高速3D-DIC 測(cè)試技術(shù)在裝甲鋼貫穿試驗(yàn)中的應(yīng)用*

程月華，吳 昊，薛一江，趙榮貴，楊 黎

（1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；2. 北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3. 南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035；4. 研索儀器科技（上海）有限公司，上海 201107）

20 世紀(jì)以來(lái)，金屬材料由于其較好的延性和強(qiáng)度被廣泛應(yīng)用于軍事和民用裝備，如坦克、艦船等，以抵抗彈體的高速?zèng)_擊。隨著武器系統(tǒng)的快速更新，研發(fā)高強(qiáng)高硬裝甲鋼以減小質(zhì)量、提高機(jī)動(dòng)性能和生存能力逐漸成為裝備防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要趨勢(shì)。此外，裝甲鋼也逐漸應(yīng)用于具有輕質(zhì)高抗力需求的重點(diǎn)軍事防護(hù)設(shè)備設(shè)計(jì)。因此，開展裝甲鋼在動(dòng)能武器威脅下的損傷破壞實(shí)驗(yàn)研究，尤其是高速?gòu)楏w或破片沖擊下的貫穿響應(yīng)尤為必要。

目前裝甲鋼貫穿試驗(yàn)系統(tǒng)主要由發(fā)射裝置、測(cè)速裝置、高速相機(jī)和回收裝置等組成[1-3]。其中，發(fā)射裝置主要為彈道槍或滑膛炮，試驗(yàn)中通過(guò)高壓氣體或火藥驅(qū)動(dòng)彈體達(dá)到設(shè)計(jì)速度。測(cè)速裝置一般選用通斷測(cè)速靶紙或高速相機(jī)等記錄彈體的打擊和殘余速度。此外，高速相機(jī)還可用于觀測(cè)彈體的飛行姿態(tài)。回收裝置主要用于彈體穿透靶板后的軟回收。通過(guò)對(duì)比分析彈體的殘余速度以及彈靶的最終破壞形態(tài)評(píng)估裝甲鋼的抗沖擊性能。然而，在貫穿試驗(yàn)研究中，除記錄彈靶的最終破壞形態(tài)之外，觀測(cè)靶板在彈體貫穿過(guò)程中的變形和破壞時(shí)程同樣具有重要參考價(jià)值。由于彈體貫穿時(shí)間僅為毫秒級(jí)，傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備較難對(duì)其破壞過(guò)程進(jìn)行全場(chǎng)實(shí)時(shí)定量觀測(cè)。數(shù)字圖像相關(guān)（digital image correlation, DIC）技術(shù)作為一種全場(chǎng)無(wú)損光學(xué)量測(cè)技術(shù)，可通過(guò)追蹤拍攝目標(biāo)表面散斑的變化獲取材料表面的變形信息并觀測(cè)材料的變形破壞。該方法不但具有非接觸和全場(chǎng)測(cè)量等光測(cè)方法普遍具有的特點(diǎn)，而且具有對(duì)測(cè)試環(huán)境要求低、實(shí)施簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍和分辨率易調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。

DIC 技術(shù)發(fā)展至今，已在材料變形測(cè)試中廣泛應(yīng)用,根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)維度，主要分為以下2 種。

(1) 二維數(shù)字圖像相關(guān)（2D-DIC）測(cè)試技術(shù)。如Chevalier 等[4]基于DIC 技術(shù)開展了橡膠材料的單、雙軸力學(xué)試驗(yàn)并研究了其變形過(guò)程；Meng 等[5]將三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)與DIC 技術(shù)結(jié)合研究了分層纖維增強(qiáng)水泥砂漿的抗彎性能和裂縫擴(kuò)展過(guò)程；楊洋等[6]通過(guò)搭建基于DIC 方法的高溫拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)，開展了TC4 鈦合金高溫拉伸試驗(yàn)，并得到了不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線等數(shù)據(jù)；陳學(xué)文等[7]借助DIC 技術(shù)捕捉X12 合金鋼試樣的動(dòng)態(tài)裂紋萌生和擴(kuò)展過(guò)程，進(jìn)一步驗(yàn)證了所提出的連續(xù)高溫?fù)p傷模型。上述試驗(yàn)中均采用普通相機(jī)進(jìn)行觀測(cè)，其拍攝幀率范圍為1～50 s-1。針對(duì)試驗(yàn)中捕捉材料的高速變形與破壞的需求，徐紀(jì)鵬等[8]將高速相機(jī)與DIC 技術(shù)相結(jié)合，觀測(cè)了混凝土劈裂試驗(yàn)中試件的起裂過(guò)程和應(yīng)變場(chǎng)變化；楊國(guó)梁等[9]得到了不同加載角度下頁(yè)巖的動(dòng)態(tài)起裂韌度、裂紋擴(kuò)展速度、斷裂過(guò)程中應(yīng)變場(chǎng)和水平位移場(chǎng)的變化規(guī)律。上述試驗(yàn)中高速相機(jī)的拍攝幀率分別為8×103、2×105s-1。

