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        超高強度特種鋼防彈防爆性能模擬研究

        2022-09-19 07:38:00宋慶軍李文平張林陽王吉洋
        汽車工藝與材料 2022年9期
        關鍵詞:彈坑彈痕特種

        宋慶軍 李文平 張林陽 王吉洋

        (中國第一汽車股份有限公司材料與輕量化研究院,長春 130011)

        1 前言

        軍用車、安保車等特種車輛均需具備一定的抗彈、抗爆炸沖擊的能力[1],同時在保證特種車防彈防爆性能的前提下,還需減輕防彈裝置的總質(zhì)量,以提高整車的操控性能和機動性能,因此對特種車進行輕量化處理也尤為重要[2],分析不同厚度特種鋼板在給定工況下的防彈防爆性能,從而優(yōu)選出材料的最佳板厚,可顯著減輕整車質(zhì)量,提升輕量化水平。然而特種鋼板材料的研發(fā)費用較高,需添加多種合金元素以保證超高強度,同時其熱處理及軋制成本相比普通鋼板也顯著提升,因此針對特種鋼板無法對多種厚度進行逐一研發(fā)、生產(chǎn)及防彈防爆性能測試,基于此,利用有限元模擬的方法分析不同厚度特種鋼板的防彈防爆性能已經(jīng)成為特種鋼開發(fā)的主要內(nèi)容之一。

        采用Abaqus有限元分析軟件,在給定工況下分析板厚對特種鋼板防彈防爆性能的影響規(guī)律,并結合具體試驗驗證模擬結構的準確性,最終選擇出本工況下的最佳板厚,為超高強度特種鋼開發(fā)提供理論支撐。

        2 防彈性能模擬

        2.1 有限元模型

        子彈侵徹鋼板是一個高速撞擊問題,伴隨著大應變、高應變率、高溫等高速沖擊特性[3],Johnson-Cook材料模型能很好地描述金屬材料的應變強化效應和失效斷裂行為,采用該模型模擬特種鋼板的力學本構關系,其流動應力σ和失效應變εf的表達式如下。

        式中,A、B、C、m、n為材料參數(shù);ε*=ε/ε0為無量綱系數(shù),ε為有效塑性應變率,ε0為參考塑性應變率;Tm=(T-Tr)(Tm-Tr)為無量綱系數(shù),Tm、Tr分別為材料的熔點溫度與參考溫度;D1~D5為失效參數(shù);σ*為應力三軸度。

        Johnson-Cook材料模型采用累計損傷描述材料的失效斷裂,其表達式如下。

        式中,D為累計損傷系數(shù);Δεp為等效塑性應變增量;εf為失效應變。當0<D<1時材料發(fā)生損傷,當D=1時材料斷裂失效,本研究采用的Johnson-Cook模型參數(shù)如表1所示。

        表1 Johnson-Cook模型參數(shù)

        對于特種鋼板防彈性能模擬,采用鋼板尺寸為300 mm×300 mm,厚度分別為4.5 mm、4.8 mm、5.0 mm、5.5 mm,利用79式狙擊步槍發(fā)射53式7.62 mm普通鋼芯尖頭彈,射擊距離10 m,子彈初速度為820 mm/s,相對鋼板的入射角分別為45°和90°,子彈與鋼板間的摩擦系數(shù)為0.3,鋼板四周完全固定約束,仿真幾何模型如圖1所示。

        圖1 不同子彈入射角幾何模型

        2.2 子彈與鋼板作用過程

        在本研究給定的防彈工況下,子彈與鋼板的作用過程如圖2所示,首先子彈以820 mm/s的速度轟擊鋼板并與鋼板接觸,接著子彈開始向鋼板內(nèi)部充塞,期間鋼板由于受到很大的沖擊載荷而發(fā)生失效斷裂,子彈也會產(chǎn)生很大的塑性變形,其速度逐漸降低,能量由著彈點位置向四周輻射,最終子彈的速度降為0,完全鑲嵌在鋼板內(nèi)部,而當子彈速度過快,鋼板強度過低或厚度過小時,也會存在子彈完全擊穿鋼板的可能。由子彈與鋼板的作用過程可知,鋼板的強度、沖擊韌性和板厚都是影響其防彈性能的重要指標,較高的強度、沖擊韌性及合適的板厚都有助于提升其防彈性能,因此當給定了材料種類時,選擇合適的板厚可有效提升特種鋼板防彈性能,并提升其輕量化水平。

        圖2 子彈與鋼板作用過程

        2.3 仿真模擬結果

        2.3.1 子彈45°入射

        子彈以820 mm/s的速度、45°入射角射入鋼板,在鋼板厚度為4.5 mm、4.8 mm、5.0 mm、5.5 mm的條件下,其擊穿情況如圖3所示,可以看出當厚度為4.5 mm時,鋼板被子彈擊穿,而當厚度為4.8 mm、5.0 mm、5.5 mm時,鋼板均未被擊穿,在鋼板表面形成了明顯的彈痕,其對應的彈坑深度及彈痕直徑如表2所示,隨著鋼板厚度的增加,彈坑深度和彈痕直徑均呈明顯的下降趨勢,其防彈性能明顯增強。

        表2 45°入射對應的彈坑深度及彈痕直徑 mm

        圖3 45°入射時的鋼板擊穿情況

        2.3.2 子彈垂直入射

        子彈以820 mm/s的速度、垂直射入鋼板,在鋼板厚度為4.5 mm、4.8 mm、5.0 mm、5.5 mm的條件下,其擊穿情況如圖4所示,與45°入射的結果相似,當厚度為4.5 mm時,鋼板同樣被子彈擊穿,而當厚度為4.8 mm、5.0 mm、5.5 mm時,鋼板均未被擊穿,其對應的彈坑深度及彈痕直徑如表3所示,可見隨著鋼板厚度的增加,彈坑深度和彈痕直徑也均呈明顯的下降趨勢,其防彈性能明顯增強。

