不同速度下B_%284%29C陶瓷_铝合金轻型复合靶板抗侵彻行为研究.pdf

第 卷 第 期 年 月南京理工大学学报 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金()通讯作者:高光发男博士教授博士生导师主要研究方向:冲击动力学:.引文格式:武一丁高光发王晓东.不同速度下 陶瓷/铝合金轻型复合靶板抗侵彻行为研究.南京理工大学学报():.投稿网址:/.不同速度下陶瓷/铝合金轻型复合靶板抗侵彻行为研究武一丁高光发王晓东(南京理工大学 机械工程学院江苏 南京)摘 要:陶瓷复合装甲由于其本身高硬度、低密度的特点被广泛应用于高机动性武装载体上其主要威胁弹体为.穿甲燃烧弹 该弹种在侵彻陶瓷轻型复合靶板时弹芯会发生脆性破碎失效行为弹丸着靶速度的不同会导致弹芯破碎程度的变化从而直接影响侵彻结果 利用.穿燃弹以区间速度./撞击/铝合金轻型复合靶板的试验对靶板与弹芯的损伤模式与侵彻行为进行多尺度分析并利用 软件进行相应数值模拟 研究结果表明:铝合金背板主要失效形式为花瓣形撕裂穿孔并伴随永久性隆起形变试验得到的弹芯碎片的平均特征尺寸随着侵彻速度的增大而减小证明在高速侵彻过程中弹芯损伤更为严重弹芯头部的应力远大于其他位置的应力弹体从头至尾部方向峰值逐渐降低对弹芯造成损伤的主要为陶瓷抗弹面板主要损伤位置为陶瓷粉碎区背板在侵彻过程中主要对陶瓷起支撑与缓速作用对弹体的体积与形变无明显影响陶瓷/铝合金复合装甲的能量吸收能力随着侵彻速度的增大而提高关键词:碳化硼陶瓷复合装甲.穿甲燃烧弹侵彻速度弹芯破碎中图分类号:文章编号:():././():.南京理工大学学报第 卷第 期 ././././.:.从 世纪 年代起武装战斗装甲车以及轻质无人直升机被广泛应用于战场诸如此类机动性强且防护能力弱的战斗作战目标其主要反制手段为.的穿甲燃烧弹()此弹头的穿甲能力等作战能力极强 目前陶瓷材料因其高强、高硬、低密度等优质性能展现出了极高的抗侵彻能力但对于单陶瓷抗弹面板来说其整体抗弹性能不高并呈现出大量碎块在承受较低的载荷时也会展现出较差的抗弹能力 抗弹背板的加入对陶瓷的抗弹性能有了极大提升 此外碳化硼陶瓷由于其低密度、高硬度、高剪切模量的优势被用以替换碳化硅等相对较高密度的陶瓷硬质材料但其在实际抗弹过程中表现较差 对于.弹体陶瓷靶板双脆性材料陶瓷复合装甲在抵抗全速弹时呈现出了较优的防护性能而在半速弹(约/)的情况下表现较差 这表明此侵彻组合对速度的影响较为敏感在轻量化需求下陶瓷/金属轻型复合靶板中金属背板一般较薄不同于侵彻陶瓷/半无限金属背板时弹丸在侵彻陶瓷/金属轻型复合靶板时弹靶作用时间短、应力状态更为复杂 同时与钨合金等弹头对陶瓷/复合靶板的侵彻形式不同.在侵彻试验时产生的碎片仅极少 量 出 现 韧 性 绝 大 部 分 碎 片 呈 脆 性 断裂 目前针对弹丸对陶瓷/金属轻型复合靶板侵彻行为的研究主要从靶板出发对弹丸在弹靶作用过程中的失效行为研究较少 研究.