玻璃纖維復合裝甲抗射流侵徹的性能研究

李中澤，高旭東，董曉亮

(南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094)

1 引言

20世紀60年代初，高強玻璃纖維由美國OC公司[1]率先開發出來后，被普遍用于各種專用車輛的外部或內部的防護中。高強玻璃纖維的密度為1.0～2.0 g/cm3，約為鋼的1/4，比強度卻是鋼的4～8倍，比模量是鋼的3～5倍，并有令射流使射流彎曲、不規則斷裂的能力，作為裝甲材料可以大幅減小裝甲質量，在同等質量的情況中可以提供更高的抗彈能力[2]。賈鑫等[3]開展了碳纖維、玻璃纖維等織物增強橡膠復合靶板抗射流侵徹試驗研究，分析了面板變形形態及不同纖維破壞形式，計算了不同結構防護系數及差分防護系數；Wang等[4]進行了7.62 mm穿甲彈低速侵徹鋼/玻璃纖維復合靶的試驗，研究了玻璃纖維復合材料的吸能特性；杜忠華等[5]建立了彈丸垂直侵徹玻璃纖維靶板的模型，給出了纖維復合材料極限穿透速度V50的計算公式，并通過試驗驗證了其準確性。徐豫新等[6]通過破片模擬彈丸高速撞擊不同結構三明治板實驗，研究了鋼板-玻璃纖維-鋼板組成的三明治結構對破片的防護性能，獲得了FSP彈丸貫穿靶板的彈道極限速度。

目前大多數的研究都是穿甲彈或破片侵徹玻璃纖維復合靶板，而如今的主戰坦克中很多使用了高強度玻璃纖維作為復合裝甲的夾層材料，所以開展對基于玻璃纖維復合裝甲的抗射流侵徹性能研究是亟待解決的問題。

2 彈靶模型的建立

2.1 幾何模型

本文中所用的聚能戰斗部使用直徑為56 mm的基準彈，炸高為80 mm，其基本尺寸如圖1所示。聚能裝藥采用起爆方式為中心起爆，復合裝甲為裝甲鋼-玻璃纖維層-裝甲鋼的3層結構，面積為300 mm×150 mm，603裝甲鋼面板和背板的厚度為15 mm，玻璃纖維層壓板厚度有3種，分別為9 mm、12 mm、15 mm。

圖1 56基準彈結構示意圖Fig.1 Structureof shaped charge

2.2 材料模型與參數

藥型罩的材料為紫銅，復合裝甲的第1層和第3層均為603裝甲鋼，材料模型采用Johnson-Cook強度模型和Gruneisen狀態方程共同描述。表1給出了紫銅與603裝甲鋼的相關材料參數。聚能戰斗部裝藥材料為8701炸藥，材料模型為*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型和JWL狀態方程。表2給出了8701炸藥的材料參數，表中各參數含義見參考文獻[7]?？諝庥虿捎每瘴镔|流體模型(MAT_NULL)，并使用線性多項式(Linear_Polynomial)狀態方程共同描述[8]，其參數見表3。

表1 紫銅與603裝甲鋼的材料參數

表2 8701炸藥材料參數

表3 空氣參數

玻璃纖維復合材料使用復合材料實體失效材料模型(Mat_Composite_failure_Solid_Model)來進行模擬[8]，該模型可以模擬多達8種復合材料失效形式。根據文獻[8]，本文與玻璃纖維材料相關的部分材料參數如表4。

表4 玻璃纖維復合材料性能參數

2.3 有限元模型

由于本文模型均為對稱結構，為簡化計算采用1/2模型進行建模，模型如圖2所示。模型共由炸藥、藥型罩、空氣域和玻璃纖維復合靶板四個部分構成。其中聚能戰斗部材料與空氣域使用歐拉網格建模，玻璃纖維復合裝甲則使用拉格朗日網格建模。使用流固耦合算法(ALE)計算歐拉網格與拉格朗日網格的相互作用。保證歐拉域的三部分網格共節點，空氣域邊界為非反射邊界，對稱面采用滑移邊界條件。

圖2 有限元模型示意圖Fig.2 Finite element model

3 射流侵徹仿真結果及分析

基于上述聚能射流及裝甲結構的參數，應用ANSYS/LS-DYNA對整個侵徹過程進行仿真計算，從侵徹纖維復合裝甲后射流損失能量、射流形態受纖維復合裝甲干擾后形態變化和侵徹纖維復合裝甲后的后效深度3個方面來對得到的數值計算結果進行分析。

3.1 射流侵徹纖維復合裝甲損失能量分析

在分析射流侵徹纖維復合裝甲損失能量時未加裝后效靶板，射流侵徹靶板時射流能量(E.Tot)隨著侵徹的進行而減小，不同傾角下射流侵徹3種纖維夾層厚度復合靶板的射流能量變化如圖3～圖5所示。