(2) 考慮到試驗(yàn)中離面位移觀測(cè)的需求，逐漸發(fā)展出三維數(shù)字圖像相關(guān)（3D-DIC）測(cè)試技術(shù)。如宋海鵬等[10]通過(guò)設(shè)置兩臺(tái)幀率為4 s-1的普通相機(jī)，基于3D-DIC 方法研究了預(yù)腐蝕2024-T4 鋁合金的疲勞開裂行為。近年來(lái)，通過(guò)將兩臺(tái)高速相機(jī)與DIC 技術(shù)相結(jié)合的方法，進(jìn)一步發(fā)展出了高速3D-DIC 測(cè)試技術(shù)。在侵徹貫穿試驗(yàn)方面，Pan 等[11]通過(guò)高速3D-DIC 技術(shù)確定了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板在剛性球沖擊下的全場(chǎng)面內(nèi)和面外變形；徐振洋等[12]開展了線性聚能射流侵徹圓柱混凝土試件的試驗(yàn)研究，并分析了試件劈裂發(fā)展過(guò)程的全場(chǎng)三維變形特征；Rolfe 等[13]觀測(cè)了鋁彈低速?zèng)_擊下碳纖維和玻璃纖維復(fù)合夾層板的變形過(guò)程，并對(duì)撞擊后的損傷進(jìn)行了評(píng)估；Xing 等[14]開展了剛性彈中等速度沖擊巖石薄靶試驗(yàn)研究，結(jié)合高速3D-DIC 技術(shù)獲取了靶體背部飛射碎片的速度和體積。上述試驗(yàn)中高速相機(jī)的拍攝幀率范圍約為2.1×104～2×105s-1。此外，高速3D-DIC 測(cè)試技術(shù)還應(yīng)用于爆炸沖擊波作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[15-16]和材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性[17-18]研究。

可以看出，高速3D-DIC 技術(shù)在彈體貫穿試驗(yàn)中的應(yīng)用仍十分有限。為了評(píng)估裝甲鋼的抗彈性能并探索高速3D-DIC 技術(shù)的應(yīng)用，本文中針對(duì)南京鋼鐵股份有限公司研發(fā)的新型高強(qiáng)高硬裝甲鋼開展可變形彈體的貫穿試驗(yàn)，對(duì)比研究不同彈體速度和靶板厚度下彈靶的損傷破壞。通過(guò)高速3D-DIC 技術(shù)，獲取靶板在彈體貫穿過(guò)程中的離面位移和應(yīng)變時(shí)程。隨后對(duì)上述試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過(guò)對(duì)比彈體殘余速度和長(zhǎng)度驗(yàn)證有限元分析方法的可靠性。進(jìn)一步將高速3D-DIC 測(cè)試提取的3 個(gè)特征位置點(diǎn)處靶板的離面位移時(shí)程和靶背水平方向應(yīng)變?cè)茍D與經(jīng)驗(yàn)證的有限元模型數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明該測(cè)試技術(shù)在彈體高速貫穿裝甲鋼試驗(yàn)中的有效應(yīng)用。最后對(duì)比分析靶板最大離面位移與彈體沖擊速度和靶板厚度的關(guān)系。

1 試 驗(yàn)

1.1 彈靶參數(shù)與設(shè)計(jì)

