朱新成,狄長安,林朝東

(南京理工大學 機械工程學院,江蘇 南京 210094)

裝甲輕量化是坦克裝甲車輛現代化發(fā)展的基本要求,其中輕型復合裝甲的研究備受關注[1]。高性能玻璃纖維復合材料作為較廉價的抗彈裝甲材料,其抗彈能力可達到鋼的3倍以上[2]。目前,杜忠華等[3]利用能量守恒原理建立了玻璃纖維層合板的工程分析模型,給出彈道性能v50的預測公式。徐豫新等[4]進行破片對三明治板高速穿甲數值模擬,發(fā)現了玻璃纖維材料具有良好的能量吸收特性。段建軍等[5]介紹了玻璃纖維復合材料在裝甲上的應用,給出了該材料的防彈機理。此外,由于纖維復合材料具有的各向異性力學特性,國外基于這種材料的有限元數值仿真還不夠全面。

以上研究尚未涉及到玻璃纖維復合材料的抗彈規(guī)律。國外某主戰(zhàn)坦克的相關資料研究發(fā)現,某主戰(zhàn)坦克的首上裝甲使用的是玻璃纖維復合裝甲,這種復合裝甲輕質高效,并且具有優(yōu)越的抗彈性能[6],該復合裝甲的裝甲鋼厚度約50 mm,玻璃纖維層厚度約為25～50 mm,依照該裝甲的結構特點和材料的抗彈特性,本文采用LS-DYNA數值仿真的方法,研究其抗彈特性,由于只分析其抗彈規(guī)律,所用結構尺寸縮小到原來的1/3。縮小后603裝甲鋼厚度為15 mm,纖維層厚度根據工況不同分別為8～16 mm。

1 彈靶模型的建立

1.1 有限元模型

玻璃纖維復合裝甲結構由5層靶板組成,如圖1所示。每層結構的尺寸如下:第1層、第3層、第5層的裝甲鋼尺寸為300 mm×156 mm;第2層、第4層玻璃纖維層合板尺寸為300 mm×156 mm,玻璃纖維層厚度根據工況不同分別為8 mm,10 mm,12 mm,14 mm,16 mm。靶板各層結構、材料和厚度如表1所示。

圖1 玻璃纖維復合裝甲結構示意圖

表1 靶板材料和厚度

本文的彈體采用球頭長桿式穿甲彈[7],其長度為67.05 mm,直徑為6.3 mm,長徑比為10.6。穿甲彈材料為鎢合金,密度為17.6 g/cm3,頭部呈半球形,質量為36.2 g,結構如圖2所示。

圖2 球頭長桿式穿甲彈結構尺寸

使用LS-DYNA軟件進行有限元仿真,仿真穿甲彈侵徹玻璃纖維復合裝甲的過程。首先利用三維建模軟件UG建立幾何模型,再運用前處理軟件Hypermesh劃分模型網格。穿甲彈和玻璃纖維復合裝甲部分是三維拉格朗日網格建模,網格單元之間采用拉格朗日算法來分析侵徹玻璃纖維復合裝甲的作用過程。為了節(jié)省網格計算時間,采用四分之一模型進行建模,穿甲彈自身的內部單元自接觸,靶板與靶板之間自接觸均是AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE,彈與靶是ERODING_SFC_TO_SFC侵蝕接觸。在模型對稱面定義對稱設置,在其邊界位置添加固定,為了獲得較好的仿真結果和縮短計算時間,僅在穿甲彈與靶板接觸部分的網格劃分較密,整個模型網格的效果如圖3所示。

圖3 玻璃纖維復合裝甲有限元模型

1.2 材料模型

彈體采用鎢合金材料,復合靶的1層、3層、5層材料是603裝甲鋼,材料模型都是使用Johnson-Cook強度模型和Gruneisen狀態(tài)方程[8]。玻璃纖維層合板是塑性應變破壞準則[9-10],表2、表3分別給出了鎢合金、603裝甲鋼和玻璃纖維的相關材料參數。表中,ρ為密度,G為剪切模量,A為無損標準強度參數,B為斷裂標準強度參數,m為斷裂強度指數,n為無損強度指數[11],PC為斷裂參數,ε為發(fā)生侵蝕時的有效塑性應變,C為應變速率參數,TR為室溫,TM為熔化溫度。