圖3 纖維夾層為9 mm時射流能量變化曲線Fig.3 Jet energy variation curve when fiber thickness is 9 mm

圖4 纖維夾層為12 mm時射流能量變化曲線Fig.4 Jet energy variation curve when fiber thickness is 12 mm

圖5 纖維夾層為15 mm時射流能量變化曲線Fig.5 Jet energy variation curve when fiber thickness is 15 mm

從圖6可以看出，射流能量在24 μs左右達到最大值，此時射流基本成型，能量為57.65 kJ，頭部速度為6 951 m/s。在射流達到最佳炸高后，開始侵徹復合靶板，能量逐漸降低。射流在侵徹一段時間后穿出靶板，在空氣中飛行，能量相對平穩。

對比不同曲線可以得到，隨著侵徹角度的增大，射流穿過靶板后損失的能量均隨侵徹角度的增加而增加，損失能量最低為34%，最高為80%。在不同角度下射流侵徹3種不同玻璃纖維夾層厚度的復合靶板后能量消耗曲線如圖7所示。

由圖7可知，射流動能隨玻璃纖維復合裝甲傾角的變大而顯著減低，但玻璃纖維夾層厚度的變化對射流能量損耗變化影響較小。

根據數值計算結果得到：

1) 隨著玻璃纖維復合裝甲夾層厚度的不斷增大，玻璃纖維復合裝甲抗射流侵徹性能緩慢增加，在同一角度時，射流侵徹靶板后損失能量最大差值僅為射流最高能量的5.7%。

2) 隨著復合靶板傾角的不斷變大，玻璃纖維復合裝甲抗射流侵徹性能也在不斷增強。射流在0°到72°之間，侵徹夾層厚度為9mm、12mm和15mm的復合裝甲后損失能量差值分別為射流最高能量的35.2%、35.8%和37.7%。

3.2 射流受裝甲干擾后形態變化分析

玻璃纖維具有令射流彎曲、不規則斷裂的能力，裝甲傾角為72°時，射流侵徹夾層厚度為12 mm的玻璃纖維復合裝甲后的射流形態變化如圖8所示。

1.3 觀察指標 對比兩組患者手術前后社會功能、軀體功能、心理功能、物質生活狀態等生活質量變化，手術時間、術后出血量、月經恢復時間、住院時間、血清β-hCG恢復時間等圍手術期各項指標水平，下腹疼痛、發熱、陰道出血、下肢靜脈血栓等術后并發癥的發生情況及術后滿意度。生活質量評分采用生活質量綜合評定問卷-74(GQOLI-74)評估，滿分為100分，分數越高表示生活質量越高，滿意度采用自制問卷調查進行評分，滿分為100分，其中80分以上為非常滿意，60～80分為滿意，60分以下為不滿意，滿意度=非常滿意率+滿意率。

圖8 射流侵徹夾層厚度為12 mm傾角為72°的復合靶板成型示意圖Fig.8 The jet penetrates the composite target with a thickness of 12 mm and an inclination of 72°

射流能量在24 μs左右達到最大值，并開始侵徹符合靶板，頭部速度為6 950 m/s。首先射流與面板接觸后進入開坑階段，約6μs后開始穩定侵徹，開孔孔徑為10.8 mm，射流穩定侵徹頭部直徑為4.6 mm，射流能量均勻消耗。射流在44 μs時穿透面板與玻璃纖維夾層接觸。在傾角效應和玻璃纖維的共同作用下，射流頭部發生了明顯的側向偏斜，射流頭部直徑為3.1 mm。在60 μs穿透玻璃纖維層與背板接觸后發生回彈現象，主射流被干擾，并分割出一部分沿著靶板面侵徹玻璃纖維層。分割出的射流在平行于靶板方向侵徹了25 mm，主射流則繼續侵徹背板直至穿出。

3.3 剩余射流侵徹后效靶板能力分析

射流在穿出復合裝甲后在空氣中飛行，侵徹后效靶板的深度在一定程度上可以反應射流侵徹靶板的能力，通過對比不同情況下射流的侵徹后效靶板的深度能直觀反應出復合靶板抗射流侵徹的能力。不同角度下射流分別侵徹夾層厚度為0 mm、9 mm、12 mm和15 mm纖維復合裝甲的后效靶穿深如圖9所示。

圖9 不同角度下各纖維復合靶板剩余穿深曲線Fig.9 Residual penetration depth of each fiber composite target at different angles

由圖9可知，從后效靶板的侵徹深度來看，具有玻璃纖維夾層的復合裝甲結構抗彈能力要比沒有玻璃纖維夾層的裝甲結構強。玻璃纖維夾層由于其各向異性的原因，在大傾角的情況下其提供的抗侵徹能力減弱。復合靶板整體隨傾角的增加，射流侵徹后效靶板的穿深也在不斷降低。

