裝甲車用鋼/纖維復合裝甲防彈性能及影響因素研究

陳 成，周云波，張 明

(南京理工大學 機械工程學院,南京 210094)

1 引言

隨著社會的現代化進程不斷加快，軍隊對戰術裝甲車輛的要求也不斷地提高。近年來，我國面臨的邊境沖突越來越頻繁，車輛的威脅仍是制式武器的確定性打擊，并且面對威脅時的車身防護輕量化和乘員保護是技術難點。針對防護要求，外掛和內襯裝甲是主要防護提升方式。內襯裝甲使用的材料要保證輕量化、高防護性能等條件，多用纖維材料聚合而成。纖維材料具有良好的防彈性能，并且密度遠低于其他材料，是實現車身輕量化和提升車身防彈性能的重要選擇，但是缺點是價格昂貴。纖維材料的市場現狀也是如何選擇它們的因素之一。我國的芳綸生產裝置技術不成熟，芳綸的供應依靠大量的進口，被國外各國把控，價格昂貴。而對于超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，我國是世界上4個生產國之一，產量大，擁有核心技術，所以價格相較便宜。

不同纖維材料在防彈裝甲上的優劣不同，UHMWPE的綜合性能是最好的，但是它耐高溫特性不足；芳綸纖維目前在防彈衣領域中應用廣泛，但是抗剪切和壓縮性能不如UHMWPE纖維；而玻纖性脆，模量硬度高，作為防彈材料時會造成大量的斷裂，因此它是不適合用于防彈材料的，但是它耐高溫。在近年國內外對纖維復合裝甲板的研究中，大多研究人員得出結論：層間混雜復合材料裝甲板的防彈性能要優于單一纖維復合材料裝甲板。但實際上由于纖維材料復合的形式不同，形成的復合材料的性能也有好有壞，可能優于單一材料，也可能比它差。并且防彈鋼目前仍然是防彈裝甲的主流材料，因此纖維材料與防彈鋼復合而成的裝甲也是目前研究的主流方向。

本研究使用Hyper mesh和LS-DYNA對M80子彈對鋼基復合材料裝甲板的侵徹行為進行仿真，并結合對東風某車型車身材料進行靶板試驗驗證，分析復合材料裝甲板的種類，混合形式和防彈鋼與復合材料復合形式對車身裝甲防彈性能的影響，以及內襯材料的厚度對裝甲系統子系統(防彈鋼)性能的影響。

2 有限元模型的建立及模型驗證

2.1 幾何模型建立

首先使用Hyper mesh軟件建立了子彈和目標靶板的有限元模型。其中裝甲鋼采用東風某車型的車身材料6252號鋼，車身厚度為5 mm，其防護能力為100 m處的7.62普通彈。而本文為研究車身輕量化，將裝甲鋼的厚度減小為3 mm，使用復合材料內襯，目標防護能力為30 m處的7.62普通彈。所以裝甲鋼的尺寸為100 mm×100 mm×3 mm；復合材料是正交各項異性材料，它的尺寸為100 mm×100 mm，厚度分別選取6 mm、8 mm、10 mm、12mm。靶板和子彈均使用實體單元建模。

子彈和靶板的有限元模型如圖1所示，網格的劃分與該區域的功能相關，在子彈侵徹的部分，為了保證計算的準確性，網格應該選擇較小的尺寸，而其他部分由于相關性較小，所以網格可以選擇較大的尺寸。由于模型的網格單元數較多，最小網格尺寸較小，計算時間步長很長，需要花費大量時間，為了減小計算量，所以采用二分之一的對稱模型。子彈與靶板間的接觸采用侵蝕面面接觸形式(*Eroding Surface-to-surface contact)，通過設置其中的失效參數來刪除失效網格。為了保證單元不會出現零能量變形模式使變形變大并破壞結果，采用沙漏控制(*Control Hourglass)實體單元的粘度或剛度。

圖1 子彈侵徹靶板的有限元模型示意圖

2.2 材料模型及參數

本文采用JOHNSON_COOK(*MAT_107)模型的修改版本來模擬子彈和6252防彈鋼，考慮了溫度、應變、應變率等因素，該模型表達式為：

強度模型：

(1)

式中：、、、、為材料強化參數，是由實驗定的；

失效模型：

=(+exp)(1+ln)(1+)

(2)

纖維復合靶板使用*MAT_54號本構模型(*MAT_ENHANCED_COMPOSITE_DAMAGE)，該材料適用于各項異性的增強纖維復合材料，可以通過橫向剪切應變的模型來模擬剪切破壞。它的失效準則使用的是Chang/Chang準則，與方向采用相同的失效標準，表達式為:

(3)

(4)

矩陣失效準則：

(5)