考慮到已有裝甲鋼貫穿試驗(yàn)研究中彈體直徑大多較小（小于8 mm）[1-3,19-20]，基于某型裝備防護(hù)需求，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了直徑15 mm、長(zhǎng)94 mm、質(zhì)量114 g 的尖卵頭型彈體，其頭部曲率半徑比值為3，幾何尺寸如圖1（a）所示。試驗(yàn)選用自行研制的20 mm 口徑彈道槍進(jìn)行彈體發(fā)射，并分別設(shè)計(jì)了由聚碳酸脂和7075-T6 鋁合金組成的底推以及由聚碳酸脂加工的彈托，以保證發(fā)射時(shí)的氣密性和內(nèi)彈道穩(wěn)定性。為節(jié)約試驗(yàn)成本并忽略邊界效應(yīng)的影響，裝甲鋼鋼板的平面尺寸選定為200 mm×200 mm，其邊長(zhǎng)與彈徑的比值約為13，如圖1（b）所示。靶板的厚度分別為5、8 和10 mm。試驗(yàn)中彈體和靶體均采用南京鋼鐵股份有限公司新研發(fā)的NP450 高強(qiáng)高硬裝甲鋼，文獻(xiàn)[21]中給出了該材料的化學(xué)組分和基本力學(xué)性能參數(shù)，其屈服強(qiáng)度為1 136 MPa，極限抗拉強(qiáng)度為1 480 MPa，布氏硬度為451。

1.2 試驗(yàn)布置及設(shè)備參數(shù)

圖2 中給出了裝甲鋼貫穿試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置，由發(fā)射裝置、測(cè)速裝置、回收裝置和高速3D-DIC 測(cè)試系統(tǒng)組成。試驗(yàn)發(fā)射裝置為口徑20 mm 的彈道槍，彈體由氫氧爆轟驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)射，即通過(guò)在氣室內(nèi)依次注入一定氣壓的氮?dú)狻錃夂脱鯕猓脧?qiáng)點(diǎn)火方式引爆混合氣體。爆轟波在氣室內(nèi)產(chǎn)生、傳播，隨后爆轟產(chǎn)物推動(dòng)彈丸發(fā)射出膛。該技術(shù)既可避免火藥使用受限的問(wèn)題，又兼具能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，可推動(dòng)大質(zhì)量彈體至較高的速度，如本試驗(yàn)設(shè)備可將質(zhì)量約120 g 彈體推動(dòng)至600 m/s。

試驗(yàn)中靶體垂直布置于彈道槍正前方，距槍口2 m。彈體打擊速度和殘余速度由垂直布置于靶道的PHOTRON SA-X 型號(hào)高速相機(jī)測(cè)量，像素設(shè)置為1 024×512，采樣幀率為20 000 s-1。此外該相機(jī)還用于觀測(cè)彈體的飛行姿態(tài)和彈托分離情況。圖3 中給出了典型的高速攝影圖片，可以看出，彈體入射姿態(tài)良好，彈托有效分離。需要指出的是，雖然試驗(yàn)中彈托部分也撞擊到靶板，但與彈體質(zhì)量相比，可忽略輕質(zhì)彈托對(duì)靶板響應(yīng)的影響。最后，穿過(guò)靶板的彈體由布置在靶道上的沙箱進(jìn)行軟回收。

為獲得靶板在彈體貫穿過(guò)程中的離面位移和應(yīng)變時(shí)程，試驗(yàn)中布置了高速3D-DIC 非接觸式全場(chǎng)形變量測(cè)系統(tǒng)。如圖2 所示，該系統(tǒng)由兩臺(tái)型號(hào)相同的高速相機(jī)、兩個(gè)光源、同步觸發(fā)裝置和軟件系統(tǒng)組成。試驗(yàn)布置及設(shè)備參數(shù)如下。

（1）為精確和完整捕捉彈體貫穿的整個(gè)過(guò)程，兩臺(tái)高速相機(jī)的型號(hào)為PHOTRON S16，像素設(shè)置為256×256，采樣幀率為1.44×105s-1，曝光時(shí)間2 μs。根據(jù)圖像像素（256×256）與其所對(duì)應(yīng)實(shí)際空間大小（120 mm×120 mm）的比值，可確定一個(gè)像素點(diǎn)實(shí)際代表0.46 mm。因此，根據(jù)設(shè)置的DIC 算法精度閾值（5%個(gè)像素），可保證測(cè)得靶板變形的量測(cè)精度為0.023 mm。對(duì)應(yīng)于相機(jī)的拍攝區(qū)域，可得到工程應(yīng)變的精度為192×10-6。此外，試驗(yàn)中靶板離面位移的量測(cè)精度為0.046 mm，可認(rèn)為滿足試驗(yàn)測(cè)試需求。