4 復合裝甲整體抗彈性能分析

評定復合裝甲的防護能力不僅可以用剩余穿深作為標準還可以采用空間防護系數Es，質量防護系數Em，和差分防護系數Δes來表示復合裝甲的防護能力。質量防護系數Em表示復合靶板的整體防護能力，空間防護系數Es描述裝甲鋼板與纖維復合靶板的等價侵徹深度比，差分防護系數Δes描述材料本身所表現出來了抗侵徹性能[9-10]。

(1)

(2)

(3)

式中：ρst為鋼的密度，ρp為復合靶板夾層密度，h0為φ56 mm標準聚能裝藥的基準穿深，hres為射流侵徹纖維復合靶板后的剩余穿深，δt1為復合靶面板厚度，δt2為復合靶背板厚度，復合靶法向與標準聚能裝藥軸線的夾角β=90°-α，δp為復合靶夾層厚度。

不同工況下纖維復合靶板的質量防護系數、空間防護系數和差分防護系數如圖10～圖12所示。

圖10 質量防護系數曲線Fig.10 Quality protection coefficien

圖11 空間防護系數曲線Fig.11 Space protection coefficient

圖12 差分防護系數曲線Fig.12 Differential protection coefficient

由圖10、圖11可得，隨著傾角增加，質量防護系數不斷增長，空間防護系數減小，質量防護系數在傾角為68°時達到最大。說明了在68°后雖然整體的抗彈性能有所提升，但傾角的影響反而變弱了，所以纖維復合靶板在68°時有著最佳防護性能。3種夾層厚度玻璃纖維復合裝甲的差分防護系數隨著傾角的增加呈先增長再減少的趨勢，并均在傾角為40°取得最大值。說明在40°傾角時玻璃纖維夾層在三明治結構中抗射流侵徹性能貢獻最大，這與3.3節分析得到的結論一致。

綜合來看，玻璃纖維夾層厚度為15 mm時，復合靶板的防護性能最佳。在68°的時候復合靶板質量防護系數最大，有最佳防護性能。一方面是因為纖維復合裝甲鋼板與夾層纖維的材料屬性對射流的干擾能力，另一方面也是由于傾角效應對射流造成的干擾。隨著傾角的增大，雖然復合靶板的等效厚度增加了，但應力波在玻璃纖維復合靶板中的作用范圍也增加了，對面板、纖維層和背板作用力也變小了，進而減少了裝甲整體對射流的橫向作用，并且由差分防護系數可以得知3種厚度的玻璃纖維夾層對射流的防護能力都在傾角大于40°后減弱。因此玻璃纖維復合靶板防護能力并不隨著傾角的增加而單調增加。當傾角在68°左右時，復合靶板有著最佳的抗侵徹性能。

5 玻璃纖維復合裝甲抗射流侵徹性能的工程計算

Ri=∑NiLi

(4)

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。

一般計算復合裝甲抗侵徹性能分為4個步驟，以夾層厚度為15 mm的纖維復合裝甲，傾角為68°為例：

1) 查閱裝甲結構的材料的密度，并計算每層的水平等效厚度，填入表5中。各材料層的水平等效厚度計算通式(5)如下：

(5)

式中：ρi為第i層材料的密度或結構單元層的平均密度(×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(°)。

2) 查閱并選用2種裝甲材料抗破甲彈的防護系數，填入表5中，在計算中間層結構時，注意玻璃纖維復合裝甲傾角的問題。

3) 依次計算每一層材料的抗彈能力Rt，填入表5中。

4) 將各層抗彈能力進行累加，得出多層纖維復合靶板的水平等效均質裝甲鋼厚度，結果如表5所示。

表5 多層纖維復合靶板抗彈能力計算

由表5可知，通過多組分混合律公式求得夾層厚度為 15 mm的纖維復合裝甲在68°傾角時可以等效為134.45 mm厚的均質裝甲鋼，而通過仿真結果得到裝甲結構等效為137.4 mm的均質裝甲鋼。結果略低于仿真得到的原因，主要是因為在工程算法中只是把密度在水平方向進行了等效，并未考慮邊界效應的影響。

6 結論

1) 玻璃纖維作為夾層材料可以起到有效防護作用，令射流的產生偏轉。在夾層厚度9～15 mm，當玻璃纖維復合裝甲的角度不變時，復合裝甲的抗侵徹性能隨玻璃纖維夾層厚度的增大而緩慢增加。

2) 玻璃纖維復合裝甲的傾角對其抗侵徹性能有比較明顯的影響。當玻璃纖維夾層厚度不變時，復合裝甲的抗侵徹性能隨復合裝甲傾角的增加呈增長的趨勢。質量防護系數在68°最大，說明68°為最佳傾角，對于各層厚度的配比需進一步研究完善。

3) 通過工程算法的計算得到了夾層厚度為15 mm的纖維復合裝甲在68°傾角時等效均質裝甲鋼厚度，并與仿真進行對比，結果吻合較好。