小尺寸破片對(duì)單兵防護(hù)裝備的侵徹研究

周 捷，智小琦，徐錦波，岳中豪

(1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051； 2.中國晉西工業(yè)集團(tuán)，山西 太原 030051)

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，單兵武器不斷發(fā)展的同時(shí)，對(duì)單兵防護(hù)裝備的要求也日益苛刻。特別是凱夫拉材料出現(xiàn)以后，對(duì)反步兵武器提出了更高的要求[1]。在這方面，學(xué)者們作出了很多探索，例如鄒渝等[2]研究了單兵防彈衣對(duì)穿甲破片的防護(hù)效應(yīng)，采用的破片為美軍標(biāo)準(zhǔn)Mil-P-46593A-2型破片，質(zhì)量1.1 g；王曉強(qiáng)等[3]研究了立方體破片對(duì)超高分子量聚乙烯防彈板的侵徹規(guī)律，選用的破片為7.5 mm棱長的立方體破片；李常勝等[4]研究了制式槍彈對(duì)軟體防彈衣的侵徹規(guī)律,采用的彈丸是7.62 mm標(biāo)準(zhǔn)鉛芯彈；Freita等[5]研究了槍彈沖擊防彈頭盔時(shí)頭盔對(duì)人體的防護(hù)效果，分別測試了NATO標(biāo)準(zhǔn)9 mm手槍彈、7.62×39 mm中間威力彈與7.62×51 mm全威力彈。上述的防護(hù)裝備侵徹研究均是以傳統(tǒng)大尺寸破片或標(biāo)準(zhǔn)口徑槍彈為對(duì)象，這具有一定的局限性。

為了提高戰(zhàn)斗部的殺傷效率，增加破片數(shù)量是一個(gè)十分重要的手段，但增加破片數(shù)量的同時(shí)又增大了彈丸重量，對(duì)武器射程造成了不利影響。因此為了解決這個(gè)問題，使用小尺寸破片是最佳選擇途徑，可以在保證射程的情況下，在有效的空間內(nèi)裝填更多的破片，提高毀傷威力及威懾力。鎢合金破片密度大，強(qiáng)度高，存速能力強(qiáng)，更能使毀傷威力進(jìn)一步提高，但目前關(guān)于小尺寸鎢合金破片對(duì)單兵防護(hù)裝備的侵徹研究則鮮有報(bào)道。

本文中結(jié)合槍擊試驗(yàn)與數(shù)值模擬，研究小尺寸破片對(duì)單兵防護(hù)裝備的侵徹能力，并探究質(zhì)量變化對(duì)極限穿透速度的影響規(guī)律，以期為單兵防護(hù)裝備與新型反步兵殺傷戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

用12.7 mm滑膛彈道槍發(fā)射鎢合金球形破片，出炮口后彈托在空氣阻力作用下與破片脫離，靶前與靶后分別設(shè)置一對(duì)線圈靶，測量破片的著靶速度與后效速度，如圖1所示。

本次試驗(yàn)選用江西長江化工有限責(zé)任公司制造的FDY-03型Ⅲ級(jí)防彈衣與K-IV(B)型Ⅳ級(jí)防彈頭盔，材料均為凱夫拉，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為NIJ-0101，如圖2所示。測速儀為NLG202-Z 型六通道測速儀，測試精度為0.1 μs，如圖3所示。鎢球直徑為2.8 mm，質(zhì)量0.2 g，抗壓能力大于4.3 kN，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GJB3793-99；彈托材料為尼龍，如圖4所示，本次試驗(yàn)中所有鎢球侵徹均為正侵徹。

圖2 防彈衣與防彈頭盔(試驗(yàn)前)Fig.2 Bulletproof vest and helmet (before the experiment)

圖3 NLG202-Z 型六路測速儀Fig.3 NLG202-Z tachometer

圖4 破片與彈托Fig.4 Fragments and sabots

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)后測試對(duì)象狀態(tài)如圖5所示。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1與表2，由于防彈頭盔外形的特殊性，靶后速度未測得。

圖5 防彈衣與防彈頭盔(試驗(yàn)后)Fig.5 Bulletproof vest and helmet (after the experiment)

表1 侵徹防彈衣試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 1 Data of penetrating test

表2 侵徹防彈頭盔試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Data of penetrating helmet

由文獻(xiàn)[6-7]知，防彈頭盔頂部厚度略小于四周，所以在對(duì)侵徹Ⅳ級(jí)防彈頭盔的試驗(yàn)中，對(duì)防彈頭盔頂部與四周分別做了正侵徹研究。

