小尺寸鎢塊對單兵防護裝備侵徹的彈道極限研究

張玉玉，王樹山，任 凱，劉 洋，李守蒼

(1.中國兵器工業第208研究所，北京 102200；2 北京理工大學，北京 100081;3.中北大學，太原 030051；4 北方信息控制研究院集團有限公司，南京 210000)

現代戰爭中，隨著材料技術的發展，士兵的防護裝備得到了極大的發展，尤其是凱夫拉材料在單兵防具領域得到大量應用之后，反步兵裝備面臨著巨大的挑戰[1]。對此，國內學者也進行了大量研究，例如鄒渝等[2]采用美軍標MiL-P- 46593A-2破片，研究了單兵防彈衣對穿甲破片的防護效應；王軒等[3]采用數值模擬和彈道槍試驗，研究了不同強度鋁合金靶板對立方體破片的防護性能；Jolly等[4]采用質量為12.44 g的某制式槍彈，模擬了在不同彈速下不同復合防彈衣的防護效應。以上研究均采用大尺寸破片或制式槍彈為研究對象，關于單兵防具對小尺寸鎢合金破片對防護能力，國內外少有研究。

基于前期大量的7.62 mm制式槍彈對制式防彈衣以及不同厚度的Q235鋼板的彈道槍試驗，得出了制式防彈衣的等效Q235厚度為3 mm。本文通過數值模擬和試驗的方法，研究了尺寸為3 mm的立方塊鎢合金破片在不同著靶姿態下，侵徹制式軍用防彈衣和3 mm Q235鋼板的彈道極限，為小口徑反單兵武器戰斗部設計及應用提供依據。

1 計算模型及材料參數

采用TrueGrid軟件進行有限元模型的構建，所劃分的有限元單元均為8節點實體單元Solid164，為了便于觀察破片的侵徹過程，有限元模型采用二分之一模型，其有限元模型如圖1所示。破片侵徹靶板是一種高速沖擊過程，對待這種問題在仿真計算時一般采用計算精度高、速度快的Lagrange算法[5]。鎢塊與靶板的接觸采用CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE，破片采用節點施加速度載荷方式來獲得破片的初始速度，在侵徹過程中，靶板的整體移動將嚴重影響到破片的侵徹深度，在本文中通過在靶板四周邊界施加載荷的方式來防止靶板的整體移動。

圖1 有限元模型

進行侵徹的破片要求密度高，高速撞擊下不易破碎，鑒于國內外常用的材料，現將破片的材料采用93 W，破片材料用隨動硬化彈塑性響應，材料類型為*MAT_PLAS -TIC_KINEMATIC，材料參數見表1所示。靶板材料采用Q235合金鋼，選用Johson-cook本構模型，其狀態方程為Grun eisen形式[6-7]，材料參數見表2所示。

表1 鎢合金的材料參數

表2 Q235鋼的材料參數

2 數值模擬

彈道極限的計算參照彈道槍槍擊試驗方法進行，當穿透和未穿透的速度差≤5 m/s時停止計算，經過反復“折半”數值模擬后，得出了尺寸為3 mm的鎢塊侵徹3 mm Q235鋼板的v50值。

當鎢塊正面垂直著靶時仿真結果速度云圖如圖2所示，當v=518 m/s時，靶板形成沖塞，并且鎢塊速度降為2 m/s；當v=514 m/s時，鎢塊完全嵌入靶板，靶板背面形成鼓包但未形成沖塞，并且速度降為0。根據仿真結果計算可得，尺寸為3 mm的鎢塊侵徹3 mm Q235鋼板彈道極限v50=516 m/s。

圖2 侵徹仿真結果速度云圖

由于彈道槍試驗過程中無法控制鎢塊侵徹鋼靶時的著靶姿態，因此通過數值模擬的方法研究尺寸為3 mm的鎢塊在不同著靶姿態的情況下對3 mm Q235鋼靶的彈道極限。

選取鎢塊傾斜角為30°、45°、60°進行數值模擬，結果如圖3所示，根據仿真結果計算得出尺寸為3 mm的鎢塊侵徹3 mm Q235鋼板當鎢塊傾斜角為30°時道極限為509 m/s；當鎢塊傾斜角為45°時彈道極限為497 m/s，當鎢塊傾斜角為60°時彈道極限為507 m/s。

圖3 鎢塊不同著靶姿態侵徹Q235鋼靶數值模擬結果

3 試驗驗證

試驗采用口徑為12.7 mm的滑膛彈道槍，發射尺寸為3 mm的93 W立方塊破片，分別對3 mm Q235鋼板和制式軍用防彈衣進行槍擊試驗。試驗場地及裝置布置如圖4所示,圖4(a)為試驗所用的12.7 mm滑膛彈道槍，圖4(b)為NLG202-Z型六通道測速儀，測試精度為0.1 μs，圖4(c)為制式軍用防彈衣的等效靶板3 mm Q235鋼板的試驗布置圖，圖4(d)為制式軍用防彈衣的布置圖，防彈衣材料為凱夫拉。

圖4 試驗裝置及布置

1)3 mm鎢塊侵徹3 mm Q235鋼板試驗結果

尺寸為3 mm鎢塊對3 mm Q235鋼板侵徹試驗一共進行10發，試驗結果如圖5所示，試驗數據見表3。

圖5 侵徹3 mm Q235鋼板試驗結果

表3 侵徹3 mm Q235鋼板試驗結果

通過試驗我們發現當鎢塊速度小于481 m/s時，鎢塊嵌入靶板，靶板背面均為鼓包；當鎢塊速度大于499 m/s時，鎢塊均穿透靶板。由此可見，尺寸為3 mm的鎢塊對3 mm Q235鋼板的彈道極限介于481 m/s到499 m/s之間，通過計算鎢塊對3 mm鋼靶的最小穿透速度和最大嵌入速度的平均值[8-10]，我們可以得出尺寸為3 mm的鎢塊對3 mm Q235鋼板的彈道極限v50=490 m/s，與仿真計算結果相差不大。

2)3 mm鎢塊侵徹軍用防彈衣試驗結果

尺寸為3 mm鎢塊對軍用防彈衣侵徹試驗一共進行6發，試驗結果如圖6所示，試驗數據見表4。通過試驗我們發現當鎢塊速度小于492 m/s時，鎢塊嵌入防彈衣，并且防彈衣背面無明顯凸起；當鎢塊速度大于506 m/s時，鎢塊均穿透防彈衣。由此可見，尺寸為3 mm的鎢塊對軍用防彈衣的彈道極限介于492 m/s到506 m/s之間，取其平均值，可以得出彈道極限為499 m/s。

圖6 侵徹制式防彈衣試驗結果

表4 侵徹防彈衣試驗結果

4 結論

1)當尺寸為3 mm的鎢塊正面垂直著靶、鎢塊傾斜角為30°、45°、60°時對3 mm Q235鋼靶的彈道極限分別為516 m/s、509 m/s、v50=497 m/s、507 m/s。

2)尺寸為3 mm的鎢塊對3 mm Q235的彈道極限v50=490 m/s，對制式軍用防彈衣的彈道極限v50=499 m/s。