表2 鎢合金和603裝甲鋼的材料參數

表3 玻璃纖維復合材料性能參數

2 彈靶侵徹數值模擬

2.1 侵徹不同玻璃纖維層厚度的復合裝甲過程

采用已經建立的有限元模型,為了研究不同玻璃纖維層厚度對穿甲彈侵徹能力的影響,對不同復合裝甲夾層玻璃纖維層厚度進行數值模擬,對穿甲彈侵徹裝甲過程、能量變化和穿出復合裝甲后的剩余侵徹能力進行研究。

為了研究玻璃纖維夾層厚度對穿甲彈的干擾作用,在穿甲彈以1 300 m/s的初速垂直入射時,選取纖維夾層厚度δ=8 mm,10 mm,12 mm,14 mm,16 mm的復合裝甲進行仿真計算,夾層厚度δ=16 mm時的仿真過程如圖4所示。

圖4 穿甲彈與夾層厚16 mm的玻璃纖維復合裝甲作用過程

表4給出了不同玻璃纖維層厚度對彈丸動能的影響數據。

表4 不同玻璃纖維層厚度對彈丸動能的影響

由表4可知,隨著玻璃纖維夾層厚度的增加,彈丸擊穿時間變長,彈丸剩余能量呈明顯下降趨勢。侵徹能量在玻璃纖維夾層厚度為16 mm時損失的最多,損失能量為穿甲彈總能量的97.81%;在玻璃纖維夾層厚度為12 mm時能量損失最少,損失能量為穿甲彈總能量的96.43%。這可能是因為玻璃纖維夾層厚度的增加使得應力波穿過夾層后的強度降低[12],導致上、下裝甲鋼變形量減少,從而對彈丸削弱作用降低。

從圖5中的不同曲線可以看出,玻璃纖維層對穿甲彈的干擾作用較為明顯,比較彈丸的剩余動能,夾層厚度δ=16 mm時剩余最少,所以玻璃纖維夾層厚度δ=16 mm為最佳厚度。

圖5 不同夾層厚度彈丸能量隨時間變化曲線

2.2 彈丸與靶板相互作用過程分析

如圖6所示,穿甲彈侵徹玻璃纖維復合裝甲過程如下:

圖6 彈丸侵徹夾層厚度為16 mm的復合裝甲速度云圖

①穿甲彈侵徹面板裝甲鋼(4～32 μs)。彈丸以1 300 m/s的速度開始侵徹復合裝甲,其能量逐漸降低。在侵徹第1層裝甲鋼板時,裝甲鋼上下表面出現類似唇形的破壞形態(tài),侵徹后的孔徑約為10.3 mm,在彈丸侵徹硬度較高的603裝甲鋼時,裝甲鋼會出現韌性破壞現象。

②侵徹第2層玻璃纖維(32～46 μs)。彈丸沿穿孔繼續(xù)侵徹,穿孔孔徑為14.2 mm,遠大于裝甲鋼上的孔徑。這是由于玻璃纖維材料的延伸率較低,從而發(fā)生了大量的斷裂,同時玻璃纖維層也在孔洞處受到第1層鋼板變形的擠壓破壞,導致纖維層開孔直徑變大。

③侵徹第3層裝甲鋼、第4層玻璃纖維和第5層裝甲鋼(46～134 μs)。裝甲鋼板與玻璃纖維層在此階段受到的損傷與第一、第二階段類似。由于彈丸經過前兩層靶板的消耗,其質量減少,速度降低,侵徹能力明顯降低,裝甲鋼和玻璃纖維上的開孔直徑變?yōu)?.7 mm,9.2 mm和10.4 mm。