（2）試驗(yàn)中兩臺(tái)高速相機(jī)的鏡頭夾角為30°，并與拍攝面保持水平，確保高速3D-DIC 計(jì)算面內(nèi)和面外變形的可靠度。靶板背面距相機(jī)鏡頭1.3 m，景深為150 mm，確保靶板發(fā)生面外變形時(shí)依然對(duì)焦。

（3）試驗(yàn)中使用兩臺(tái)200 W LED 照明燈由靶板后方照射拍攝表面，且調(diào)整燈光角度避免陰影影響拍攝質(zhì)量。

（4）如圖4（a）所示，使用240 mm×180 mm的校正板，板上均勻排列12×9 的點(diǎn)陣，點(diǎn)與點(diǎn)之間間隔20 mm。校正時(shí)使用相機(jī)的1 024×1 024像素進(jìn)行校正板圖像采集，校正的殘差標(biāo)準(zhǔn)誤差約為0.03 個(gè)像素。

（5）試驗(yàn)中利用白色亞光噴漆作為底色，人工使用同一型號(hào)黑色馬克筆制作散斑使其滿足非重復(fù)性和各向同性要求，如圖4（b）所示。單個(gè)散斑大小大于3～5 個(gè)像素，整體散斑面積與底色面積接近1∶1，滿足散斑的高對(duì)比度要求。需要補(bǔ)充說(shuō)明的是試驗(yàn)中經(jīng)過(guò)多次嘗試，最終確定當(dāng)鋼板背部無(wú)氧化層且表面粗糙時(shí)，可保證彈體沖擊下背部散斑不發(fā)生大面積脫落。

（6）觸發(fā)采集方面，通過(guò)使用Bayonet Nut Connector（BNC）三通連接器和同步線纜，將點(diǎn)火器和三臺(tái)高速相機(jī)同步連接，確保同時(shí)收到點(diǎn)火信號(hào)并進(jìn)行圖像采集。此外，兩臺(tái)3D-DIC 高速相機(jī)之間通過(guò)sync 同步線進(jìn)行連接，確保相機(jī)內(nèi)部圖像幀完全同步。

（7）試驗(yàn)結(jié)束后，使用Correlated Solutions 公司Vic-3D 軟件對(duì)同一時(shí)刻左右兩個(gè)相機(jī)拍攝的圖片進(jìn)行計(jì)算處理，得到靶板在該時(shí)刻的三維位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)信息。

2 試驗(yàn)結(jié)果

共開展了7 發(fā)彈體沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)工況和結(jié)果見表1。其中v0、vr、Mr和Lr分別為彈體的初始沖擊速度、殘余速度、殘余質(zhì)量和殘余長(zhǎng)度。試驗(yàn)1～5 的目的是研究不同彈體打擊速度下，相同厚度鋼板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及彈靶的損傷破壞。試驗(yàn)4、6～7 的目的是研究相同彈體打擊速度下，不同厚度鋼板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及彈靶的損傷破壞。需要說(shuō)明的是，試驗(yàn)1 中靶板被臨界貫穿，彈體殘余速度為0。試驗(yàn)7 中由于彈體未貫穿10 mm 厚鋼板，未得到彈體的殘余速度。此外，彈體5 丟失，未得到殘余質(zhì)量和長(zhǎng)度。圖5～6進(jìn)一步給出了試驗(yàn)后回收的彈體和靶體。其中，圖6（c）中給出的試驗(yàn)3 回收沖塞塊形狀不規(guī)則，其原因可能是彈體入射存在較小的傾攻角和材料的非均勻性引起的，并導(dǎo)致殘余速度產(chǎn)生較大偏差。鑒于此，后續(xù)的三維應(yīng)變位移場(chǎng)和數(shù)值模擬分析中將舍掉該發(fā)試驗(yàn)。需要說(shuō)明的是：圖6（d）中顯示的邊緣孔為試驗(yàn)前鋼板上存在的預(yù)制孔，圖6（h）所示鋼板存在兩次撞擊，其原因?yàn)樵囼?yàn)中由于氫氧爆轟氣體配比問(wèn)題導(dǎo)致彈體速度僅為200 m/s，未達(dá)到期望的480 m/s，造成了左側(cè)的撞擊點(diǎn)。進(jìn)一步基于高速3D-DIC 技術(shù)分析得到的離面位移可認(rèn)為對(duì)試驗(yàn)結(jié)果無(wú)影響。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Test data