侵彻陶瓷/金属轻型复合靶板时弹芯的动态破碎行为对靶板和弹丸的设计优化均具有重要意义 陶瓷复合装甲的抗弹性能影响因素有很多很多研究表明陶瓷面板厚度的增加可以显著提高整体抗弹性能但当陶瓷面板的厚度大于 时厚度的提升效果开始减弱脆性材料的碎片累计质量表征在一定程度上是研究材料破碎机理的一种可靠方式可利用 分布模型等对脆性材料的碎块分布规律建立统计模型并定量化表征其脆性材料的整体破碎程度与抗弹能力 此外研究表明在材料微观观测 如扫描电子显微镜()等实验仪器的协同作用下可以对脆性材料的断裂机理进行可靠的断裂形式表征 不同速度.侵彻陶瓷面板/金属背板的过程中其弹芯展现出了不同的碎块粒径分布与不同的侵彻作用结果其脆性弹体的侵彻速度与脆性陶瓷抗弹面板能量吸收能力总第 期武一丁 高光发 王晓东 不同速度下 陶瓷/铝合金轻型复合靶板抗侵彻行为研究 具有一定的耦合作用为探索弹体的着靶速度对弹芯破碎程度与碎片质量分布规律的影响本文开展了.以不同速度侵彻“芳纶纤维布(止裂层)陶瓷(主要抗弹面板)铝合金背板(支撑作用背板)”轻型复合靶板的试验研究与数值模拟通过对弹芯碎片进行多级筛分及理论模型拟合分析探究在陶瓷面板的抗侵彻作用下弹体速度对弹芯破碎的影响规律并利用数值模拟对弹体的动能变化时程曲线进行定量化表征为穿甲子弹设计及陶瓷复合靶板的优化设计提供基础 不同速度对 陶瓷/金属轻型复合靶板试验.试验概况本试验的主要目的为研究不同速度的弹对靶板侵彻下的弹芯破碎形式与靶板损伤吸能行为子弹为.穿甲燃烧弹弹头的组成部分按质量由大到小分别为 钢芯(主要侵彻部件)覆铜钢软质弹体被甲填充装弹铅套以及部分燃烧剂此弹头具体装配方式如图 所示弹头的总质量约为 其中主要部分为 钢芯质量约为.直径约为.长约为 图 .穿燃弹弹头结构试验用靶板为“芳纶纤维布 陶瓷抗弹板铝合金背板”层合结构 其中关键抗弹元素为 厚的 陶瓷面板其主要优势在于对脆性弹芯的轰碎效果对应尺寸与面密度分别为 和./同时将一层约为.厚的芳纶纤维布粘接在 陶瓷板迎弹面这一层可以利用其表面粘接力将陶瓷面板进行二次加固一定程度上阻止反向喷射出去的陶瓷碎片并减少因径向裂纹而导致的应力波间断面数量 此复合装甲背板采用尺寸为 的 铝合金 背板与陶瓷之间通过金属框固定结构如图 所示.穿燃弹使用弹道枪进行发射发射速度通过装填不同质量的火药调节试验装置如图 所示 试验过程中弹道枪与靶板的距离为 左右弹道枪的发射速度测速装置采用高精度天幕靶图 靶板结构图 试验布置为收集到完整的 弹芯碎片并保证试验安全将露天放置的靶架替换成一个正方体回收箱其 个面均内衬厚度为 的木板 在靶后放置一块尺寸为 的 后效靶作用为防止弹芯碎片直接撞击到回收箱金属外壳而产生二次损伤或断裂.试验结果开展多组.穿燃弹侵彻“芳纶纤维 陶瓷 铝合金”复合靶板试验共获得 组不同速度的侵彻结果 测得着靶速度分别为./、./、./、./试验后靶板迎弹面纤维层被撕裂在速度高于./时陶瓷板形成陶瓷锥并完全碎裂 组试验中铝合金背板均发生凸起变形和被穿透现象表现为花瓣形穿孔如图 所示图 所示为每组试验背板凸起高度数据点上下沿、分别为靶板中几个“花瓣”顶点到背板初始表面的最小和最大高度 结果表明随着着靶速度在./区间内增大将突起高度看作各“花瓣”突起高度的平均值其整南京理工大学学报第 卷第 期体呈增加趋势 需要说明的是当着靶速度为./时背板凸起高度出现下降现象 观察靶板后发现图 红色标记处背板出现撕裂丢失从而导致背板凸起高度降低图 不同侵彻速度下背板的失效形式图 不同侵彻速度下的背板凸起高度 弹芯碎片统计分析脆性材料的失效行为因其自身加工原因等不能被准确预测现有的理论分析模型如 理论、模型及改进模型、模型、模型等是在一维条件下或均匀载荷加载条件下建立的不适用于穿燃弹侵彻陶瓷/金属轻型复合靶板过程中的复杂应力状态分析 但对于碎片结果的分布模型进行统计分析是可行的 目前幂律分布规律被广泛用于表征高脆性材料的碎裂行为特征 此外 也被广泛应用于观察材料损伤断口与损伤机理分析.