根據(jù)最小穿透速度與最大嵌入速度的平均值，可知直徑2.8 mm、質(zhì)量為0.2 g的鎢合金球型破片侵徹Ⅲ級(jí)防彈衣的極限穿透速度為703.1 m/s，侵徹Ⅳ級(jí)防彈頭盔四周的極限穿透速度為734.2 m/s，侵徹頂部的極限穿透速度為613.1 m/s。然而在實(shí)際戰(zhàn)場環(huán)境中，防彈頭盔頂部中彈的情況十分罕見，所以小鎢球侵徹防彈頭盔的極限穿透速度應(yīng)取其侵徹頭盔四周的極限穿透速度734.2 m/s。

根據(jù)人體殺傷比動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)[8-9]，ed=160 J/cm2，計(jì)算得0.2 g鎢球破片對(duì)穿有Ⅲ級(jí)防彈衣的人體目標(biāo)的有效殺傷速度最小值為769.3 m/s，對(duì)戴有Ⅳ級(jí)防彈頭盔的人體目標(biāo)的最小有效殺傷速度為798.4 m/s。因此，破片速度應(yīng)大于798.4 m/s，才能對(duì)穿有Ⅲ級(jí)防彈衣和Ⅳ級(jí)防彈頭盔的敵有生力量造成有效殺傷。

3 數(shù)值模擬

在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為了探究鎢球尺寸的變化對(duì)侵徹結(jié)果的影響，利用有限元方法對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，但由于凱夫拉材料微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜且材料精確仿真參數(shù)難以獲得，本文中以Q235替代凱夫拉做數(shù)值模擬分析，這樣既能探究侵徹規(guī)律，又能得出防彈衣和防彈頭盔與普通Q235材料之間的等效關(guān)系[10-12]。

3.1 模型建立與參數(shù)確定

3.1.1仿真模型

圖6 仿真計(jì)算模型Fig.6 Simulation model

采用LS-DYNA作為數(shù)值模擬軟件。破片侵徹靶板的過程是一種高溫、高壓與高應(yīng)變率的高速?zèng)_擊問題，對(duì)待此種問題，可采用高效、高精度的Lagrange算法[13]。為兼顧計(jì)算精度與效率，模型簡化為二分之一對(duì)稱模型，在對(duì)稱面添加對(duì)稱約束，在靶板邊緣添加無反射邊界條件[13]。為保證計(jì)算的連續(xù)性與高精度，沖擊作用主要區(qū)域網(wǎng)格尺寸控制在0.1 mm至0.2 mm，邊緣區(qū)采用0.4 mm稀疏網(wǎng)格，其他區(qū)域網(wǎng)格尺寸控制在0.2 mm至0.4 mm。網(wǎng)格劃分完成后在破片速度方向上取8個(gè)等距觀測點(diǎn)，具體模型如圖6所示。

3.1.2材料參數(shù)

靶板選用 Johnson-Cook 本構(gòu)模型結(jié)合Grüneisen狀態(tài)方程來描述其力學(xué)行為[13]。而在侵徹的整個(gè)過程中，鎢合金球形破片的應(yīng)變率雖遠(yuǎn)低于靶板材料，但這種變形仍不可忽略，且鎢合金是一種具有明顯應(yīng)變率相關(guān)性的材料[14]，不應(yīng)將其視為剛體，應(yīng)用隨動(dòng)硬化模型來描述其力學(xué)行為。

靶板材料選擇Q235合金鋼，其CJ模型主要參數(shù)見表3，其中ρ為密度，G是剪切模量，A是初始屈服強(qiáng)度，B是應(yīng)變硬化模量，c是應(yīng)變率強(qiáng)化指數(shù)，m是熱軟化指數(shù)，n是硬化指數(shù)，Tm與Tr分別代表材料的熔化溫度與參考溫度，D1～D5均是材料的失效參數(shù)。

表3 Q235材料CJ模型參數(shù)表Table 3 Parameters of CJ model of Q235

靶板材料狀態(tài)方程主要參數(shù)見表4，其中C為沖擊波波速-波后質(zhì)點(diǎn)粒子速度曲線的斜率，S1～S3是該曲線多項(xiàng)式擬合的三個(gè)系數(shù)，γ0是Grüneisen常數(shù)，E是初始內(nèi)能。

表4 Q235材料狀態(tài)方程參數(shù)Table 4 Parameters of equation of state of Q235

破片材料為鎢合金，密度17.82 g/cm3，其kinematic模型主要參數(shù)見表5，其中E是楊氏模量，μ是泊松比，σy是屈服強(qiáng)度，η是切線模量，β是硬化指數(shù)，εc與εp是應(yīng)變率常數(shù)，F(xiàn)s是侵蝕單元的失效常數(shù)。

