李樹森 陳強 張巖

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

彈靶撞擊一直是軍事武器防護、裝備設(shè)計研究的熱點問題。彈道極限速度是反映靶體抗彈能力的主要指標，與靶板的失效形式密切相關(guān)；而靶板的失效形式與彈靶的形狀、幾何尺寸、材料性能、支撐條件、彈體頭部形狀、撞擊方式等因素有關(guān)[1]。傳統(tǒng)的穿甲防護材料中經(jīng)常使用鋼材[2-3]，而相對于鋼材而言，超硬鋁合金具有比強度高、密度低的特點，因此使用鋁合金作為防護材料將會降低防護結(jié)構(gòu)的負荷從而提高機動性。2A12鋁合金為可熱處理的強化鋁合金，具有良好的塑性成形能力和機械加工性能，是航空航天領(lǐng)域中使用最廣泛的鋁合金之一。

對單層金屬靶的研究表明，靶板的抗侵徹性能不總是隨著靶板的厚度增加而增加[4-5]。為得到更好的抗侵徹性能，工程應用中很早就開始嘗試使用多層金屬靶來代替單層靶[6-7]。B?RVIK T[8]、DEY[9]等人研究了雙層鋼靶和相同總厚度的單層鋼靶抵抗鈍頭和卵形頭桿彈侵徹的性能。張偉等[10]通過打靶試驗研究了7A04鋁合金對平頭和卵形頭桿彈的防護性能和斷裂行為。另外，在彈藥箱結(jié)構(gòu)中，輔助裝藥起爆時可能引爆主裝藥，即殉爆。解決殉爆問題，需要采用相應的隔爆措施。作為應用于防空導彈的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)，在保證作戰(zhàn)性能和防護隔爆的基礎(chǔ)上，還要求戰(zhàn)斗部材料具備較輕的質(zhì)量，滿足導彈對戰(zhàn)斗部提出的重量要求。因此，針對爆炸驅(qū)動結(jié)構(gòu)，隔爆防護金屬層材料的抗爆炸性能研究具有重要意義[11]。

綜合以上研究發(fā)現(xiàn)，目前的報道大多數(shù)集中在小間隙雙層靶或者對大間隙雙層金屬靶抗侵徹性能研究，針對接觸式雙層靶的認識還十分匱乏，尤其對雙硬度金屬靶，不同材料的接觸式雙層靶抗侵徹性能的試驗研究更少。鑒于此，筆者設(shè)計出一種木材金屬接觸式疊層靶板防護結(jié)構(gòu)，不僅可以充分利用2A12硬鋁合金和楊木膠合板的物理力學性能優(yōu)點，而且這種結(jié)構(gòu)又保持了較輕的質(zhì)量，并且可以滿足彈藥箱結(jié)構(gòu)的隔爆防護層材料要求；結(jié)合桿彈，系統(tǒng)地研究桿彈形狀、靶板厚度對此種結(jié)構(gòu)防護性能的影響，并分析靶體結(jié)構(gòu)對靶體失效形式的影響等，為新型防護靶板結(jié)構(gòu)的性能研究提供參考依據(jù)。

1 實驗系統(tǒng)與方法

1.1 靜態(tài)實驗

靜態(tài)實驗在東北林業(yè)大學機電工程學院實驗室的WDW-100微控電子萬能試驗機上進行。測試設(shè)備主要包括:雙空間門式結(jié)構(gòu)主機、電氣測控系統(tǒng)、軟件等。試驗裝置如圖1。

圖1 WDW-100微控電子萬能試驗機

試件尺寸根據(jù)GB4161—1984標準等比例縮放，具體尺寸見圖2。靜態(tài)實驗的試件中的楊木膠合板為秦皇島鑫秋木業(yè)有限責任公司生產(chǎn)，含水率7.8%，5 mm厚的密度0.514 g/cm3，15 mm厚的密度0.519 g/cm3。

圖2 試件簡易示意圖

1.2 動態(tài)實驗

動態(tài)實驗在哈爾濱工業(yè)大學高速撞擊研究中心的一級氣炮上進行。測試設(shè)備主要包括:氣室、發(fā)射管(口徑12.7 mm、長2 m)、靶艙、激光測速系統(tǒng)、高速攝像機系統(tǒng)等[12]。

