多層異質復合靶板抗侵徹性能試驗及結構優化設計

高 華,熊 超,殷軍輝,鄧輝詠

(陸軍工程大學 石家莊校區火炮工程系,河北 石家莊 050003)

多層異質復合結構結合了多種材料的力學特性,具有質量輕、防護性能好等優點,開展多層異質復合結構抗侵徹性能研究具有重要意義。

陶瓷材料由于具有密度低、硬度高等特點,在裝甲防護中得到了廣泛應用[1-3],但由于陶瓷材料易脆,限制了其在裝甲中的發展和應用。李樹濤等[4]利用AUTODYN有限元軟件研究金屬Al約束SiC陶瓷的復合結構抗侵徹性能,分析了陶瓷約束層厚度對復合結構防護12.7 mm穿甲彈性能的影響,發現對陶瓷進行約束能提升裝甲的抗侵徹性能,且各約束層存在最優厚度;郭婷婷等[5]將損傷引入到金屬空腔膨脹理論和陶瓷空腔膨脹理論中,忽略靶板側向邊界等因素,研究了陶瓷復合靶抗侵徹性能;趙曉旭等[6]針對新型鋼/芳綸纖維復合結構進行優化設計,以最小面密度為目標函數,建立了一定破片質量和撞擊速度范圍內的結構參數優化模型。對復合靶板進行抗侵徹能力試驗、理論分析已成為研究熱點[7-10],所得數據雖可對相應復合結構防護性能進行可靠評價,但缺乏體系優化設計方法,難以為多層異質結構系列化合理設計提供有效支撐。

本文進行了2種結構復合靶板抗14.5 mm穿甲彈侵徹試驗,分析了復合靶板各層破壞形貌,進行同工況下彈丸侵徹復合靶板數值仿真,在數值仿真模型被驗證的基礎上,引入配方均勻設計方法,建立相同面密度下復合靶板等效質量防護系數回歸模型,研究各層厚度系數對復合靶板防護性能影響規律。利用所建回歸模型,針對面密度為9.748 g/cm2的復合靶板進行結構優化與抗侵徹性能試驗驗證。

1 侵徹試驗及結果

1.1 侵徹試驗設計

為分析靶板不同結構形式對其防護性能的影響,制定2種試驗方案,分別是方案Ⅰ:10 mm氧化鋁陶瓷/10 mm芳綸板/6 mm 616裝甲鋼;方案Ⅱ:10 mm氧化鋁陶瓷/6 mm 616裝甲鋼/10 mm芳綸板。復合結構尺寸長×寬為150 mm×150 mm.依據穿深(depth-of-penetration,DOP)實驗方法,每種結構進行3次射擊試驗,計算其防護系數,參照靶為45 mm 603裝甲鋼。

試驗用槍為14.5 mm彈道槍,槍口到靶板的距離為10 m。試驗彈采用56式14.5 mm穿甲彈,彈體簡化模型如圖1所示。樣品在靶架上固定后按預定著彈點垂直靶面入射,射擊狀態如圖2所示,試驗靶和后效靶之間無間隙。

圖1 試驗用彈

圖2 靶板夾持狀態

首先利用14.5 mm穿甲彈射擊603裝甲鋼,得到穿深Pref;再對復合靶/603裝甲鋼進行射擊試驗,得到彈丸在603鋼中的穿深Pres,記復合靶穿深為P1,試驗穿深示意圖如圖3所示。最終根據DOP法計算得到復合靶防護系數fm:

(1)

式中:ρ1為復合靶密度,ρref為603鋼的密度。

圖3 DOP試驗示意圖

1.2 試驗結果及分析

14.5 mm穿甲彈侵徹603裝甲鋼,穿深Pref為49.7 mm,603鋼的密度ρref=7.86 g/cm3,2種結構復合靶均被穿透,即P1=26 mm,試驗結果如表1所示,表中,v為彈丸侵徹速度。

由表1可知,彈丸侵徹方案Ⅰ靶板時的平均速度為1 200.9 m/s,603鋼平均穿深為6.34 mm,防護系數為3.49;彈丸侵徹方案Ⅱ靶板時的平均速度為1 195.7 m/s,603鋼平均穿深為8.14 mm,防護系數為3.37。試驗結果說明方案Ⅰ靶板抗侵徹性能高于方案Ⅱ。

