多層橡膠陶瓷復合裝甲的抗侵徹性能研究

李 坤，高旭東，董曉亮

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

1 引言

相比于傳統均質鋼裝甲，陶瓷復合裝甲具有面密度低、沖擊吸能高、防護性能好等優點，在裝甲防護結構中具有重要的應用價值。但是陶瓷材料具有斷裂韌性低和塑性差的特點，嚴重影響了陶瓷防護性能的提高。針對如何提高陶瓷復合裝甲的防護能力的問題，學者們開展了大量的研究。

李茂[1]基于均質鋼板、聚脲涂層材料和SiC陶瓷材料設計了4種聚脲涂覆復合裝甲結構，開展近炸下復合裝甲結構毀傷特性試驗研究，發現聚脲涂覆復合裝甲結構的防護性能明顯優于多層均質鋼裝甲，增加陶瓷厚度比增加背板和前面板厚度對整體防護效能更有效。 董彬[2]從陶瓷面板和復合材料背板彈道吸能角度討論了陶瓷/纖維復合裝甲的抗彈機理，并基于此理論綜述了陶瓷面板、復合材料背板、界面黏結層等因素對陶瓷復合裝甲抗彈性能的影響規律。包闊[3]基于剩余穿深方法開展了碳化硼及復合靶抗12.7 mm穿甲燃燒彈侵徹的試驗研究和數值模擬研究，重點研究了靶板配置、背板厚度及種類對復合靶抗彈能力的影響。焦志剛[4]通過數值模擬的方法建立了7.62 mm的鎢合金桿式彈侵徹150 mm厚度復合靶板的有限元模型，研究了陶瓷為面板，橡膠或玻璃纖維為夾層，裝甲鋼為背板的不同組合復合靶的抗彈性能，發現玻璃纖維作為夾層的陶瓷復合裝甲防護性能較好。杜忠華[5]研究了裝甲鋼為面板、陶瓷、玻璃纖維和裝甲鋼為背板的復合裝甲抗長桿彈侵徹性能的影響，結果表明相對較大的陶瓷厚度有利于提高復合裝甲的抗穿甲能力。Wilkins[6]通過用7.62 mm口徑模擬彈代替穿甲燃燒彈，對碳化硼/鋁復合靶進行了一系列的試驗。Florence[7]以彈體靶板系統動量和能量守恒推導出了剛性平頭彈體正侵徹和斜侵徹陶瓷/金屬復合靶板的極限彈道速度解析表達式。

前人的研究都是通過對增加陶瓷復合裝甲中某層材料厚度和改變裝甲材料來提升復合裝甲的抗彈能力，并沒有考慮復合裝甲中存在傾斜的材料結構層對抗彈能力的影響。作者通過對國外某主戰坦克的解密資料研究發現[8]，某主戰坦克的炮塔側面裝甲是一種多層橡膠傾斜布置的陶瓷復合裝甲的特殊結構，這種結構據稱能具有優越的抗彈性能[9]。本文結合裝甲資料設計了一種多層橡膠陶瓷復合裝甲的結構，利用這種特殊的結構開展多層橡膠陶瓷復合裝甲對穿甲彈在不同著角情況下抗彈性能的研究。

2 彈靶模型的建立

2.1 有限元模型

多層橡膠陶瓷復合裝甲結構可以分為3個部分，如圖1所示。

圖1 多層橡膠陶瓷復合裝甲結構示意圖

第1層結構為裝甲鋼面板1。第2層結構為多層橡膠復合裝甲層，這層結構由單層橡膠復合裝甲以一定的傾角排列組合而成，相鄰的單層橡膠復合裝甲之間存在空氣間隙，其中單層橡膠復合裝甲的結構為裝甲鋼+橡膠+裝甲鋼。第3層結構為陶瓷復合裝甲層，這層結構具體為裝甲鋼面板2+陶瓷層+裝甲鋼背板。每層結構的尺寸如下：第1層面板尺寸為300 mm×150 mm；第2層單層橡膠復合裝甲每層結構的尺寸為100 mm×150 mm，與水平面的夾角為35°，相鄰的單層橡膠復合裝甲之間的空氣間隙為2 mm；第3層結構的面板2、陶瓷、背板尺寸為300 mm×150 mm。靶板各層材料和厚度如表1所示：