金屬靶體材料為2A12硬鋁合金，東北輕合金有限公司生產(chǎn)，熱處理狀態(tài)為T4。木材靶體材料參數(shù)見1.1。所有的靶板尺寸均為200 mm×200 mm，靶板四周加工有螺栓孔，通過8個M8螺栓與靶架固定起來。平頭彈彈體由經(jīng)特殊熱處理的38CrSi合金鋼加工而成，熱處理硬度(HRC)約為53，直徑為12.7 mm，名義質(zhì)量為34.38 g。卵形彈彈身直徑也是12.7 mm，彈頭尺寸為CRH3(卵形頭半徑與彈身直徑之比為3)，總質(zhì)量和平頭彈相同。為了保證彈體可以正撞擊靶板，將彈體的后端挖去一個直徑為6.2 mm、長度為10 mm的孔，使彈體的質(zhì)心前移，兩種桿彈的示意圖如圖3所示。

a.平頭彈示意圖 b.卵形彈示意圖

圖3兩種桿彈的示意圖

靶板設(shè)計成兩種結(jié)構(gòu)形式，主要包括L1M5和L1M15。其中，L1M5表示厚度為1 mm的2A12鋁合金板與5 mm的楊木膠合板疊放在一起，L1M15表示厚度為1 mm的2A12鋁合金板與15 mm的楊木膠合板疊放在一起。

2 結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)實驗結(jié)果

在WDW-100微控電子萬能試驗機上分別對5、15 mm厚的楊木膠合板進行拉伸、壓縮、彎曲實驗，通過控制實驗機橫梁的位移速度得到不同的應變率，設(shè)定橫梁的位移為10 mm/min，相應的應變率為1.1×10-3s-1。由計算機繪出試驗力-位移曲線(見圖4a—圖4f)。實驗室溫度約為15 ℃，相對濕度為50%～55%。2A12鋁合金板的靜態(tài)試驗性能參見文獻[13]。

可以看出， 5 mm厚的楊木膠合板抗拉、抗壓、抗彎，以及力與位移的曲線大致呈線性相關(guān)。因為5 mm厚的楊木膠合板比較薄，彈性小而且強度低，斷裂的程度隨著位移的推進變化是比較均勻的。通過數(shù)據(jù)計算可得，5 mm厚的楊木膠合板彈性模量4 000 MPa、泊松比0.31，承受的最大拉力為1 470 N、最大壓力為2 114.08 N，最大彎力為191.08 N。15 mm厚的木板承受的最大拉力為4 860.5 N，最大壓力為8 752 N、最大彎力為1 131 N。圖5為典型的15 mm厚的楊木膠合板壓縮的實驗圖和側(cè)面圖，再結(jié)合曲線圖4f可以看出，木材斷裂過程一般可分為3個階段：①初始階段，為直線階段，不產(chǎn)生側(cè)向裂縫；隨著載荷增加，裂尖處開始出現(xiàn)裂縫，曲線的斜率在該點略有改變，聽到輕微的開裂聲。②裂縫穩(wěn)定擴展階段，隨著載荷的增加，裂縫緩慢擴展并逐漸停止；此間，在裂縫上方的韌帶區(qū)會出現(xiàn)多條裂縫，并伴有輕微開裂聲。③非穩(wěn)定斷裂階段，當載荷繼續(xù)增大，伴隨較大的響聲，試件上側(cè)被壓潰，下側(cè)纖維持續(xù)拉脫斷開，載荷呈階躍式下降，裂紋唇張開位移迅速增大，直至斷裂。試件的破壞現(xiàn)象及斷口如圖5所示，呈現(xiàn)較好的韌性。

2.2 動態(tài)實驗結(jié)果

2.2.1 彈道極限速度

動態(tài)試驗中，通過改變高壓氣室的初始壓力控制子彈的撞擊速度。針對每種結(jié)構(gòu)分別開展了9發(fā)撞擊試驗。試驗中，所有板材的疊加順序均是2A12鋁合金板在前作面板，楊木膠合板在后作背板，彈體均保持完整，無明顯變形。圖6給出了初始-剩余速度數(shù)據(jù)曲線。

圖4 不同靶板的不同狀態(tài)的試驗力與位移的曲線

圖5 15 mm厚的楊木膠合板壓縮的實驗圖和側(cè)面圖

準確的彈道極限可通過Recht et al.[14]公式擬合彈體貫穿靶的初始-剩余速度數(shù)據(jù)估算，該公式為

(1)

式中:V0為彈體初始撞擊速度；Vr為彈體貫穿靶板后的剩余速度。Vb1為彈道極限速度；a、p為模型參數(shù)，這3個參數(shù)可通過桿彈初始-剩余速度數(shù)據(jù)進行最小二乘擬合得到。