碎片质量分布规律 分布模型被广泛用于脆性材料碎片累计质量的分布情况分析等效直径 的碎片总质量()可表示为()(/)()式中:是碎片在同质量情况下等效为球所对应的直径 与 分别表示幂指数系数与平均特征尺寸表示参与统计分布的试件碎片的质量之和 分布模型可等效为()(/)()幂指数 为碎片尺寸的累计质量进行拟合后的斜率对于脆性材料的分布规律来说幂指数 的值可通过式()中对数形式的函数得到即()()()在利用此模型进行统计筛分时设置多级筛网尺寸筛网直径分别为.、和 当尺寸大于 时因跨度较大将导致对应等效直径不准确需要将 以上的弹芯碎片单独称重并单独进行等效直径的计算计算方式同上 多级筛分后的碎块如图 所示图 多级筛分后的弹芯碎块图 为 组侵彻速度对应的弹芯碎片的累积质量和碎片等效直径的线性拟合结果其横、纵坐标均是以 为底的对数 将 组试验所收集的弹芯碎片经过筛分、称重后得到表 所示结果图 不同侵彻速度下的弹芯碎片累积质量分布对这 组侵彻试验后收集到的弹体碎块的累计分布质量进行筛分称重并分析后利用 分布模型对应函数形式进行拟合累计质量分布规律如图 所示相关系数 均位于.以上证明了本次试验所收集到的弹芯碎片分布在 分布模型下的可靠性.弹芯的破碎程度与碎裂特征在对 弹 芯 进 行 多 级 筛 分 后 利 用 分布对弹芯碎片的多级累计质量进行函数拟合 如图 所示为 组侵彻速度对应弹芯碎总第 期武一丁 高光发 王晓东 不同速度下 陶瓷/铝合金轻型复合靶板抗侵彻行为研究 块质量分布模型的幂指数 和平均特征尺寸 从图中可以看出着靶速度与幂指数 和平均特征尺寸 呈负相关关系这两个指标随着侵彻速度的增加而减小 其中幂指数 代表在多级累计质量内各个尺寸对应弹芯碎片重量的占比幂指数 值的减少代表随着侵彻速度的增加碎片的累积质量的对数与碎片等效直径的对数的线性拟合斜率减小即侵彻速度增加后收集到的小碎片的质量增加相应的大质量碎片减少平均特征尺寸 表述的是碎片的整体特征尺寸 值的减少代表着弹丸侵彻速度的增加会导致弹芯破碎程度随之提高如表 与图 所示最大尺寸的弹芯质量与粒径小于 的碎块的质量表明了随着速度的增大小尺寸的碎块质量明显增加而大尺寸的碎块明显减少表 多级筛分后的多尺度弹芯碎片质量编号速度/()碎片质量/合计最大碎片 .图 最大与最小粒径质量与侵彻速度的关系 如图 所示随着侵彻速度的提高收集到的弹芯碎片中大质量碎片减少而小质量碎片明显增加表明随着侵彻速度的增加弹靶的相互作用导致的弹芯破碎程度明显增加 在弹芯对陶瓷侵彻过程的初始接触时刻弹头与陶瓷接触点产生一个强球状压缩波在陶瓷表面产生一个大于弹体直径的环向裂纹 但因陶瓷的高强度抗压缩性能弹体头部瞬间钝化粉碎形成小颗粒 从宏观角度看其弹体碎片的断口大部分为 剪切断口与平底状拉伸断口 