表1 靶板侵徹測試結果

圖4為陶瓷面板的損傷狀態。由圖4可見,陶瓷大部分崩落。彈丸侵徹陶瓷板時,在彈靶接觸界面產生很大的壓力,陶瓷材料晶體由于自身存在微觀結構缺陷,在燒結中存在隨機分布氣孔,彈丸侵徹過程中,缺陷局部位置由于材料微觀力學非均勻性,形成局部微裂紋尖端,受拉應力作用,當沖擊載荷接近材料破碎強度時,局部微裂紋增多并達到臨界值,形成陶瓷破碎。方案Ⅰ陶瓷面板完好程度優于方案Ⅱ的原因在于:彈體較長,導致輸入壓縮波較長,復合靶相對較薄,因而在彈丸侵徹至陶瓷板后續分層材料時才產生較強反射應力波。芳綸材料波阻抗較低,具有較好的吸波作用,芳綸板位于陶瓷板及裝甲鋼之間,有效緩解了反射波對陶瓷面板的損傷。

圖4 陶瓷板破壞形貌

圖5為芳綸材料的損傷狀態。由圖5可見,2種結構中芳綸板從受沖擊面至沖擊背面呈喇叭形放大。分析認為:高速彈丸首先對芳綸產生切割破壞并形成瞬時空腔,隨彈丸侵徹深入,彈靶接觸質點產生速度,并具有運動慣性,使原有彈孔向外擴張,空腔由于慣性發生過度膨脹,直至空腔容積達到最大,從而在芳綸板背面形成喇叭形放大變形錐。方案Ⅰ芳綸產生大量纖維拉伸破壞,有助于充分消耗彈丸動能。

圖6為616裝甲鋼損傷狀態。由圖6可見,方案Ⅰ中603裝甲鋼能夠為616鋼提供支撐作用,提高彈丸侵徹阻力;方案Ⅱ中616裝甲鋼背板為芳綸,其強度較低,導致彈丸在推動靶板向前運動變形時產生彎矩,在侵徹區形成徑向和環向拉伸應力,當達到裝甲鋼拉伸強度時,在侵徹區產生花瓣狀裂紋,降低了彈丸侵徹阻力。

圖5 芳綸板破壞形貌

圖6 裝甲鋼破壞形貌

2 數值仿真及優化設計

在侵徹試驗基礎上開展數值仿真,結合配方均勻設計方法對方案Ⅰ各層材料厚度進行優化設計,實現相同面密度下復合靶板防護性能最優。

2.1 仿真模型驗證

利用有限元軟件LS-DYNA進行數值分析。由于侵徹模型呈軸對稱,因此僅建立1/4模型;彈靶之間采用面面侵蝕接觸,各層靶板之間采用自動面面接觸;采用8節點Solid164單元劃分網格,所建有限元模型如圖7所示。

圖7 子彈和靶板仿真模型

設定彈丸侵徹方案Ⅰ、方案Ⅱ的初始速度分別為1 200.9 m/s,1 195.7 m/s。彈丸、616鋼以及603鋼采用Johnson-Cook模型,芳綸采用Solid-Composite-Failure-Solid-Mode模型,陶瓷采用JH-2模型,相關參數參照文獻[11-13]。

2種方案的數值仿真結果如圖8所示。計算結果表明,方案Ⅰ復合靶板被穿透,并在參照靶產生6.53 mm剩余侵徹穿深,與實際剩余侵徹穿深6.34 mm相比誤差為3.0%。方案Ⅱ復合靶板被完全穿透并在參照靶上產生8.86 mm剩余侵徹穿深,與實際剩余侵徹穿深8.14 mm相比誤差為8.8%,由此可知,所建有限元模型較為準確。

圖8 數值仿真結果

2.2 配方均勻設計

在復合靶板面密度9.748 g/cm2(同方案Ⅰ)條件下,利用配方均勻設計及數值仿真結果,得到靶板等效質量防護系數回歸模型,進一步求解陶瓷、芳綸和裝甲鋼厚度最優配比。

約束條件為

3.7d1+1.35d2+7.83d3=9.748

(2)

歸一化處理如下:

(3)

式中:d1,d2,d3分別為陶瓷、芳綸和裝甲鋼的厚度;陶瓷、芳綸和裝甲鋼的密度分別為3.7 g/cm3,1.35 g/cm3,7.83 g/cm3;D1,D2,D3分別為陶瓷、芳綸和裝甲鋼的厚度系數。