表5給出了彈丸侵徹玻璃纖維復合裝甲的頭部速度和能量變化。

表5 彈丸侵徹玻璃纖維復合裝甲頭部速度及能量變化

由表5可知,穿甲彈侵徹玻璃纖維復合裝甲各層后損失的能量與速度不同,即復合裝甲各層材料對彈丸侵徹能力的削弱能力不同。在侵徹的過程中,彈丸損失的能量逐漸減弱。由于彈丸在初始過程時撞擊靶板,使靶板產生徑向速度,所以在侵徹第1層靶板時消耗的能量較多。在彈丸繼續(xù)侵徹時,其侵徹的是經過彈丸沖擊壓縮后的靶板,所以碰撞點的壓力會小一點,靶體消耗的能量也會低一些。總的來看,603裝甲鋼對彈丸的削弱作用要略強于玻璃纖維層,但玻璃纖維層密度小,質量遠低于裝甲鋼,這種材料不僅有效降低了復合裝甲的質量,其也有不錯的防護性能。

2.3 仿真模型驗證

考慮到侵徹類實驗既耗時又費人力物力等問題,可以假設一些物理條件,重點關心主要影響因素,建立簡化模型,再進行理論分析,這也可以預測實際實驗結果。以彈丸侵徹玻璃纖維復合靶板仿真實驗為例,結果表明:靶板產生的碎片會對穿甲彈的侵徹有阻礙作用,后層靶板與前層靶板之間也存在一定支撐力。假設彈丸在侵徹過程中質量一定,參照材料本構模型、能量和質量守恒原則等[13],可以得到彈丸初速與余速之間的函數關系[14-15]:

(1)

式中:vr為彈丸擊穿玻璃纖維復合靶板后的剩余速度;v0為穿甲彈初速;mp為穿甲彈質量;ρc,rc,hc分別為鋼板的密度、開孔半徑和厚度;ρs,rs,hs分別為玻璃纖維板的密度、開孔半徑和厚度;rp為彈丸半徑。當夾層厚度不同時,彈丸以1 300 m/s的初速侵徹復合靶板,剩余速度結果如表6和圖7所示。

表6 彈丸剩余速度對比

圖7 彈丸剩余速度對比

對比圖7中的結果,可以看出:仿真與理論結果大致相符,從某種程度而言,此結果驗證了本文模型的準確性。

2.4 不同著角下彈體侵徹速度、深度變化的數值模擬分析

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,玻璃纖維層厚度為8 mm,表7給出了彈體在不同著角下侵徹玻璃纖維復合裝甲的最大侵徹深度和剩余速度。

表7 不同著角彈體侵徹復合靶板的剩余速度、侵徹深度

從表7中可以看出:在相同的初速條件下,對靶板的侵徹深度隨著彈體著角的增大而減小。當垂直入射時,復合靶板最容易被擊穿,速度損耗也最小;著角為30°時,彈丸侵徹到第5層靶板,彈體也發(fā)生輕微轉動,只有很小的剩余速度,著角為50°時,彈丸侵徹到第3層裝甲鋼,且無法擊穿,在靶板上留下較深的開坑,并發(fā)生彈體跳飛現象,彈體跳飛時仍有一定侵徹剩余速度。

利用最小二乘法將不同著角γ下侵徹深度變化情況進行曲線擬合,曲線如圖8所示,求得:

圖8 彈體不同著角下侵徹復合靶板的侵徹深度變化曲線

y=-0.009 9γ2+0.033 2γ+61.6

(2)

從擬合曲線可以看出:隨著著角的增大,侵徹深度呈下降趨勢,γ>40°時,侵徹深度下降較為明顯;γ=65°時,侵徹深度最小,與彈著角為40°時相比侵徹深度下降了23.9 mm。

