金屬蜂窩增強陶瓷復合裝甲抗侵徹性能研究*

徐國軍，張 俊，鄭興偉，曹守啟，蔡正祥

(上海海洋大學工程學院， 上海 201306)

0 引言

近年來，國內外研究者對提高層疊金屬陶瓷復合裝甲的抗侵徹性能進行了廣泛研究。Kaufman[1]和Asadi[2]發現高硬度的陶瓷材料能提高層疊金屬陶瓷復合裝甲的抗侵徹性能，而鄒磊[3]通過增加陶瓷厚度來提高復合裝甲的抗侵徹性能，但這些通過提高夾芯材料的強度來提升復合裝甲抗侵徹性能的方法，其成本較高且提升效果不明顯。最近一些學者[4-6]發現對陶瓷邊界進行約束也可以提高復合裝甲的抗侵徹性能，但隨著復合裝甲尺寸的增大，其約束效能逐漸降低，而Christian[7]利用金字塔型金屬骨架對陶瓷進行約束，解決了這種尺寸效應對復合裝甲抗侵徹性能的影響，大幅度提高了層疊金屬陶瓷復合裝甲的抗侵徹性能；在此基礎上，張俊和倪長也[8-9]通過添加環

氧樹脂膠結劑，靶板結構更加完整，使得復合裝甲的抗侵徹性能更加優異，但是對于不同侵徹角度的抗侵徹性能卻沒有進一步深入研究。

文中采用以點陣結構中的蜂窩結構作為支撐陶瓷的金屬骨架，通過在金屬蜂窩骨架中加入六棱柱型陶瓷棒，并在其上下表面粘結金屬板，利用環氧樹脂膠結劑密封注塑，構成了該型金屬陶瓷復合靶板。通過數值模擬研究了該型復合靶板在不同侵徹位置和侵徹角度下的抗侵徹性能，并與層疊金屬陶瓷復合靶板進行了對比分析，得到了兩類靶板各子結構的吸能效果、破壞機理，彈丸速度和加速度等變化規律。

1 金屬蜂窩陶瓷復合靶板的結構組成

圖1為金屬蜂窩陶瓷復合靶板的組成。蜂窩骨架是以蜂窩胞元進行擴展形成的雙層結構，在蜂窩骨架的空隙中，加入六棱柱陶瓷棒，并在間隙中添加環氧樹脂膠結劑，最后在上下表面粘結金屬板，構成了該型金屬蜂窩陶瓷復合靶板。蜂窩胞元的梁單元尺寸為1.5 mm×1.5 mm×5 mm，蜂窩高度為10 mm。六棱柱陶瓷棒的底面邊長為5 mm。金屬板的邊長40.6 mm，板厚為1.5 mm。彈丸頭部為半球形，直徑7.62 mm，圓柱部高15 mm。

圖1 金屬蜂窩陶瓷復合靶板的結構組成及有限元模型

2 兩類復合靶板的抗侵徹性能數值模擬

應用ANSYS/LS-Dyna建立計算模型，彈丸初始速度為800 m/s。彈丸和蜂窩使用高強度鋼，密度為7 850 kg/m3，面板和背板材料均采用普通裝甲鋼，密度為7 830 kg/m3，選用常見的氧化鋁陶瓷材料，部分參數見表1，環氧樹脂膠合劑的密度為1 190 kg/m3。侵徹過程中金屬面板和背板的塑性變形大、局部溫度高，從而采用本構模型(Johnson-Cook)進行描述，狀態方程采用(Gruneisen)[10]。蜂窩、彈丸和環氧樹脂采用隨動硬化材料模型(Plastic-Kinematic)[10]進行描述。陶瓷的材料模型采用(Johnson-Holmquist-Ceramics)[10]，各材料的具體參數取值見文獻[11]。對靶板邊界施加全約束，各子結構的接觸方式均采用面對面接觸算法，所有結構均被劃分為結構化網格。

表1 陶瓷材料參數

2.1 金屬蜂窩陶瓷復合靶板

彈丸正侵徹金屬蜂窩陶瓷復合靶板時，侵徹位置有以下兩種情況：a)正對蜂窩骨架節點(強度最高)；b)正對六棱柱陶瓷棒中心(強度最低)。圖2 顯示侵徹位置為蜂窩骨架節點時彈靶的Miss應力云圖。

圖2 彈丸侵徹金屬蜂窩骨架陶瓷復合靶板的Mises應力云圖

從圖2(a)可知，當彈丸撞擊復合靶板時，應力首先在撞擊點產生，隨后向四周傳遞，近鄰撞擊點出現應力波，從中心到四周應力波在傳播過程中逐漸減小。圖2(b)面板上的應力波范圍繼續擴大，應力波沿著蜂窩骨架傳遞到背板，彈丸頭部的應力波也向彈體后部傳播，同時彈丸頭部已經墩粗。圖2(c)應力在蜂窩骨架上傳播，使得蜂窩骨架在彈丸的作用下發生斷裂，彈丸到達背板且背板發生較大凸起。圖2(d)彈丸已穿透靶板，斷裂骨架在彈丸作用下也穿出靶板，應力波傳遞到結構的邊界處并產生回彈現象，邊緣應力波出現自由震蕩。