表1給出了依據(jù)公式(1)擬合得到的模型參數(shù)?？梢钥闯?，無論是在沖擊平頭彈還是卵形彈的情況下，L1M15的彈道極限均大于L1M。因為木材是天然各向異性材料，吸能效果較好，在等厚度2A12鋁合金板作為面板時，疊加的楊木膠合板越厚，吸能效果越明顯，彈道極限的速度就比較大。在對比抗擊同一種平頭彈時，發(fā)現(xiàn)L1M5的彈道極限與L1M15的彈道極限相差不大?？箵敉环N卵形彈時，發(fā)現(xiàn)L1M5的彈道極限與L1M15的彈道極限相差非常大，后者約為前者的1.5倍，這說明復合靶板抗擊卵形彈較為敏感。

表1 各個靶的模型參數(shù)和彈道極限

2.2.2 靶板的變形和失效模型

圖7—圖10分別給出了典型的平頭彈和卵形彈貫穿L1M5、L1M15靶板的高速攝影照片。

a.L1M5靶板抗擊平頭彈初始剩余速度;b.L1M15靶板抗擊平頭彈初始剩余速度;c.L1M5靶板抗擊卵形彈初始剩余速度;d.L1M15靶板抗擊卵形彈初始剩余速度。

圖6不同靶板的初始-剩余速度數(shù)據(jù)曲線

初始速度96.63 m/s，剩余速度79.11 m/s。

初始速度101.1 m/s，剩余速度72.47 m/s。

初始速度77.45 m/s，剩余速度58.11 m/s。

初始速度105.47 m/s，剩余速度69.16 m/s。

對比圖7、圖9可以看出，同為L1M5靶體結(jié)構(gòu)，在平頭彈貫穿過程中可以發(fā)現(xiàn)2A12鋁合金板、楊木膠合板有明顯的變形；而卵形彈變形很小，可以說是幾乎沒有變形，這與平頭彈接觸板材的面積大有關(guān)。靶發(fā)生較大的結(jié)構(gòu)變形，這種大的結(jié)構(gòu)變形將吸收更多的能量。這就是L1M5靶抗擊平頭彈的彈道極限較高于卵形彈的原因。

而對比圖7c和圖9c發(fā)現(xiàn)，平頭彈在貫穿復合靶時，2A12鋁合金板剪切形成一個圓孔，而楊木膠合板飛出了許多碎片，這些碎片大致撕裂成一個個小方片與楊木膠合板成45°角飛出；而卵形彈的碎片大致撕裂成一個個小長條，并且沿著卵形彈的輪廓水平飛行一段時間后才與楊木膠合板成45°角飛出，這與子彈形狀有很大關(guān)系。對比圖7c、圖8c、圖9c、圖10c發(fā)現(xiàn)平頭彈比卵形彈撕裂的木片碎片多，而且大。這可以從另一個方面說明在實際應用中，對于類似于硬(金屬板)+軟(非金屬板)組合形式的復合靶板時，抗卵形彈的沖擊效果比較好，沖擊之后碎片小，而且少，這對在特種作業(yè)環(huán)境下人員或者建筑物的傷害是非常小的。

3 結(jié)束語

為研究強沖擊載荷下戰(zhàn)斗部防護層材料抗爆性能，設(shè)計了一種鋁合金板2A12與楊木膠合板疊層的新型靶體結(jié)構(gòu)，并研究了靶體的抗侵徹特性。對楊木膠合板進行了準靜態(tài)試驗，同時研究了木材金屬復合靶板分別對平頭和卵形兩種桿狀彈體的抗侵徹性能，得到了彈道極限，分析了靶體結(jié)構(gòu)對靶體抗侵徹性能和失效模式影響。結(jié)果表明：在選用楊木膠合板與2A12鋁合金板接觸式疊層靶板作為彈藥箱結(jié)構(gòu)的隔爆防護層材料時，1 mm的2A12鋁合金板與15 mm的楊木膠合板這種接觸式疊層靶板結(jié)構(gòu)抗擊卵形彈的能力強于平頭彈，1 mm的2A12鋁合金板與5 mm的楊木膠合板這種接觸式疊層靶板結(jié)構(gòu)抗擊平頭彈的能力強于卵形彈。該結(jié)果可為研究兩種性質(zhì)不同的材料(尤其是硬+軟)疊加成復合靶板抗沖擊的性能提供一定的試驗方法，同時可為后續(xù)的類似于這種分層結(jié)構(gòu)、金屬夾層結(jié)構(gòu)的試驗和仿真提供數(shù)據(jù)參考。

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