果是不同的。以247 m/s的速度侵徹時(shí),只在第2層靶板有陶瓷粉末并帶有極其輕微的損傷;以297 m/s的速度侵徹時(shí),第2層靶板有輕微損傷;以346 m/s的速度侵徹時(shí),第2層靶板遭到嚴(yán)重?fù)p傷,出現(xiàn)大范圍裂紋。

2 理論計(jì)算分析

建立陶瓷槍彈侵徹航空玻璃靶板的力學(xué)模型,分析研究陶瓷槍彈侵徹靶板時(shí)的受力、陶瓷的破碎現(xiàn)象及陶瓷彈頭與靶板的作用受力。彈頭是球柱組合,彈頭外徑為R,彈頭內(nèi)徑為r,與靶板接觸載荷為p。如圖6所示。

根據(jù)無矩理論——區(qū)域平衡方程[6],分析殼體受力:

(1)

(2)

式中:p為彈頭與靶板接觸載荷,F為彈頭受力,φ為載荷p與彈軸之間的夾角,r0為平行圓半徑,h為彈頭的壁厚。

把方程(1)代入方程(2),求解得到壓應(yīng)力σ:

(3)

同理切應(yīng)力τ為

(4)

由以上公式可知,隨著角度φ的增大,壓應(yīng)力σ增大,切應(yīng)力τ減小。由上式也可以得到,平行圓半徑r0越大,陶瓷彈頭受力越大,從二維角度解釋,最大應(yīng)力點(diǎn)在陶瓷彈頭與靶板接觸邊緣位置。從三維角度可知,最大應(yīng)力值在陶瓷彈頭與靶板接觸的平行圓的最大半徑圓周上。

實(shí)際上陶瓷彈頭從變形到破壞這個(gè)過程中是有力矩產(chǎn)生的,從力學(xué)角度,產(chǎn)生的力矩為

(5)

求得最大應(yīng)力為

σ1=M/W

(6)

式中:W為空心圓的抗彎截面系數(shù)。

當(dāng)σ1大于陶瓷材料的許用應(yīng)力[σ]時(shí),由于陶瓷彈頭是球柱結(jié)構(gòu),彈頭頂部在壓力作用下向內(nèi)部彎曲,彎矩會引發(fā)陶瓷材料發(fā)生破碎。

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模型

由彈頭和靶板的結(jié)構(gòu)尺寸,建立彈頭與航空玻璃靶板作用的有限元模型。彈頭分為陶瓷殼體、尼龍彈托、金屬粉末3部分。靶板分為3層,厚度分別為2.2 mm,6.2 mm,9.5 mm。在與彈頭接觸區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理,一個(gè)單位接近9個(gè)網(wǎng)格,遠(yuǎn)離彈靶作用區(qū)域網(wǎng)格較疏,彈頭與靶板模型如圖7所示。

數(shù)值模擬采用ANSYS/LS-DYNA程序軟件,計(jì)算模型用Lagrange算法,有限元網(wǎng)格采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元,由于垂直侵徹具有對稱性,為減少仿真規(guī)模采用1/2模型。陶瓷殼體和靶板采用專門針對陶瓷、玻璃等脆性材料的MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS模型,尼龍彈托和金屬粉末采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型,彈頭與靶板之間采用面面侵蝕接觸(CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE),彈頭各部件采用自動面面接觸(CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE),因?yàn)閺楊^侵徹第1層靶板后產(chǎn)生碎片,這些碎片會對第2層靶板有侵徹作用,所以靶板各部件分別采用面面侵蝕接觸(CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)。陶瓷材料參數(shù)和玻璃靶板參數(shù)如表1和表2所示。表中,ρ為密度;G為剪切模量;A為完整強(qiáng)度參數(shù);B為裂縫強(qiáng)度參數(shù);D1,D2為塑性斷裂參數(shù);M′為斷裂強(qiáng)度參數(shù);N為強(qiáng)度指數(shù);HEL為Hugoniot彈性限;C為應(yīng)變率;FS為破壞準(zhǔn)則。

表1 陶瓷材料參數(shù)[7]

表2 玻璃靶板參數(shù)[8]

3.2 數(shù)值結(jié)果分析

手槍子彈的出膛速度一般約為300～350 m/s,結(jié)合試驗(yàn)速度模擬,陶瓷槍彈以247 m/s,297 m/s,346 m/s的速度垂直入射航空有機(jī)玻璃。通過模擬仿真得到了彈頭侵徹靶板的全過程,選取速度為297 m/s的槍彈侵徹靶板的應(yīng)力(單位為1011GPa)變化如圖8所示,以247 m/s和346 m/s速度侵徹時(shí)與其相似。