通过 扫描 弹芯断口后在弹芯断口处发现明显河流花样的解理拉剪断裂如图 所示 较平的解理面只能在一个晶粒内出现解理裂纹在穿过扭转晶界时河流花样呈现了间断性偏转在晶粒边界上表现为不同尺寸的小台阶从而使得整体裂纹得以继续扩展 且对于 硬质钢芯来说其拉伸强度远低于压缩强度如图()所示此弹芯碎片的大面积断口处皆呈现河流花样的解理断裂主要损伤形式为拉伸剪切断裂与压缩剪切断裂 并且宏观角度弹丸碎块可以进行拼接以呈现较为完整的弹体形式弹体碎片中基本无明显塑性变形整体呈现脆性断裂随着侵彻速度的提高大块脆性断裂的弹尾的质量逐渐降低小粉末堆的质量与体积明显提高陶瓷复合装甲对侵彻弹体的轰碎效果显著提高图 不同侵彻速度下的幂指数 与平均特征尺寸 不同侵彻速度的数值模拟为探索碳化硼陶瓷面板与 铝合金背板组合抗侵彻性能通过对相同实验条件下的.弹侵彻陶瓷/铝合金装甲行为进行数值模拟利用 中的显式有限元 模型对起主要侵彻作用的 的硬质弹芯动能时程曲线进行分析通过弹芯的损失动能来评估陶瓷复合靶板的总体抗弹性能分析不同速度下陶瓷复合靶板的整体抗弹性能与能量吸收能力南京理工大学学报第 卷第 期图 试验后收集到的弹芯(微观尺寸).模型的建立与算法本文建立了防弹陶瓷铝合金复合装甲有限元模型试验中芳纶纤维布的作用主要是保证陶瓷的完整性有一定加固作用但对结果影响不大 因此数值模拟中的抗弹复合装甲由 陶瓷面板与背板 铝合金两部分组成 这两种面板面密度相近为保证计算效率与计算精度这一试验建立三维二分之一对称模型尺寸方面与试验相同 本文网格划分与装配模型如图 所示 其中试验中用到的金属有弹芯、弹体背甲和抗弹背板其材料分别为、覆铜钢和 铝合金均利用()材料损伤模型搭配 状态方程来进行数值模拟表 中、和 分别代表初始屈服应力、材料应变硬化模量、硬化指数、材料应变率强化参数和材料热软化指数其中数值模拟中的接触采用“”对目标靶板的陶瓷/铝合金结构与炮弹之间的接触进行建模试验中的固定条件主要为铝合金的边界固定条件此方案主要固定了陶瓷与铝合金四周的法向位移在数值模拟中采用对铝合金与陶瓷的 个边界定义法向方向的边界条件图 弹体于靶板的模型建立与网格划分而对于高脆性的陶瓷材料其抗拉强度低于抗压强度约一个数量级而对于这种短时间内的强冲击载荷与高应变率的脆性材料来说其材料断裂损伤模型利用其自带损伤演化的 材料模型此数值模拟所用到的材料参数如表 和表 所示总第 期武一丁 高光发 王晓东 不同速度下 陶瓷/铝合金轻型复合靶板抗侵彻行为研究 表 弹体与背板材料参数材料/()/.表 陶瓷材料参数/()/././.表 中 为剪切模量、和 为无量纲材料常数为体积模量与 均为高阶拟合参数为最大归一化的断裂强度 为 强度极限为在 状态下的静水压力 为拉伸强度与 为无量纲参数 为材料的体涨系数.