圖9為彈體著角分別為20°,40°,65°時,彈體侵徹復合靶板的速度云圖。由圖可以看出:在彈體著角為20°時,彈體幾乎可以穿透復合靶板,只有很小的侵徹剩余速度;彈體著角為40°時,彈體無法擊穿結構中的第5層裝甲鋼,在靶板上留下較淺的開坑,并且彈頭發(fā)生一定的偏轉,彈體僅剩一點剩余侵徹能力;彈體著角為65°時,彈體無法擊穿結構中的第3層裝甲鋼,在靶板上留下淺淺的開坑,并發(fā)生彈體跳飛現象,彈體跳飛時仍有一定剩余侵徹能力。

圖9 彈體不同著角毀傷復合靶板速度云圖

綜上可以看出:穿甲彈在侵徹玻璃纖維復合裝甲時,若γ>20°,會出現無法擊穿復合靶板的現象;穿甲彈在侵徹玻璃纖維復合裝甲時,若γ>50°,會出現彈體跳飛的現象,彈體跳飛時雖然仍具有一定侵徹能力,但已無法穿透復合靶板。

3 玻璃纖維復合裝甲抗彈能力的計算

針對復合裝甲抗侵徹能力的計算,目前從事裝甲防護的科研人員大多使用水平等效密度的方法,多組分復合裝甲混合律的通式為[16]

Ri=∑NiLi

(3)

式中:Ri為第i種材料的復合裝甲抗彈能力,Li為第i種材料的復合裝甲水平等效厚度,Ni為第i種材料的防護系數。

首先查得已知的裝甲結構材料密度,再計算每一層的水平等效厚度Li。各材料層的水平等效厚度計算通式為[17]

(4)

式中:ρi為第i層材料的密度或結構單元層的平均密度;δi為第i層材料或結構單元的垂直厚度;αt為裝甲的傾角。

依據各種裝甲材料抗彈防護系數Ni,分別計算每一層材料的抗彈能力Ri,將各層抗彈能力進行累加,最終得出玻璃纖維復合裝甲的抗彈能力,如表8所示。

表8 玻璃纖維復合裝甲抗彈能力計算

按裝甲車首裝甲傾角68°計算各層抗彈能力,進行累加得出該復合裝甲的抗穿甲彈能力,結果表明本文的玻璃纖維復合裝甲抗穿甲彈能力相當于150 mm的標準均質裝甲鋼,由此可見該復合靶有良好的抗彈性能。

4 結論

①對復合裝甲夾層玻璃纖維層的抗彈性能進行數值模擬,結果表明:隨著玻璃纖維夾層厚度的增加,彈丸擊穿時間變長,剩余速度呈明顯下降趨勢,玻璃纖維夾層厚度為16 mm時防護性能最好;比較每層靶板的彈丸能量削弱能力,發(fā)現603裝甲鋼大約是玻璃纖維層的3～4倍,但玻璃纖維層密度遠低于裝甲鋼,因此,這種玻璃纖維材料不但有效地降低了復合裝甲的質量,同時也具有不錯的防護性能。

②對穿甲彈在不同著角下侵徹玻璃纖維復合靶的數值模擬研究發(fā)現,彈體著角越大,所侵徹的靶板層數的數量越少,即侵徹深度降低。彈體著角超過20°時,裝甲結構不會被擊穿;彈體著角超過50°時,會出現明顯彈體跳飛現象。從最小二乘法擬合的函數來看,著角大于40°時,侵徹深度降低較明顯,說明該條件下裝甲的抗彈性能更好。

③對于玻璃纖維復合裝甲的抗彈性能,根據多組分復合裝甲混合律計算出了其在穿甲彈作用下的抗彈能力,抗彈性能相當于150 mm均質裝甲鋼,表明該復合靶有良好的抗彈性能,這主要是由于玻璃纖維材料密度低。因此,該復合材料用于裝甲防護材料,能一定程度上降低復合裝甲質量,在一定質量的環(huán)境下,玻璃纖維復合裝甲能給出更好的抗彈性能。