鋼靶分層厚度抗平頭彈侵徹能力的影響規律研究

李小軍，李 偉，謝長友，蓋希強，王江波，高光發

(1 軍事科學院防化研究院，北京 102205；2 南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

0 引言

金屬材料具有廣泛的應用范圍，同時也是軍用防護材料使用最多的材料，45#鋼是一種中碳優質結構鋼，具有良好的綜合力學性能。胡昌明等[1]、陳剛等[2-3]對45#鋼進行一系列動靜態力學試驗，擬合了J-C本構模型的參數；王麗娟等[4]分析了45#鋼高速沖擊下的變形動態響應。

單層和多層靶板的抗侵徹性能已經引起研究者的注意，Radin等[5]對單層和多層鋁靶抗鈍頭和錐形彈進行了一系列試驗研究，發現抗侵徹性能隨著分層降低，即單層靶的抗侵徹性能高于相同總厚度的多層靶。Teng等[6]使用ABAQUS建立了仿真模型，對單層和雙層靶抗平頭和錐頭彈體的侵徹性能進行了研究，結果表明，分層結構提高了靶板對平頭彈的抗侵徹性能。鄧云飛等[7-8]等研究了單層板和接觸式三層板對平頭彈和卵形彈的抗侵徹性能，分析了靶體結構對靶體抗侵徹性能和失效模式的影響。Deng[9-11]等研究了層數、彈丸強度、層數間隙對鋼板抗沖擊的影響同時也對彈丸的穿孔行為進行了詳細的分析。

文中在上述研究基礎上，進行了長桿彈侵徹半無限靶板的仿真與試驗對比研究，驗證了材料參數的有效性和準確性，基于驗證后的45#鋼材料模型，利用ANSYS/LS-DYNA大型有限元軟件，對靶板分層厚度與彈丸直徑之比T/D抗平頭彈的侵徹性能進行數值模擬，得到每種工況下的侵徹深度，分析了不同速度下靶板分層厚徑比的最佳抗侵徹性能，為復合多層裝甲的防護設計提供參考。

1 仿真計算模型

1.1 幾何模型

彈體直徑D為6 mm，長度L為60 mm，靶板直徑為10D，即建立長徑比(L/D)為10的平頭長桿彈和直徑為60 mm一系列不同厚度T的靶板。圖1為不同T/D靶板的示意圖。

圖1 不同T/D的仿真幾何模型示意圖

當T/D=1時，圖1中的T就為6 mm，總靶板由15個分層靶板組成。由于彈體、靶板及加載方向的對稱性，建立了1/4的實體模型，采用8節點六面體單元和 Lagrangian算法，長桿彈和靶板的材料都為45#鋼。在靶板的邊界上施加固定約束，彈體與靶板、靶板之間采用單面侵蝕接觸，關鍵字為CONTACT_ERODING_SINGLE_SURFACE，此接觸算法的優點是計算時間快，特別適用于接觸數量多、規律性研究的仿真計算。

1.2 材料模型

彈體和分層靶板均采用Johnson-Cook(J-C)模型，本構方程為:

(1)

表1 彈丸和靶板45#鋼材料主要參數

2 模型驗證

利用25 mm口徑軌道炮進行了彈芯直徑為6 mm、彈長為90 mm的桿彈侵徹直徑為80 mm、厚度為110 mm的45#鋼靶板試驗，采用高速攝影觀察長桿彈的飛行姿態和著靶角度，并測量彈丸的飛行速度，圖2為試驗所用彈丸的結構圖。

圖2 脫殼穿甲彈結構圖

圖3 彈丸飛行過程高速攝像圖

圖3為長桿彈從發射到侵徹靶板過程中的高速攝像圖，可以看出彈丸在整個飛行過程中飛行穩定，出炮口后彈托已經開始張開(圖3中第1階段)，經過一段距離的飛行，彈托已經分離(圖3中第3階段)，但由于靶板距炮口只有2 m的距離，導致彈芯和彈托并不能完全分離，但這并不影響彈芯的侵徹；在侵徹靶板時彈丸著靶角為0°，即彈丸垂直侵徹靶板(圖3中第4階段)。

利用LS-DYNA仿真軟件建立與試驗條件相同的1/4仿真模型，并在對稱面上施加對稱約束，靶板的側邊施加固定約束，模擬靶板被固定的條件。圖4為桿彈速度為1 516.2 m/s時靶板的侵徹試驗和仿真結果對比圖，從圖中可以看出，試驗侵徹深度與仿真結果對比較好，且彈坑形狀也相同，但初始的彈坑直徑不同，這是由于仿真模型中沒有考慮彈丸的圓錐尾翼。

圖4 速度為1 516.2 m/s時試驗與仿真對比圖

圖5為不同速度V桿彈侵徹靶板侵徹深度P的試驗與仿真數據對比圖，從圖中可以看出，試驗侵徹深度與仿真絕大多數相差在2%以內，值得注意的是當速度為1 316.9 m/s時，仿真與試驗侵徹深度相差7.2%。