靶板结构对陶瓷/金属背板抗侵彻性能影响规律的数值模拟 陶瓷复合装甲中抗弹陶瓷面板的主要作用为对弹体的轰碎效果以及陶瓷自身的断裂吸能其中弹体在对陶瓷靶板的侵彻过程中主要受损形式为大块脆性剪切断裂与弹头受强压缩波作用下的粉末状碎裂 数值模拟与试验对比的结果如图 所示 其验证了此材料参数与模拟条件等设置的有效性与可靠性并还原了整个弹体对靶板的侵彻过程中一系列参数变化时程曲线如图 所示 对弹头不同部分的应力时程曲线分析表明其弹芯受到的应力峰值从弹头向弹尾方向逐渐降低且在位置 处有较强的拉伸波导致的失效 由于弹头的侵彻接触面积较小弹头受到的应力峰值远高于其他位置因此产生一定程度上的粉末状失效图 数值模拟结果图 弹芯的应力分布南京理工大学学报第 卷第 期 此试验中陶瓷靶板的损伤云图如图 所示在这一过程中对弹体起主要抗弹作用的为陶瓷面板从损伤图上可以分析得到陶瓷的主要损伤部位发生在陶瓷锥内而在陶瓷锥内又分为陶瓷粉碎区与陶瓷破碎区根据损伤云图与云图颜色变化可以对粉碎区与破碎区进行明显区分由于陶瓷锥的存在侵彻过程均发生在“弹陶瓷锥支撑背板”体系中陶瓷锥的大底面积很大程度上改善了陶瓷与背板的应力波传播状态背板在侵彻过程中的主要作用是对陶瓷面板的支撑作用其吸能效果不甚明显在弹体真正开始侵彻背板时其体积基本保持不变而动能损失远低于在陶瓷面板内的动能损失如图 所示在 之前主要为背甲的失效作用起始侵彻深度较低几乎没有侵彻能力对陶瓷复合装甲起主要侵彻作用的为 弹芯 在 之后弹芯头部开始对靶板进行侵彻作用此时在接触面位置产生一系列球状强压缩波 在 时强压缩波头部传播至陶瓷背板与金属背板接触面并向陶瓷面板内反射回一定强度的拉伸波此拉伸波强度取决于陶瓷面板与金属背板的波阻抗之比 在面板作用下陶瓷与铝合金的波阻抗分别为./()和./()陶瓷面板的波阻抗约为铝合金背板的.倍此复合靶板在这个界面处的波阻抗之比约为.反射回陶瓷内部的拉伸波强度约为强压缩波强度的.倍其拉伸波与陶瓷和弹芯接触面不断产生的压缩波相作用形成拉伸断裂失效图 弹体与靶板的侵彻损伤云图 在 时形成完整陶瓷锥形貌随着弹体的不断侵彻在陶瓷锥与主要陶瓷面板分离时形成弹陶瓷锥铝合金背板侵彻组合由于陶瓷锥体底部面积远大于弹和陶瓷的接触面积背板此总第 期武一丁 高光发 王晓东 不同速度下 陶瓷/铝合金轻型复合靶板抗侵彻行为研究 时受力较为均匀 时开始发生永久性的弯曲隆起变形在 之间陶瓷锥根据受力与破碎情况可以分为两个区域:陶瓷破碎区和陶瓷粉碎区 其中陶瓷粉碎区为弹体与陶瓷锥将要接触的一个类圆柱区域这一区域中因强压缩波产生的陶瓷粉碎碎块与弹体粉碎碎块不断对弹体剩余部分进行侵彻与磨损产生的碎块粒径极小一般呈粉末状同时此区域为弹体的主要吸收能量区域其主要能量耗散方式为粉末产生的断裂能 陶瓷破碎区为陶瓷锥除去粉碎区后剩下的一部分区域 这一区域产生的碎块一般为 的较大粒径陶瓷碎块这个区域有一定能量耗散能力但远低于陶瓷粉碎区如图 所示在 时弹芯穿过靶板整体铝合金背板的失效形式为中心隆起的冲塞花瓣形失效相比于陶瓷其吸能能力较弱但其对陶瓷面板的刚度支撑在陶瓷复合装甲中起到不可或缺的作用一定程度上背板的抗弯强度与刚度系数与复合装甲的整体抗弹性能呈正相关关系由于侵彻前后弹芯的质量不同不同速度下弹芯的质量损失也不同 单纯以靶后速度为标准不能合理表征靶板的能量吸收能力 因此本文考虑利用弹芯的动能时程曲线来对侵彻能力进行定量化表征 如图 所示在 这一段时间内弹体中燃烧剂在实际侵彻过程中在侵彻瞬间就被点燃对靶板不起侵彻作用背甲与铅套在侵彻过程中对侵彻深度的影响极小因此在动能损失方面仅考虑弹芯在不同速度侵彻作用下的能量耗散 图()所示为弹芯在不同侵彻速度下的动能时程曲线图其中 代表侵彻结束的时间点随着侵彻速度的提高弹体穿透靶板的时间逐渐降低弹靶的相互作用时间降低 其原因为不同速度的侵彻作用会直接导致应力峰值的变化弹芯在侵彻过程中所受到的加速度峰值随着侵彻速度的增加而增大如图 所示随着侵彻速度的增加弹芯损失动能呈线性增加趋势其相关系数 为.