采用VIC-3D 軟件對(duì)拍攝的彈體貫穿裝甲鋼板圖像進(jìn)行處理，可得到靶背的應(yīng)變場(chǎng)和離面位移等信息。以實(shí)驗(yàn)1 和實(shí)驗(yàn)7 為例，即彈體貫穿和未貫穿工況，圖7 和圖8 中分別給出了不同時(shí)刻的靶板背面圖像、離面位移、水平方向（x）應(yīng)變場(chǎng)和垂直方向（y）應(yīng)變場(chǎng)。可以看出，高速3D-DIC 技術(shù)對(duì)彈體貫穿和未貫穿工況均適用，且所采用的高速相機(jī)滿足試驗(yàn)需求，可完整捕捉靶板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。進(jìn)一步，由處理得到的離面位移和應(yīng)變場(chǎng)可以看出試驗(yàn)中靶板響應(yīng)的對(duì)稱性。需要指出的是：對(duì)于試驗(yàn)中靶板出現(xiàn)貫穿孔的位置和散斑隨機(jī)脫落的位置，由于缺少散斑信息的對(duì)比，無(wú)法得到相應(yīng)位置處的位移和應(yīng)變場(chǎng)。如何有效解決鋼板散斑脫落是后續(xù)工作需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。

綜合考慮彈體沖擊下靶板被貫穿、靶背散斑小面積隨機(jī)脫落以及沖擊火光和碎片等對(duì)相機(jī)拍攝視野的遮擋，選取如圖7（a）所示的3 個(gè)特征位置點(diǎn)，即距離彈體沖擊點(diǎn)15 mm（點(diǎn)A）、25 mm（點(diǎn)B）和35 mm（點(diǎn)C）。表2 中進(jìn)一步給出了彈體貫穿裝甲鋼板過(guò)程中3 個(gè)時(shí)刻由高速3D-DIC 技術(shù)分析得到的離面位移。

表2 三個(gè)位置點(diǎn)處不同時(shí)刻的離面位移Table 2 The out-of-plane displacement of three points at various times

3 數(shù)值模擬

首先采用LS-DYNA 有限元軟件[22]對(duì)表1 中除試驗(yàn)3 外的6 發(fā)試驗(yàn)工況開展數(shù)值模擬，并通過(guò)與典型位置處試驗(yàn)得到的離面位移時(shí)程曲線和不同時(shí)刻應(yīng)變?cè)茍D對(duì)比，從而驗(yàn)證上述高速3D-DIC 技術(shù)在彈體貫穿裝甲鋼試驗(yàn)中應(yīng)用的有效性。

考慮到試驗(yàn)中彈靶的對(duì)稱性，建立如圖9 所示的1/4 有限元模型。數(shù)值模擬中選用較為常用的Lagrange 算法，即彈靶單元類型被定義為3D164，并選用Flanagan-Belytschko 剛度沙漏控制避免出現(xiàn)零能變形模式。為提高計(jì)算效率，并結(jié)合前期開展的網(wǎng)格敏感性分析[21]，靶體采用局部加密網(wǎng)格劃分，單元最小尺寸為0.5 mm，遠(yuǎn)離對(duì)稱軸區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.5～2 mm。彈體網(wǎng)格尺寸均為0.5 mm。此外，彈體與靶體之間的接觸為*ERODING_SURFACE_TO_SURFACE。