表1 靶板材料和厚度

本研究采用球頭長桿式穿甲彈[10]對靶板進行侵徹，長度為67.07 mm，直徑為6.33 mm，長徑比為10.6。彈體材料為鎢合金，密度為17.45 g/cm3，頭部為半球形，質量為36.44 g，如圖2所示。

圖2 球頭長桿式穿甲彈示意圖

利用LS-DYNA有限元軟件，建立穿甲彈侵徹多層橡膠陶瓷復合裝甲的有限元模型。穿甲彈和多層橡膠陶瓷復合裝甲部分是利用三維Lagrange網格建模，單元之間采用拉格朗日算法來分析穿甲彈與多層橡膠陶瓷復合裝甲的相互作用過程。彈體和靶板的邊界條件采用SPC_SET來控制，彈體采用內部單元自接觸AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，靶板采用內部各單元之間內部自接觸AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，彈體和靶板之間采用ERODING_SURFACE_TO_SURFACE侵蝕接觸。考慮網格數量與計算時間的關系，多層橡膠裝甲層采用二分之一模型進行建模，面板1和陶瓷復合層采用四分之一模型進行建模。采用復合靶板的網格最小尺寸為0.05 mm，為了保證計算的精度和縮短計算時間，靶板在距離穿甲彈侵徹中心的網格劃分較密，由于距離較遠的區域應力應變受侵徹影響較小，網格劃分逐漸稀疏。穿甲彈和復合靶板的組成效果如圖3所示有限元模型。

圖3 多層橡膠陶瓷復合裝甲有限元模型示意圖

2.2 材料模型

彈體采用鎢合金材料，材料模型使用Johnson-Cook強度模型和Gruneisen狀態方程[11]。面板1、橡膠面板、橡膠背板、面板2和背板材料采用616裝甲鋼，采用Johnson-Cook強度模型和Gruneisen狀態方程。多層橡膠復合裝甲中的橡膠使用的材料是天然橡膠6744，采用Ogden強度模型，參數來自于文獻[12]。陶瓷材料使用碳化硼陶瓷，采用Johnson-Holmquist強度模型[13]。表2、表3和表4分別給出了鎢合金和616裝甲鋼、天然橡膠6744和碳化硼陶瓷的材料參數。

表2 鎢合金和616裝甲鋼的材料參數

表3 天然橡膠6744的材料參數

表4 碳化硼陶瓷的材料參數

3 彈靶侵徹數值模擬

3.1 不同著角彈體侵徹速度變化數值模擬分析

在相同初速的條件下，通常用穿甲彈的剩余速度來評估靶板的防護性能。彈體初速為1 300 m/s，表5表示彈體在不同著角的情況下侵徹多層橡膠陶瓷復合裝甲的剩余速度。從表中可以看出，在相同的初速條件下，隨著彈體的著角的增大，侵徹所用的時間越長，速度損耗量越大，剩余速度越小，對靶板的侵徹深度越小。在彈體著角60°時，侵徹深度最小，與彈體著角50°時相比侵徹深度下降了22.7 mm。

表5 不同著角彈體侵徹復合靶板的剩余速度

圖4是彈體不同著角侵徹靶板的速度曲線， 從圖中可以看出，不論彈體從何種著角侵徹，彈體侵徹多層橡膠陶瓷復合裝甲可以分為3個階段。

圖4 彈體不同著角侵徹復合靶板速度曲線

1) 彈體侵徹面板1階段。在這一階段不同著角之間侵徹的區別在于侵徹耗費時間不同，但由于面板1較薄，對彈體速度影響較小。彈體侵徹由于著角的增大，彈體頭部與面板1之間的接觸面積也會增大，彈體侵徹路徑被延長，相應的侵徹時間會增長。

2) 彈體侵徹多層橡膠復合裝甲層階段。在這一階段彈體所侵徹的橡膠復合裝甲層數量會隨著角的增大而增多，例如彈體0°著角侵徹了7層橡膠復合靶板，而彈體60°著角侵徹了15層橡膠復合靶板。彈體速度和動能的下降量主要是由這一段所侵徹的橡膠復合靶板層數所決定的，侵徹的橡膠復合靶板層數越多，彈體下降的速度越快，彈體侵徹的時間也會增長。同時在這一段彈體速度同時呈現波動下降的趨勢，主要是因為橡膠夾層的存在影響了速度變化趨勢。