如圖8所示,10 μs時(shí)彈頭與第1層靶板瞬間接觸,50 μs時(shí)接觸面積增大,從圖8可以看出,陶瓷彈頭應(yīng)力最大值分布在與靶板接觸的邊緣位置,這點(diǎn)與理論計(jì)算結(jié)果相同。由陶瓷特點(diǎn)可知,陶瓷韌性差,脆性較強(qiáng),140 μs時(shí)除了彈頭部沖擊破碎外,彈體已經(jīng)出現(xiàn)了應(yīng)力,并伴有形成裂紋的趨勢。彈頭在1 200 μs時(shí)侵徹基本結(jié)束,2 000 μs時(shí)可以明顯看到彈托回彈現(xiàn)象。彈頭沒有穿透第2層靶板,但陶瓷已完全破碎。

不同速度的彈頭均能穿透第1層靶板,再繼續(xù)侵徹第2層靶板。速度為250 m/s的彈頭對第1層靶板形成1倍彈徑的穿孔,對第2層靶板造成極其輕微的損傷;速度為300 m/s的彈頭對第1層靶板形成約2倍彈徑的穿孔,對第2層靶板造成輕微損傷;速度為350 m/s的彈頭對第1層靶板形成約為2倍彈徑的穿孔,對第2層靶板造成嚴(yán)重?fù)p傷。彈頭的陶瓷殼體均完全破碎,仿真模擬結(jié)果如圖9所示。

彈頭速度隨時(shí)間變化曲線如圖10所示,圖中v為彈頭速度,t為時(shí)間。彈頭加速度隨時(shí)間變化曲線如圖11所示,圖中a為加速度。靶板變形能(E)隨時(shí)間變化曲線如圖12所示。

如圖10所示,200 μs時(shí)3種不同速度的彈頭擊穿第1層靶板,彈頭部破碎,內(nèi)部金屬粉末拋灑,彈頭動能降低,侵徹威力迅速下降,侵徹第2層靶板時(shí),速度出現(xiàn)如圖10中速度迅速下降的現(xiàn)象。

彈頭加速度隨時(shí)間變化曲線如圖11所示。彈頭加速度是侵徹靶板時(shí)受靶板作用載荷形成的,彈頭接觸靶板瞬間,彈頭所受載荷迅速增大,當(dāng)載荷超過陶瓷材料的許用載荷,陶瓷圓頭部殼體開始破碎,彈頭穿透第1層靶板運(yùn)動到空腔后所受載荷迅速下降。彈頭穿過空腔繼續(xù)侵徹第2層靶板,陶瓷殼體所受載荷增加；沖擊作用快結(jié)束時(shí),陶瓷殼體全部破碎,速度越大,動能越大,陶瓷彈頭破碎的破片較小,反之較大；陶瓷殼體侵徹第2層靶板所受載荷再次經(jīng)歷先增加后減小的過程。靶板變形能隨時(shí)間的變化如圖12所示,彈頭速度越大,對靶板沖擊做功越大,靶板發(fā)生的變形也越大。

4 結(jié)束語

本文采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析方法研究了低侵徹陶瓷槍彈侵徹航空有機(jī)玻璃,分析了彈頭速度對彈頭破碎性能和對靶板侵徹性能的影響,結(jié)果表明:

①低侵徹陶瓷槍彈破碎性能良好,彈頭陶瓷殼體侵徹第1層靶板時(shí)彈頭開始破碎,侵徹第2層靶板后彈頭完全破碎,未能穿透第2層靶板,并且未對第3層靶板造成損傷。

②低侵徹陶瓷槍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(shí),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,合適的速度有助于低侵徹陶瓷槍彈性能更好地發(fā)揮。

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PerformanceofLow-penetrationCeramicBulletPenetratingAviationOrganicGlass

LI Bo1,WANG Jian-ru1,YIN Li-kui1,CHEN Zhi-gang1,YI Rong-cheng2,HU Di-qi1

(1.National Defense Key Laboratory of Underground Damage Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Chongqing Changan Industry(Group)Co.,Ltd,Chongqing 401120,China)

In order to optimize the damage capability of conventional bullets,the ceramic bullet was tested based on the 9 mm pistol.The ceramic bullet penetrating into the air glass was studied,and the results were analyzed.By using LS_DYNA finite element software,the low-penetration ceramic bullets penetrating aviation organic-glass under different speeds were simulated.The fragmentation effect was compared with the damage effect of aviation organic-glass.The crushing performance of low-penetration ceramic bullets and its penetration power against aviation organic-glass were analyzed.The results show that the low-penetration ceramic bullet has good crushing performance,and the speed has a great influence on the damage effect of low-penetration ceramic bullet penetrating aviation organic-glass,and there is a speed range that gives full play to the ability of low-penetration ceramic bullet.

low penetration;ceramic bullet;fragmentation;aviation organic-glass;numerical simulation

TJ411.1

A

1004-499X(2017)04-0070-06

2017-07-05

李波(1991- ),男,碩士研究生,研究方向?yàn)閺椝幗Y(jié)構(gòu)及毀傷技術(shù)。E-mail:673099952@qq.com。