鑒于試驗(yàn)中彈體被侵蝕且靶板被侵徹或貫穿，數(shù)值模擬中彈體和靶體均選用Johnson-Cook （J-C）本構(gòu)模型，即*MAT_JOHNSON_COOK[23-24]。表3 中給出了程月華等[21]基于準(zhǔn)靜態(tài)拉伸、SHPB 壓縮、高溫拉伸和缺口試件拉伸等試驗(yàn)標(biāo)定并驗(yàn)證的NP450 裝甲鋼-J-C 本構(gòu)模型和相應(yīng)的Grüneisen 狀態(tài)方程參數(shù)取值。表中A為屈服強(qiáng)度，B為應(yīng)變硬化效應(yīng)系數(shù)，n為應(yīng)變硬化效應(yīng)指數(shù)，C為應(yīng)變率硬化系數(shù)，m為溫度軟化指數(shù)。具體參數(shù)定義和標(biāo)定細(xì)節(jié)見文獻(xiàn)[21, 23-25]。

表3 彈靶J-C 本構(gòu)模型參數(shù)Table 3 J-C constitutive model parameters of projectile and target

以試驗(yàn)2 為例，圖10 中給出了彈體侵徹過(guò)程中各項(xiàng)能量變化的時(shí)程曲線。從圖中可以看出，由于網(wǎng)格形狀規(guī)則且采用了沙漏控制，計(jì)算結(jié)果中產(chǎn)生了合理的沙漏能（小于總能量的0.5%），表明所建立的有限元模型中網(wǎng)格類型與尺寸以及模型和算法參數(shù)設(shè)置合理。

圖11 中分別對(duì)比了數(shù)值模擬與試驗(yàn)得到的彈體殘余速度和長(zhǎng)度。可以看出：采用表2 的本構(gòu)模型參數(shù)，數(shù)值模擬預(yù)測(cè)得到的彈體殘余速度與試驗(yàn)結(jié)果的最大相對(duì)誤差僅為-6.0%；彈體殘余長(zhǎng)度方面，除試驗(yàn)7 相對(duì)誤差為20.8%外，其余幾發(fā)試驗(yàn)的相對(duì)誤差均小于10%。因此，可以認(rèn)為上述數(shù)值模擬分析中所采用的數(shù)值和接觸等算法，以及裝甲鋼本構(gòu)模型參數(shù)是合理可靠的。

圖12 中進(jìn)一步對(duì)比了圖7（a）所示3 個(gè)位置處、由高速3D-DIC 技術(shù)得到的靶背離面位移時(shí)程曲線與模擬結(jié)果，可以看出，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了高速3D-DIC 測(cè)試技術(shù)在彈體高速貫穿裝甲鋼板試驗(yàn)中的有效性。需要說(shuō)明的是，圖12（d）～（e）中測(cè)試的點(diǎn)A處的離面位移不連續(xù)，是由于在彈體沖擊下，火光和碎片飛濺影響圖片拍攝質(zhì)量造成的。此外，由于裝甲鋼較高的強(qiáng)度和硬度導(dǎo)致打孔困難，即試驗(yàn)中并未采用將螺母貫穿鋼板與靶架固定的傳統(tǒng)方式，而是通過(guò)六角螺母擠壓靶板表面將其與靶架進(jìn)行固定。上述固定方式與數(shù)值模擬分析中設(shè)定的邊界固定約束存在一定差異，會(huì)導(dǎo)致彈體沖擊下靶板的輕微移動(dòng)，最終引起彈體穿過(guò)靶板后試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬中靶板離面位移的偏差。基于上述原因，圖12 中僅對(duì)比了試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的彈體貫穿靶板過(guò)程中的離面位移時(shí)程曲線。圖13～14中進(jìn)一步對(duì)比了彈體貫穿過(guò)程中2 個(gè)時(shí)刻靶背水平方向和垂直方向的應(yīng)變?cè)茍D的測(cè)試和模擬結(jié)果。需要指出的是，受限于后處理軟件LS-PrePost，數(shù)值模擬的應(yīng)變?cè)茍D顯示僅能設(shè)置為由藍(lán)色到紅色過(guò)渡，因此，將模擬云圖的紅色和藍(lán)色對(duì)應(yīng)的上下限數(shù)值分別設(shè)置為與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果一致。此外，圖13～14 模擬云圖中標(biāo)注了與Vic-3D 軟件處理結(jié)果相同的區(qū)域。可以看出，兩者的應(yīng)變值和云圖分布區(qū)域較為接近，再次驗(yàn)證了高速3D-DIC 測(cè)試技術(shù)在裝甲鋼貫穿試驗(yàn)中的有效應(yīng)用。圖13～14 給出的試驗(yàn)7 中高速3D-DIC 觀測(cè)結(jié)果存在暗影，這是固定鋼板的夾具投射的陰影，對(duì)所分析區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變場(chǎng)無(wú)影響。