試驗設計采用U15(155)均勻設計表生成,配方及試驗結果如表2所示,采用多因素二次回歸設計模型,尋找各厚度系數與等效質量防護系數之間的定量關系。根據后退回歸分析方法,得到表達式:

(4)

各厚度系數上、下限分別為均勻設計表中對應的最大值和最小值。

表2 各層厚度系數設計及試驗結果

為檢驗回歸方程顯著性,對回歸方程(4)進行方差分析,結果如表3所示,表中,ν為自由度,S2為等效質量防護系數的平方和,F為均方比。

表3 方差分析表

由于F=108.1,而F0.05(4,10)=3.478,故F>F0.05(4,10),說明回歸方程在α=0.05水平下顯著。

2.3 厚度系數對防護性能的影響

利用回歸模型分析厚度變化對等效質量防護系數的影響規律,如圖9所示。

圖9 厚度變化對等效質量防護系數的影響

陶瓷厚度系數D1分別為0.2,0.5,0.7,復合靶板等效質量防護系數與D2/D3的變化關系如圖9(a)所示,陶瓷厚度系數D1一定時,等效質量防護系數fm隨D2/D3增大而減小,最終趨于穩定值。芳綸厚度系數D2分別為0.2,0.5,0.7,復合靶板等效質量防護系數fm與D1/D3的變化關系如圖9(b)所示,芳綸厚度系數D2一定時,等效質量防護系數fm隨D1/D3增大而減小,最終趨于穩定值,且D1/D3一定,等效質量防護系數隨D2減小而增大。裝甲鋼厚度系數D3分別為0.2,0.5,0.7,復合靶板等效質量防護系數與D1/D2的變化關系如圖9(c)所示,裝甲鋼厚度系數D3一定時,等效質量防護系數fm隨D1/D2增加而增加,最終趨于穩定值,且D1/D2一定,等效質量防護系數fm隨D3增大而增大。

由此可知,在復合靶板面密度為9.748 g/cm2不變的情況下,存在陶瓷、芳綸和裝甲鋼最優厚度配比,使得復合靶板等效質量防護系數最高。

2.4 最優配比及試驗驗證

對回歸方程(4)進行規劃求解,得到各層最佳厚度系數為:D1=0.247,D2=0.0251,D3=0.728,等效質量防護系數fm=3.67。由式(3)可得:d1=6.5 mm,d2=1.8 mm,d3=9.1 mm,即對于面密度為9.748 g/cm2的復合靶板,防護14.5 mm穿甲彈的最優結構為6.5 mm陶瓷板/1.8 mm芳綸/9.1 mm裝甲鋼,對應等效質量防護系數fm=3.67。

根據上述分析,對6.5 mm陶瓷板/1.8 mm芳綸/9.1 mm裝甲鋼復合結構進行抗14.5 mm穿甲彈侵徹試驗驗證,試驗結果如圖10所示,彈丸速度為1 203.1 m/s,剩余侵徹穿深為3.98 mm,等效質量防護系數fm=3.68,由此可知優化結果具有可靠性。

圖10 驗證試驗靶體破壞形貌

3 結論

本文通過分析復合靶板結構破壞形貌及數值仿真,結合配方均勻設計對復合結構優化,得出以下結論:

①2種試驗方案中,10 mm陶瓷/10 mm芳綸/6 mm 616裝甲鋼防護性能最優,陶瓷和裝甲鋼之間加入芳綸有助于緩沖吸能,減小陶瓷損傷面積。

②陶瓷厚度系數D1一定,等效質量防護系數隨D2/D3增大而減小。芳綸厚度系數D2一定,等效質量防護系數隨D1/D3增大而減小;D1/D3一定,等效質量防護系數隨D2減小而增大。裝甲鋼厚度系數D3一定,等效質量防護系數隨D1/D2增大而增大;D1/D2一定,等效質量防護系數隨D3增大而增大。

③基于配方均勻設計,建立了面密度為9.748 g/cm2復合靶板等效質量防護系數回歸模型,確定最優結構為6.5 mm陶瓷板/1.8 mm芳綸/9.1 mm裝甲鋼,等效質量防護系數為3.67,試驗驗證表明優化結果具有可靠性。