3) 彈體侵徹陶瓷復合層階段。在這一階段彈體先后侵徹面板2，陶瓷層和背板3層結構。由于著角的增大，彈體速度下降的速率會增大，彈體的速度下降趨勢基本與時間呈現線性下降的關系。但當著角增大超過50°，彈體只能侵徹到面板2和陶瓷層兩層結構；當著角增大超過60°，彈體只能侵徹到面板1結構，同時會發生彈體跳飛的現象。

圖5為彈體在0°，30°和60°侵徹復合靶板的速度云圖。

圖5 彈體不同著角毀傷復合靶板速度云圖

由圖5可以看出，在彈體著角為0°時，彈體可以穿透復合靶板，并有很大的侵徹剩余速度；在彈體著角為30°時，彈體無法擊穿結構中的背板層，在背板層上留下深的開坑，失去侵徹能力，并且彈頭發生一定的偏轉，彈體侵徹剩余速度幾乎為零；在彈體著角為60°時，彈體無法擊穿結構中的面板2，在面板2上留下淺的開坑，并發生彈體跳飛現象，彈體跳飛時仍有部分侵徹剩余速度。由此可以得出結論，穿甲彈在侵徹多層橡膠陶瓷復合裝甲時若著角大于30°，會出現無法擊穿復合靶板的現象；穿甲彈在侵徹多層橡膠陶瓷復合裝甲時若著角大于60°，會出現彈體跳飛的現象，無法穿透靶板。

綜合來看，在不同著角下的穿甲彈侵徹速度的下降主要是由于中間橡膠復合層的存在。彈體在不同著角下所侵徹的橡膠復合裝甲層數不同，直接導致彈體速度下降量的不同。

3.2 不同著角下彈體質量變化數值模擬分析

彈體不同的著靶姿態，會導致彈體頭部與靶板結構的接觸面積會有所不同。接觸面積的不同會影響到穿甲彈彈頭的變形和彈體動能下降的不同，直接導致彈體侵徹靶板后剩余質量的不同。本研究以彈體侵徹多層橡膠陶瓷復合裝甲為例，彈體的著角分別取0°、20°、30°、40°、50°、60°。彈體不同著角質量銷蝕曲線如圖6所示，彈體侵徹靶板質量銷蝕率如表6所示。

圖6 彈體不同著角侵徹復合靶板質量銷蝕曲線

表6 不同著角彈體侵徹復合靶板的質量銷蝕率

綜合而言，對于多層橡膠陶瓷復合裝甲的結構，雖然彈體的初始動能相同，但不同著角的彈體穿透靶板的質量變化不同。彈體質量銷蝕的曲線規律主要分成以下3種情況。

1) 第1種情況，彈體著角小于30°，這種情況的彈體質量的銷蝕可以分為4個階段。如圖6所示，彈體著角0°和20°二者質量下降的趨勢總體上保持一致，但質量下降的區間時間有所不同。

彈體著角0°和20°四個階段的質量銷蝕率如表7所示。

表7 彈體著角0°和20°四個階段質量銷蝕率

特征如下：第1階段為彈體質量輕微變化階段；這一階段質量銷蝕較小，質量下降的原因主要是彈體頭部的變形侵蝕；第2階段為彈體質量急速下降階段；這一段為彈體侵徹中間橡膠復合層階段，這是彈體質量主要被銷蝕的階段，決定了最后彈體的剩余質量。第3階段為彈體質量緩慢下降階段；這一段為彈體侵徹面板2和陶瓷階段，質量銷蝕比較緩慢，主要是面板2和陶瓷的破碎對彈體質量的銷蝕。第4階段為彈體質量波動下降階段。這一段彈體開始侵徹背板，此刻彈體頭部已經失去大部分侵徹能力，主要依靠彈體剩余動能推動彈體頭部侵徹，這會導致質量曲線開始波動下降，彈體在穿透背板后質量保持穩定。