        圖4 垂直入射時的鋼板擊穿情況

        表3 垂直入射對應的彈坑深度及彈痕直徑 mm

        綜合上述45°入射和垂直入射的仿真結果,當厚度為4.5 mm時,鋼板均被擊穿;厚度為4.8 mm、5.0 mm、5.5 mm時,鋼板均未被擊穿,可以起到防彈作用。綜上,選擇厚度為4.8 mm的特種鋼板進行抗彈試驗,驗證上述仿真結果,并基于防彈性能和輕量化效果對鋼板厚度進行優(yōu)化。

        2.4 試驗驗證

        選擇厚度為4.8 mm的高強特種鋼板,在前文所述的防彈工況下分別進行45°射擊和垂直射擊,得到的試驗結果如圖5所示,可以看出兩種工況下鋼板均未被擊穿,也未產(chǎn)生明顯的沖擊裂紋,其表面形貌與仿真結果接近,2種工況下的彈坑深度和彈痕直徑如表4所示,可見試驗值與模擬值相當,兩者誤差在10%以內(nèi)。綜上,本文選擇的有限元模型可以較好地模擬鋼板防彈過程,4.8 mm的板厚是防彈工況下的最佳板厚。

        圖5 兩種射擊角度下鋼板的防彈情況

        表4 兩種射擊角度對應的彈坑深度及彈痕直徑

        3 防爆性能模擬

        3.1 有限元模型

        在防彈性能模擬的基礎上,本研究選擇厚度分別為4.8 mm和5.0 mm的鋼板進行防爆性能模擬,其幾何模型如圖6所示,將尺寸為500 mm×500 mm的鋼板放置于4根高度為200 mm的支撐筒上,鋼板正下方的地面上放置2枚82-2手雷,其TNT當量為62 g,爆炸載荷采用Abaqus軟件自帶的CONWEP算法進行模擬,該算法相對于ALE算法的優(yōu)點是不必定義炸藥方程來模擬爆炸壓力,也不必構建空氣模型來模擬爆炸沖擊波在空氣中的傳播過程,計算成本低,適用于遠距離爆炸的仿真[4]。鋼板的失效斷裂行為仍采用Johnson-Cook材料模型來描述,其模型參數(shù)如表1所示,爆炸過程仿真時間3 ms,通過鋼板的彎曲變形、表面是否破裂及中部拱起量指標來評價鋼板的防爆性能。

        圖6 鋼板防爆性能模擬幾何模型

        3.2 仿真模擬結果

        在本研究防爆工況下,4.8 mm和5.0 mm厚度的鋼板經(jīng)爆炸后的變形云圖如圖7所示,可以看出鋼板表面均未產(chǎn)生破裂現(xiàn)象,但受到爆炸沖擊波的影響,鋼板均產(chǎn)生了一定的彎曲變形,具體表現(xiàn)為四周變形量小、中部變形量大,具有明顯的中部拱起特征,其拱起量如表5所示,4.8 mm和5.0 mm厚度的鋼板中部拱起量分別為18.06 mm和16.95 mm,兩者相差約為1 mm,均滿足拱起量小于20 mm的設計目標。綜上,4.8mm和5.0 mm厚度的特種鋼板均可滿足本研究的防爆性能指標。

        圖7 兩種厚度鋼板經(jīng)爆炸后的變形云圖

        表5 鋼板爆炸變形后的中部拱起量 mm

        3.3 試驗驗證

        基于輕量化的考慮,選擇4.8 mm厚度的特種鋼板進行防爆試驗,試驗裝置及爆炸工況與仿真模型相同,如圖8所示,爆炸后鋼板的宏觀變形和迎爆面的表面狀態(tài)分別如圖9和圖10所示,可以看出鋼板受爆炸沖擊波的影響產(chǎn)生了一定的彎曲變形,表面分布大量的鋼珠彈痕,但不存在裂紋及穿透現(xiàn)象,對變形后的鋼板進行測量,其中部拱起高度為17.49 mm,與模擬的18.06 mm拱起量相當。綜上,利用上述防爆試驗驗證了4.8 mm厚度的鋼板具有本試驗工況下優(yōu)良的防爆性能。

        圖8 防爆試驗裝置

        圖9 爆炸后鋼板宏觀變形

        圖10 鋼板迎爆面表面狀態(tài)

        4 結論

        以Abaqus有限元分析軟件為平臺,對某超高強度特種鋼板防彈及防爆性能進行模擬及試驗研究,得出如下結論。

        a.利用Johnson-Cook材料模型和CONWEP算法可以很好地描述材料的失效斷裂行為和爆炸沖擊行為,仿真結果與試驗結果基本相當。

        b.本研究防彈工況下,4.5 mm厚度的鋼板被擊穿,4.8 mm、5.0 mm和5.5 mm厚度的鋼板未被擊穿,且隨著板厚的增加,彈坑深度和彈痕直徑呈減小趨勢,其防彈性能隨之增強。

        c.本研究防爆工況下,4.8 mm和5.0 mm厚度的鋼板均未產(chǎn)生表面裂紋及穿透現(xiàn)象,中部拱起量均小于20 mm,滿足設計指標要求。

        d.基于輕量化及防彈防爆性能考慮,本研究試驗條件下的特種鋼板最佳厚度為4.8 mm。

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