2.2 層疊金屬陶瓷復合靶板

層疊金屬陶瓷復合靶板是由面板、背板和陶瓷組成的三明治結構，其結構尺寸，材料模型參數和狀態方程參數均保持不變，各材料之間均采用面對面接觸，對靶板邊界施加全約束。圖3表示彈丸正侵徹層疊金屬陶瓷復合靶板過程中彈靶的Mises應力云圖。

圖3 彈丸侵徹層疊金屬陶瓷復合靶板的Mises應力云圖

圖3(a)應力波在彈丸與面板的接觸位置產生并向四周擴散，底板產生少許應力波，中間陶瓷未產生應力波，此時彈丸的能量主要由面板吸收。圖3(b)彈丸擊穿面板，由應力圖可以看出，在彈丸頭部出現陶瓷碎片，底板的應力波擴大，此時彈丸能量的作用形式是陶瓷破裂。圖3(c)彈丸在穿透背板的臨界點，彈道周圍出現大量陶瓷碎片并產生較大的彈孔。此時陶瓷對彈丸基本無阻礙作用，彈丸的能量轉化為背板的變形。圖3(d)彈丸擊穿背板，背板形成較大孔洞，由于彈丸不再對背板發生沖擊作用，背板逐漸恢復變形，穿孔呈現梭型且不再增大。

3 結果分析與討論

3.1 兩類復合靶板各子結構的吸能表現

圖4為兩類靶板各子結構的能量變化圖。圖4(a)表示侵徹位置為金屬蜂窩骨架節點時靶板各子結構的能量變化曲線。圖4(b)表示侵徹層疊金屬陶瓷復合靶板時靶板各子結構的能量變化曲線。

圖4 兩類靶板各子結構的能量吸收圖

圖4可以發現背板吸收的能量均比面板高，這是由于彈丸作用面板時，彈丸形態完整且速度較高，與面板的作用時間短，而作用背板時，彈丸頭部已經墩粗，速度變低，其對背板的作用時間長，從圖2和圖3中可以看出背板的變形比面板的變形更加明顯，說明面板和背板主要靠塑性變形吸收彈丸能量。圖4(a)骨架幾乎作用整個侵徹時間段，作用力使得骨架整體結構變形較大，同時發現部分骨架結構伴隨著彈丸的穿出而脫離靶板，說明骨架出現斷裂，變形和斷裂吸收了彈丸大量能量。陶瓷屬于脆性材料，在彈丸侵徹過程中其主要作用是墩粗彈丸，并通過破碎吸收彈丸能量，層疊金屬陶瓷復合靶板中陶瓷破碎的區域大于金屬蜂窩陶瓷復合靶板，但兩類靶板中陶瓷吸收的彈丸能量相差不大，這是因為在金屬蜂窩陶瓷復合靶板中，金屬蜂窩骨架和環氧樹脂具有良好的抗彎曲特性，且在陶瓷受到彈丸的壓縮剪切破壞和背板的拉伸破壞而裂開時，會對陶瓷進行約束使得裂開的陶瓷緊緊的擠壓在一起，不會發生崩落，從而提高了陶瓷對彈丸的作用力。彈丸貫穿靶板后，金屬蜂窩陶瓷復合靶板吸收的總能量大于層疊金屬陶瓷復合靶板，說明了金屬蜂窩陶瓷復合靶板的抗侵徹性能強于層疊金屬陶瓷復合靶板。

3.2 彈丸侵徹靶板過程中的速度和加速度分析

通過研究靶板各子結構的吸能表現，分析靶板的破壞機理，但對靶板具體抗侵徹性能，還需要研究彈丸侵徹過程中速度和加速度的變化規律。圖5和圖6分別為彈丸侵徹兩類靶板過程中速度和加速度的變化規律。

圖5 彈丸的加速度變化規律

圖6 彈丸的速度變化規律

圖5的結果表明：彈丸接觸靶板時，加速度急劇增大，這是因為靶板的形態完整，且具有較高的硬度和剛度，當彈丸接觸靶板瞬間，在其表面形成強力的壓縮波，從而使得彈丸和靶板之間的壓應力迅速增大；從12 μs到彈丸貫穿靶板這段時間，加速度整體趨于減少，偶爾有幾段小的上升，這是由于各子結構的材料不同，對彈丸的作用力不同，出現轉折點表示彈丸開始侵徹該子結構；圖2的計算結果可以發現，12 μs時陶瓷出現破碎，隨后彈丸的加速度也快速減少，說明陶瓷在抗侵徹過程中具有重要作用，12 μs后彈丸侵徹金屬蜂窩陶瓷復合靶板的加速度仍大于層疊金屬陶瓷復合靶板，因為破碎的陶瓷在蜂窩骨架和環氧樹脂的約束下仍然對彈丸有較大的作用力。圖6結果表明：彈丸貫穿層疊金屬陶瓷復合靶板所需的時間最短為64 μs，而貫穿金屬蜂窩陶瓷復合靶板所需的時間分別為90 μs和72 μs，相對于層疊金屬陶瓷復合靶板，彈丸更難貫穿金屬蜂窩陶瓷復合靶板。彈丸貫穿層疊金屬陶瓷復合靶板后的剩余速度為456 m/s，抗侵徹性能最弱；侵徹位置正對金屬蜂窩陶瓷復合靶板節點時，彈丸貫穿靶板后的剩余速度為276 m/s，抗侵徹性能最強；侵徹位置正對六棱柱陶瓷棒中心時，彈丸貫穿靶板后的剩余速度為372 m/s，其抗侵徹性能居上述兩者之間。