此外，對(duì)比分析不同的彈體沖擊速度以及靶板厚度下裝甲鋼板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可為如屏障類防護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要參考。圖15（a）給出了彈體沖擊速度為255～568 m/s 時(shí)8 mm 厚裝甲鋼板三個(gè)特征位置點(diǎn)的最大離面位移，可以看出彈體沖擊速度約為350 m/s 時(shí)可得到最小的離面位移。其原因是，隨著彈體沖擊速度的提高，靶板中在彈體沖擊邊緣形成的絕熱剪切帶導(dǎo)致靶體發(fā)生沖塞破壞，最終引起較小的離面位移。但隨著沖擊速度的繼續(xù)提高，彈靶之間的界面壓力也逐漸增大導(dǎo)致彈體被嚴(yán)重侵蝕，鋼板中絕熱剪切帶不易形成而導(dǎo)致了較大的離面位移。圖15（b）進(jìn)一步給出了彈體沖擊速度約為485 m/s時(shí)不同厚度靶板的最大離面位移，可以看出較厚的鋼板呈現(xiàn)出更大的離面位移，這與文獻(xiàn)[26]得出了相同的結(jié)論。其原因是，隨著鋼板厚度的增加，彈體貫穿靶板時(shí)間增大，更多的彈體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靶板的內(nèi)能，并最終導(dǎo)致靶板最大離面位移的增大。此外，通過(guò)讀取仿真分析得到的靶板內(nèi)能與總能量的比值，得出5、8 和10 mm 厚靶板對(duì)應(yīng)的上述比值分別為6.4%、11.8%和34.6%，再次驗(yàn)證了靶板最大離面位移隨鋼板厚度的變化規(guī)律。

4 結(jié) 論

為了評(píng)估裝甲鋼的抗彈性能并探索高速3D-DIC 測(cè)試技術(shù)在裝甲鋼貫穿試驗(yàn)中的應(yīng)用，采用高速3D-DIC 測(cè)試技術(shù)對(duì)15 mm 口徑可變形彈體以不同速度（255～568 m/s）沖擊不同厚度（5、8 和10 mm）裝甲鋼板試驗(yàn)進(jìn)行觀測(cè)，得到主要結(jié)論如下。

(1) 基于前期標(biāo)定并驗(yàn)證的高強(qiáng)高硬裝甲鋼本構(gòu)模型參數(shù)，對(duì)本文開展的8 發(fā)試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值仿真分析。通過(guò)對(duì)比彈體的殘余速度和長(zhǎng)度，進(jìn)一步驗(yàn)證了所建立的有限元模型中仿真算法、本構(gòu)模型及其參數(shù)的可靠性。

(2) 給出的高速3D-DIC 測(cè)試技術(shù)成功獲取了彈體貫穿裝甲鋼板全過(guò)程的靶板離面位移和應(yīng)變時(shí)程。進(jìn)一步通過(guò)對(duì)比高速3D-DIC 技術(shù)和數(shù)值仿真分析得到的三個(gè)特征位置點(diǎn)靶板的離面位移時(shí)程曲線和不同時(shí)刻靶背水平方向應(yīng)變?cè)茍D，驗(yàn)證了高速3D-DIC 技術(shù)在彈體高速貫穿裝甲鋼試驗(yàn)中的有效應(yīng)用并為相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試提供了有利參考。

(3) 對(duì)于所研究的8 mm 厚靶體，隨著沖擊速度的增大，靶板中絕熱剪切帶的形成會(huì)導(dǎo)致較小的靶板離面位移，且當(dāng)彈體沖擊速度約為350 m/s 時(shí)靶板離面位移最小。隨著沖擊速度的繼續(xù)增大，較大的彈靶界面壓力使彈體發(fā)生嚴(yán)重侵蝕，并導(dǎo)致了較大的靶板離面位移。

(4) 在相同彈體沖擊速度下，靶板最大離面位移與靶板厚度相關(guān)，且較厚的鋼板會(huì)產(chǎn)生更大的離面位移。