2) 第2種情況，彈體著角在30°到50°之間，這種情況的彈體質量的銷蝕可以分為3個階段。如圖6所示，在彈體著角為30°和40°著角時，彈體質量下降的趨勢保持一致，僅在下降時間區間有所不同。

彈體著角30°和40°三個階段質量銷蝕率如表8所示。

表8 彈體著角30°和40°三個階段質量銷蝕率

特征如下：第1個階段為彈體質量急速下降階段；這一段包括彈體侵徹面板和中間多層橡膠復合結構，這一段是彈體質量銷蝕的主要階段，質量下降趨勢幾乎呈線性急速下降。第2階段為彈體質量波動下降階段；這一段主要是彈體侵徹面板2和陶瓷兩層結構，彈體頭部發生不規則的變形，質量呈現出波動下降的趨勢。第3階段為彈體質量緩慢下降階段。這一段彈體侵徹背板時已經失去大部分侵徹能力，在背板的作用下彈體殘余動能被消耗，質量下降比較緩慢。

3) 第3種情況，彈體著角大于50°，這種情況的彈體質量的銷蝕可以分為2個階段。如圖6所示，在彈體侵徹著角大于50°之后，彈體會出現不能侵徹到背板結構的現象，并且隨著著角增大，彈體會出現無法侵徹到陶瓷層結構的情況，只能侵徹到面板2層。

彈體著角50°和60°兩個階段質量銷蝕率如表9所示。

表9 彈體著角50°和60°兩個階段質量銷蝕率

特征如下：第1階段為彈體質量急速下降階段。主要是彈體侵徹裝甲結構中的面板1和中間層多層橡膠復合層，質量幾乎呈現快速線性下降的趨勢，是彈體質量下降的主要階段。第2階段為彈體質量緩慢下降階段。彈體侵徹面板2，隨著彈體著角的增大，彈體頭部會發生跳飛現象，質量下降趨勢變緩。

4 多層橡膠陶瓷復合裝甲抗彈能力的計算

目前常采用多組分復合裝甲混合律的方法來計算復合裝甲的抗彈能力。多組分復合裝甲混合律的通式(1)如下[14]：

Ri=∑NiLi

(1)

式中：Ri為復合裝甲抗彈能力(mm)；Li為第i種材料的復合裝甲水平等重厚度(mm)；Ni為第i種材料的防護系數。

通過應用多組分復合裝甲混合律計算復合裝甲的抗彈能力，計算每層的水平等效厚度Li。各材料層的水平等效厚度計算通式(2)如下[15]：

(2)

式中：ρi為第i層材料的密度或結構單元層的評價密度(×103kg/m3)；δi為第i層材料或結構單元的垂直厚度(mm)；αt為裝甲的傾角(°)。

根據防護系數Ni計算每層材料的抗彈能力Ri，通過各層抗彈能力得出多層橡膠陶瓷復合裝甲的抗彈能力，如表10所示。

表10 多層橡膠陶瓷復合裝甲抗彈能力

裝甲結構的抗穿甲彈等效系數計算式(3)如下：

N=Ri/L

(3)

式中：L為裝甲原厚度。

由此得出多層橡膠陶瓷復合裝甲的抗穿甲等效系數為2.55，說明本文所設計的裝甲結構在穿甲彈的侵徹作用下具有良好的抗彈性能。

5 結論

1) 多層橡膠陶瓷復合裝甲對穿甲彈的防護作用主要是依靠中間橡膠裝甲層。彈體著角越大，所侵徹的橡膠層的數量越多，彈體速度下降越快，裝甲的抗彈性能就越好。彈體著角超過30°時，裝甲結構不會被擊穿；彈體著角超過60°時，會在侵徹陶瓷復合層面板時出現彈體跳飛。

2) 彈體質量銷蝕率隨著著角的增大而增大。不論彈體著角現象如何變化，彈體頭部在侵徹裝甲結構時都會產生偏轉。

3) 根據多組分復合裝甲混合律計算出了在穿甲彈作用下的抗彈能力，計算出裝甲結構的抗穿甲的防護系數為2.55，說明多層橡膠復合靶具有良好的抗穿甲彈能力。