证明.穿燃弹对陶瓷/金属复合装甲侵彻过程中的能量损失与侵彻速度呈明显线性正相关关系 与碎片统计规律得到的趋势一致靶板的能量吸收能力提高对弹芯的抵抗能力增强 数值模拟结果表明在侵彻速度逐渐提高的情况下陶瓷/金属复合装甲的抗弹性能也逐渐增强图 弹芯动能时程曲线图与加速度时程曲线图 弹芯的损失动能与作用时间 结论通过开展.穿燃弹侵彻“芳纶纤维 陶瓷 铝合金”复合靶板试验收集并通过“筛分法”获得不同速度下碎片质量得到以下主要结论:().穿甲燃烧弹侵彻“芳纶纤维 陶瓷 铝合金”复合装甲后的弹芯碎片统计分布模型适用于 分布且南京理工大学学报第 卷第 期随着侵彻速度的提高背板的突起高度随之增高其主要损伤形式为花瓣形撕裂孔()随着弹丸着靶速度的增大模型中的幂指数 和碎片特征尺寸 均呈现递增趋势表明随着撞击速度的增加小碎片的质量增加大质量碎片减少弹芯破碎程度增加弹芯的主要碎裂发生在与陶瓷锥的作用过程 由数值模拟中弹体各个位置的应力时程曲线可得弹头的压缩波强度远大于其他位置结合扫描电子显微镜其产生的小质量粉末主要来源于强压缩波下的弹头而大块碎块主要来自于弹身作用位置其主要失效形式为拉伸剪切和压缩剪切断裂()在数值模拟不同侵彻速度作用下陶瓷/铝合金复合装甲对弹芯的动能吸收能力随着着靶速度的增加而增加整体能量吸收能力与侵彻速度呈线性正相关关系其主要吸能面板为陶瓷面板弹体侵彻背板时弹芯基本无变形背板仅对陶瓷面板提供支撑作用和缓速作用参考文献:.():.:.():.包阔张先锋谈梦婷等.子弹撞击碳化硼陶瓷复合靶试验与数值模拟研究.爆炸与冲击():.():.侯二永.陶瓷间隙靶抗.穿甲燃烧弹机理及性能研究.长沙:国防科学技术大学.:.谈梦婷张先锋何勇等.长杆弹撞击装甲陶瓷的界面击溃效应数值模拟.兵工学报():.():.谈梦婷张先锋包阔等.装甲陶瓷的界面击溃效应.力学进展:.:.梁艳媛李光亚张利等.氧化铝陶瓷复合靶板抗侵彻过程数值模拟分析.稀有金属材料与工程():./.():.王维占赵太勇冯顺山等.动能弹斜侵彻复合装甲的数值模拟研究.爆炸与冲击():.():.:.:.王东哲秦溶蔓孙娜等.陶瓷/纤维复合装甲抗弹丸侵彻性能的试验与数值模拟研究.材料导报():./.():.余毅磊蒋招绣王晓东等.轻型陶瓷/金属复合装甲抗垂直侵彻过程中陶瓷碎裂行为研究.爆炸与冲击():./.():.总第 期武一丁 高光发 王晓东 不同速度下 陶瓷/铝合金轻型复合靶板抗侵彻行为研究 /.():./.:.王晓东余毅磊蒋招绣等.不同撞击速度下穿燃弹侵彻陶瓷/铝合金复合靶板时弹芯破碎失效特性研究.爆炸与冲击():./.():.:.:.():.():.():.():.():.():.():.:.余毅磊王晓东任文科等.陶瓷/金属复合靶受.穿甲燃烧弹侵彻时弹靶破碎特征.兵工学报():./.():.():.:.余毅磊王晓东任文科等.背板铺层角度对陶瓷复合靶板抗弹性的影响.北京理工大学学报():.():./.():.():.:.():.