圖5 不同速度桿彈侵徹靶板仿真試驗侵徹深度圖

根據圖4和圖5，發現試驗彈坑和數值模擬彈坑基本一致，試驗侵徹深度和數值模擬侵徹深度相差較小，并且隨著速度的增加，兩者侵徹深度的增加具有很好的一致性，驗證了仿真模型和材料參數的有效性和準確性，同時說明數值仿真模型能夠準確的描述長桿彈侵徹試驗。

3 仿真結果分析與討論

圖6為T/D=1的靶體分層厚度在不同速度下侵徹后剩余的彈體圖，由于靶板的可變形性和桿彈在侵徹過程中的塑性流動變形導致桿彈侵徹端面出現外翻現象，呈現蘑菇頭形狀，值得注意的是，隨著速度的增大，桿彈的剩余彈體也越來越少，桿彈頭部外翻的也越多。

圖6 不同速度桿彈侵徹T/D=1靶后剩余彈體

圖7為桿彈以1 600 m/s的速度撞擊T/D=1靶體結構的典型過程圖，分別截取了桿彈穿過每層靶板的Mises應力云圖，從圖中可以看出，靶體的變形主要是局部變形，整體靶板的變形很小，當靶板穿過第1層靶板時，第2塊靶板已經發生了塑性流動，靶板的正面已經出現凹坑，背面有鼓起的部分，但由于后續靶板的作用力，導致凸起部分不太明顯；當彈丸完全侵徹貫穿1層靶板時，靶板中間向上隆起，第1層最為明顯，后續隆起高度逐漸變小。

圖7 靶體T/D=1時的典型侵徹過程

圖8為不同速度桿彈侵徹靶體厚徑比為T/D=1時的速度和加速度時程曲線，由圖8可以看出，侵徹速度越大，侵徹停止的時間越快，侵徹過程中的最大加速度也較大;當桿彈速度為600 m/s時，桿彈的加速度近似于一個定值，當速度大于800 m/s時，彈丸的速度和加速度歷程具有一定的相似性。

圖8 靶體結構T/D=1時侵徹速度和加速度曲線

圖9為長桿彈侵徹T/D分別為0.5，0.75，1，2，3，4，5，6，7，10分層靶板的侵徹深度曲線，從圖中可以看出，隨著速度的增加，每種分層靶板的侵徹深度都隨之增大，且增加趨勢具有一致性；在速度低于1 000 m/s時，所有分層靶板的侵徹深度隨速度的增加較慢，而速度在1 000～1 600 m/s時，侵徹深度隨桿彈速度的增加增大較快，趨于直線增加；在低速情況下，所有分層靶板的抗侵徹性能相差不大，但在速度大于1 200 m/s時，靶板分層T/D(≤1)的值越小，侵徹效率越高。

圖9 不同T/D靶板的速度與侵徹深度曲線

為了更直觀地觀察靶板不同分層的抗侵徹性能，圖10給出了靶板分層厚徑比與侵徹深度在不同速度下桿彈侵徹的深度，由圖可以看出，在速度為600 m/s,800 m/s和1 000 m/s時，不同分層靶板的抗侵徹能力相差不大，但存在一個最小侵徹深度分層厚徑比，即T/D=6時，桿彈的侵徹深度最小，靶板的抗侵徹效率最高；當速度為1 200 m/s,1 400 m/s和1 600 m/s，T/D<1時，侵徹深度急劇增加，分別增加了9%,11.7%和5%，同樣存在一個最小的侵徹深度分層厚徑比，即在T/D=5時侵徹深度最小，即靶板的抗侵徹性能最好，值得說明的是，速度為1 400 m/s時，侵徹深度最小的是T/D=7，但與T/D=5時的侵徹深度相差為0.75%，可以認為最佳抗侵徹分層厚徑比為T/D=5。

圖10 分層結構T/D與侵徹深度的關系圖

4 結論

研究了不同分層靶板厚徑比對直徑為6 mm、長徑比為10的長桿彈的抗侵徹性能，分析了靶體的最佳抗侵徹分層厚徑比，得到以下結論：

1)進行對比試驗，證明采用合適的材料模型進行仿真可以有效的研究靶板的抗侵徹性能。

2)對每種厚徑比分層靶板進行了不同速度下的抗侵徹數值模擬，仿真結果表明：當速度在600～1 000 m/s范圍內，抗侵徹性能最好的靶板分層厚徑比為T/D=6，當速度高于1 000 m/s時，最佳靶板分層厚徑比為T/D=5。

3)分析靶體分層T/D=1時的速度和加速度時程曲線，發現速度越高，桿彈侵徹過程中最大加速度越大，侵徹完成的時間越短。

此外，由于金屬材料具有嚴格的幾何相似率，文中研究的是45#鋼桿彈侵徹45#鋼分層靶板的抗侵徹規律，故得到的結論可以對其他口徑的桿彈抗侵徹研究具有一定的參考意義。