表5 鎢合金材料kinematic模型參數(shù)Table 5 Parameters of kinematic model of tungsten alloy

3.2 侵徹等效靶仿真結(jié)果與分析

根據(jù)槍擊試驗(yàn)得出的結(jié)果，以703 m/s作為0.2 g鎢球破片對(duì)Q235鋼板的極限穿透速度進(jìn)行仿真分析，以得到此速度下0.2 g鎢球破片侵徹Q235鋼板的最大厚度，具體結(jié)果見表6。

表6 等效靶侵徹仿真結(jié)果表Table 6 Simulation result of penetrating the equivalent target

3.9 mm與4 mm靶板侵徹仿真具體結(jié)果如圖7所示。由圖7可以清晰看出，當(dāng)靶板厚度為3.9 mm時(shí)，破片速度降至零且完全嵌進(jìn)靶板，靶后出現(xiàn)裂紋并即將形成沖塞，靶板厚度為4.0 mm時(shí)破片無法穿透靶板，所以可以將3.9 mm作為703 m/s時(shí)0.2 g鎢球破片侵徹Q235靶板的極限穿透厚度。由此可得出結(jié)論，Ⅲ級(jí)防彈衣可等效為3.9 mm厚的Q235靶板。

圖7 侵徹仿真結(jié)果Fig.7 Simulation result of penetrating

同理，用數(shù)值模擬的方法對(duì)0.2 g破片侵徹防彈頭盔進(jìn)行數(shù)值分析，得到Ⅳ級(jí)防彈頭盔的等效Q235靶板厚度為4.1 mm。

3.3 質(zhì)量變化對(duì)極限穿透速度的影響規(guī)律

為了探究不同質(zhì)量破片的侵徹規(guī)律，在上述仿真的基礎(chǔ)上，增加了五種不同質(zhì)量的鎢合金球型破片做對(duì)比仿真試驗(yàn)，破片質(zhì)量分別為0.15、0.25、0.30、0.35、0.40 g，對(duì)應(yīng)破片直徑分別為2.5、3.0、3.2、3.35、3.5 mm。

為探究這五種破片分別侵徹Ⅲ級(jí)防彈衣和Ⅳ級(jí)防彈頭盔的極限穿透速度，建立三維模型，以Q235等效靶替代防彈衣與防彈頭盔做數(shù)值模擬分析。具體仿真結(jié)果見表7與圖8。

表7 不同破片侵徹等效靶極限穿透速度Table 7 Critical velocity of different fragments penetrating the equivalent target

圖8 破片速度曲線圖Fig.8 Velocities graph of diffirent fragments

由表8可知，破片質(zhì)量增加的同時(shí)，其侵徹等效靶的極限穿透速度不斷減小；圖8中，曲線1和2分別是破片對(duì)Ⅳ級(jí)防彈頭盔和Ⅲ級(jí)防彈衣的最小有效殺傷速度分布曲線，曲線3和曲線4分別是破片對(duì)Ⅳ級(jí)防彈頭盔和Ⅲ級(jí)防彈衣的極限穿透速度分布曲線；從圖8中可以看出，隨著破片質(zhì)量的增加，極限穿透速度與最小有效殺傷速度均呈非線性遞減趨勢；當(dāng)破片質(zhì)量大于0.3 g后，隨質(zhì)量的增加，極限穿透速度下降的趨勢明顯減緩。

4 結(jié) 論

(1) 通過槍擊試驗(yàn)證實(shí)2.8 mm小尺寸鎢合金球型破片能正面擊穿普通Ⅲ級(jí)防彈衣與Ⅳ級(jí)防彈頭盔，且極限穿透速度分別為703.1、734.2 m/s，但對(duì)穿戴有此類防護(hù)裝備的有生力量的最小有效殺傷速度為798.4 m/s。

(2) 數(shù)值模擬仿真結(jié)果表明，Ⅲ級(jí)防彈衣Ⅳ級(jí)防彈頭盔在受球形破片侵徹的試驗(yàn)研究中可分別等效為3.9 mm與4.1 mm厚的Q235鋼板。

(3) 通過一對(duì)系列不同質(zhì)量破片的侵徹研究，發(fā)現(xiàn)隨著破片質(zhì)量的增加，極限穿透速度隨之降低，當(dāng)破片質(zhì)量超過0.3 g后降低趨勢明顯減緩，從減小破片質(zhì)量，增加破片數(shù)量，提高毀傷威力的角度考慮，破片質(zhì)量在0.25～0.3 g左右時(shí)最為合適。