由材料試驗得到子彈和6252防彈鋼主要參數如表1、表2所示。UHMWPE、芳綸、玻纖的力學參數如表3所示。

表1 子彈的材料參數

表2 6252防彈鋼的材料參數

表3 纖維復合靶板的力學參數

除此之外，纖維復合材料間通過粘結連接接觸分離，以捕獲層間基質行為(見圖2)。這種連接方法使用0厚度的內聚力單元來表示。在層合板中的每個分層之間插入內聚力單元，模擬分層之間的粘結力。內聚力單元的材料模型為*MAT_138號(*MAT_COHESIVE_MIXED_MODE)，需要共節點。

圖2 內聚力粘結連接原理示意圖

對靶板的邊緣進行全自由度的約束，對稱面約束它的向運動，和向的轉動。子彈賦予向833 m/s的速度。各層靶板之間的接觸設置為自接觸(*Automatic Surface-to-surface contact)。

2.3 模型驗證

為驗證仿真分析的準確性，對東風某車型的車身裝甲材料進行了實彈試驗。試驗用彈為7.62 mm×51 M80，彈頭實際質量為9.29 g，實測穩定速度為823～843 m/s，彈頭標準質量為9.5 g，子彈標準速度為(833±20) m/s。試驗及仿真結果如圖3所示。

根據仿真結果，M80子彈以855.5 m/s的速度侵徹靶板時，鋼板穿透，開孔直徑為8.1 mm，復合板開孔直徑為9.36 mm，侵蝕深度為9.54 mm。靶場試驗結果為鋼板開孔直徑8.93 mm，復合板的開孔直徑9.87 mm，侵蝕深度10.33 mm。仿真結果與試驗結果相接近，除此之外，仿真的彈坑形狀以及復合板的層間分裂情況與真實試驗結果相似，表明仿真所用的模型可以反映實際需要。

圖3 彈坑的試驗及仿真結果

3 侵徹靶板原理及仿真結果分析

3.1 侵徹靶板原理

純纖維材料的抗剪切性能不理想，而在面對尖頭彈的威脅時，它們受到的主要是剪切破壞，所以它們在該條件下的防彈性能較差，需要較厚的纖維靶板才能達到防護效果。子彈侵徹的原理由前期的剪切破壞，中期彈頭磨損后的拉伸與剪切混合破壞到最后子彈的動能被消耗殆盡3個步驟組成，如圖4所示。

圖4 子彈侵徹過程1示意圖

在子彈侵徹鋼基纖維復合靶板時，首先面對的是防彈鋼，子彈與防彈鋼面板已經發生接觸并產生瞬間沖擊壓應力，防彈鋼面板表面被擠壓，彈頭完成對面板的沖擊開坑過程，同時彈頭開始被鈍粗，覆銅開始破裂，露出鉛芯；之后鉛芯沖擊防彈鋼板，彈體侵徹方向中心部分鋼板開始碎裂，背板UHMWPE開始拉伸變形，并擠壓后層；鉛芯穿透鋼板后，鋼板的碎屑與子彈同時作用于UHMWPE板，導致UHMWPE板同時發生剪切破壞和拉伸破壞，UHMWPE板開始發生層間分裂破壞；最后子彈的動能被消耗殆盡，子彈已無侵徹力(見圖5)。

圖5 子彈侵徹過程2示意圖

3.2 纖維復合材料靶板的仿真結果分析

為研究復合材料種類和組合形式對防彈性能的影響，控制靶板厚度和子彈速度等條件不變，以靶板的損傷和系統吸收的內能為評價指標。

UHMWPE纖維、芳綸纖維和玻纖在100 m處被M80子彈侵徹的仿真結果如圖6所示。圖7是3種靶板系統吸收的內能。通過分析靶板損傷和能量吸收圖，UHMWPE纖維和芳綸的損傷形式相似，但前者的變形小于后者，防彈性能更好。玻纖的硬度較高，變形不大，但是性脆，斷裂破壞大，會被直接穿透，不適合直接用作防彈材料。

圖6 單一纖維復合材料仿真結果示意圖(P為UHMWPE，K為芳綸，G為玻纖)

圖7 系統吸收的內能直方圖

UHMWPE纖維、芳綸纖維和玻纖兩兩組合的6種的靶板在100 m處被M80子彈侵徹的仿真結果如圖8所示。圖9是6種靶板系統吸收的內能。

圖8 2種纖維復合材料仿真結果示意圖

圖9 系統吸收的內能直方圖

通過分析靶板損傷和能量吸收圖，UHMWPE纖維作為迎彈面時的防護性能要優于其他組合，并且與芳綸的組合性能最好。而當玻纖作為迎彈面時，混合纖維的防彈性能要比單一纖維的UHMWPE和芳綸更差，但是與玻纖復合可以減小背部的變形。

UHMWPE纖維、芳綸纖維和玻纖三者之間不同順序組合的6種的靶板在100 m處被M80子彈侵徹的仿真結果如圖10所示。圖11是6種靶板系統吸收的內能。通過分析靶板損傷和能量吸收圖，結果與2種材料復合時類似，UHMWPE纖維作為面板，芳綸作為中間層，玻纖作為背板的組合形式的防彈性能最好，但是3種纖維的任何組合的防彈性能都比UHMWPE與芳綸的組合差。