考慮面密度對復合靶板的影響，傳統層疊金屬陶瓷復合靶板的面密度是60.66 kg/m2，金屬蜂窩陶瓷復合靶板的面密度是67.55 kg/m2，面密度增加了11.36%，但彈丸貫穿靶板后的速度降相比傳統層疊金屬陶瓷復合靶板最低提升了24.42%，最高提升了55.23%，由此可見，金屬蜂窩骨架提高了復合靶板單位密度的抗侵徹性能。

3.3 斜侵徹條件下的剩余速度分析

以上分析了彈丸正侵徹條件下靶板的抗侵徹性能，而在實際情況下，彈丸并不是正侵徹，而是以一定的角度侵徹復合靶板，為了研究彈丸斜侵徹情況下靶板的抗侵徹性能，彈丸分別以60°、65°、70°、75°、80°和85°侵徹蜂窩骨架節點和陶瓷棒中心，分析彈丸的剩余速度隨角度的變化規律，并與層疊金屬陶瓷復合靶板進行對比分析。彈丸侵徹兩類靶板后的剩余速度隨侵徹角度的變化規律如圖7。

圖7 子彈的剩余速度隨侵徹角度的變化規律

結果表明：隨著侵徹角度的減少，彈丸的剩余速度越來越小，這是因為斜侵徹下，彈丸貫穿靶板的厚度相對增加，從而使得兩種復合靶板在承受斜侵徹時，抗侵徹性能更好；彈丸正侵徹層疊金屬陶瓷復合靶板后的剩余速度是456 m/s，且隨著侵徹角度的減少，剩余速度也緩慢減少，在侵徹角度為60°時彈丸的剩余速度是352 m/s，整個過程剩余速度減少了104 m/s，而彈丸正侵徹金屬蜂窩陶瓷復合靶板后的剩余速度分別為372 m/s和276 m/s，但隨著侵徹角度的減少，彈丸的剩余速度下降較快，特別是侵徹角度由75°到60°，彈丸的剩余速度急劇下降，在侵徹角度為60°時彈丸的剩余速度下降到76 m/s和18 m/s，整個過程彈丸的剩余速度分別減少了296 m/s和258 m/s，其剩余速度變化大于層疊金屬陶瓷復合靶板，且彈丸貫穿兩類靶板后的剩余速度差由180 m/s逐漸增加到334 m/s，說明金屬蜂窩陶瓷復合靶板的抗斜侵徹性能明顯優于層疊金屬陶瓷復合靶板。

4 結論

文中設計了一種由金屬蜂窩骨架、陶瓷、環氧樹脂膠結劑及金屬板所組成的復合靶板，研究了該金屬陶瓷復合靶板在不同位置受彈丸不同角度侵徹時的動力學性能，并與層疊金屬陶瓷復合靶板進行了對比分析，主要得到以下結論：

1)金屬蜂窩骨架對陶瓷材料起到了支撐作用，限制了陶瓷在沖擊載荷作用下的碎裂和飛濺，顯著提高了復合靶板的抗侵徹性能。

2)正侵徹條件下，彈丸貫穿層疊金屬陶瓷復合靶板所需時間最短為64 μs，剩余速度最大為456 m/s，速度降是344 m/s，抗侵徹性能最弱；侵徹位置正對蜂窩骨架節點時，貫穿靶板所需的時間最長為90 μs，剩余速度最小為276 m/s，速度降是524 m/s，抗侵徹性能最強；侵徹位置正對陶瓷棒中心時，貫穿靶板所需的時間、剩余速度、速度降及抗侵徹性能均介于上述兩者之間。

3)斜侵徹條件下，隨著侵徹角度的減小，彈丸貫穿層疊金屬陶瓷復合靶板后的剩余速度由456 m/s緩慢減少到352 m/s，而侵徹位置正對蜂窩骨架節點時，彈丸的剩余速度由276 m/s急劇減少到18 m/s，且整個過程兩者的剩余速度差由180 m/s逐漸增加到334 m/s，因此說明了金屬蜂窩陶瓷復合靶板在抗斜侵徹方面具有明顯的優勢。研究結果對于金屬陶瓷復合裝甲的結構優化設計和抗沖擊動力學研究有重要指導意義。