圖10 3種纖維復合材料仿真結果示意圖

圖11 系統吸收的內能直方圖

3.3 鋼基纖維復合靶板的仿真結果分析

纖維復合材料在正常情況下不能直接用于車身的防護裝甲，這是由于纖維復合材料無法對車身起到支撐作用，所以需要在外層是防彈鋼的基礎上將纖維復合材料作為防彈內襯。防彈鋼與不同纖維材料的復合靶板的仿真結果如圖12所示，圖13是靶板吸收的內能。

圖12 鋼基纖維復合靶板的仿真結果示意圖(W是防彈鋼)

圖13 系統吸收的內能直方圖

通過分析靶板損傷和能量吸收圖，當UHMWPE、芳綸和它們的復合材料作為內襯材料時，靶板防住了子彈。而同樣厚度的玻纖作為內襯時，靶板被子彈穿透。并且UHMWPE與芳綸的復合靶板的變形最小，吸能最多，防彈性能最好。但是這幾種方案的系統吸收的內能相差不大，這是由于此時大多內能都是防彈鋼吸收的。

3.4 UHMWPE的厚度對防彈鋼性能的影響

正常而言，對于裝甲的厚度的增加，整個裝甲系統的防彈性能是必然提升的。但是對于各個子系統而言，單個子系統厚度的增加，是否會影響到其他子系統，如何影響還有待研究。因此，為了研究內襯裝甲的厚度如何影響防彈鋼的性能，以提升整個裝甲系統防彈性能，控制防彈鋼的厚度與其他條件不變，使UHMWPE的厚度呈梯度變化，結果如下。

仿真結果和系統吸收的內能與厚度關系曲線如圖14、圖15所示。通過靶板損傷可知，當UHMWPE的厚度呈梯度增加時，靶板的變形量逐漸減小，鋼板的損傷也減小，子彈穿透鋼板時的剩余速度也減小。當UHMWPE厚度增加到一定值時，子彈已經無法穿透防彈鋼面板，而內襯裝甲只有背面發生部分層間分裂。由此可知，當UHMWPE的厚度增加時，不僅只有整個系統的防彈性能的提升，作為子系統的防彈鋼的防彈性能也得到了提升。

這是由于UHMWPE作為內襯裝甲不僅起到了防彈的作用，還對外層的防彈鋼起到了支撐作用。當子彈作用于防彈鋼時，所產生的應力波使防彈鋼的背部發生變形，變形部位擠壓UHMWPE，而UHMWPE越厚，UHMWPE的整體強度就越高，因此防彈鋼背部的變形對它的擠壓變形就越小，進而使得子彈壓入防彈鋼的過程更加艱難。所以內襯裝甲厚度的增加不僅可以提高整個系統的性能，也可以提高子系統防彈鋼的防彈性能。通過內能與厚度曲線可以看出，它們不是成線性關系，它存在一個臨界點，在此之前內能與厚度成凸函數曲線，之后成凹函數曲線。因此，UHMWPE厚度的選擇應在臨界之后較好。

圖14 不同厚度UHMWPE復合靶板的仿真結果示意圖(3W+6P表示3 mm防彈鋼+6 mm UHMWPE)

圖15 系統吸收的內能與厚度的關系曲線

3.5 防彈鋼與復合材料的連接方法對防彈性能的影響

根據防彈鋼與纖維復合材料的連接方法的不同，整個裝甲系統的防彈性能也存在著一定的差異。通過分析用螺栓連接和樹脂膠接的2種連接方法的仿真結果(見圖16)，發現通過樹脂膠接的連接方式的防彈性能要優于螺栓連接。但是膠接的方式的缺點在于對于某些形狀復雜的零部件難以制造，僅適用于車門等規則的部位；而螺栓連接的方式卻可以根據形狀的不同進行裁剪之后進行連接，適用于其他形狀復雜的部位。因此，在整個車輛裝甲系統中，這2種連接方法應該聯合使用。

圖16 不同連接方法的仿真結果示意圖

4 結論

本文建立了子彈侵徹靶板模型，基于鋼基纖維復合材料防彈性能，對內襯材料種類及厚度對裝甲系統防彈性能的影響進行了研究。主要結論如下：

1) UHMWPE、芳綸和玻纖的所有組合之中，防彈性能最好的是UHMWPE。此外，當玻纖作為迎彈面時，混合纖維的防彈性能要比單一纖維的UHMWPE和芳綸更差；

2) 作為內襯裝甲的UHMWPE對前面的防彈鋼起支撐作用。當UHMWPE的厚度增加時，整個防彈裝甲系統的防護能力提升，子系統的防彈鋼的防護能力也得到提升；

3) 根據吸收的內能與厚度曲線可知，防彈裝甲系統的防護能與內襯裝甲的厚度不成線性關系，相互之間存在一個臨界點，內襯裝甲的厚度選擇臨界點之后更好；

4) 鋼/UHMWPE復合裝甲的防彈性能，膠接比螺栓連接的防彈性能更好，對于形狀復雜的部件，螺栓連接更好。