安振濤,甄建偉
(解放軍軍械工程學(xué)院,石家莊 050003)
!陣列式陶瓷顆粒破片防護(hù)層是由大量陶瓷顆粒經(jīng)改性樹脂粘結(jié)固化而成,它與防彈陶瓷板一樣具有很強(qiáng)的防彈能力[1-6],其具有輕質(zhì)、高強(qiáng)的特點(diǎn),特別適合作為輕型裝甲車輛的防護(hù)材料使用。由于組成防護(hù)層的陶瓷顆粒相互獨(dú)立,當(dāng)高速彈丸侵徹防護(hù)層時(shí),只有一個(gè)或幾個(gè)陶瓷顆粒發(fā)生破碎,防護(hù)層的其它部分仍保持原有性能,因此整個(gè)破片防護(hù)層仍具有很強(qiáng)的防彈能力,克服了防彈陶瓷板破碎后整體失效的缺點(diǎn)。陣列式陶瓷顆粒破片防護(hù)層是一種新型的防彈復(fù)合材料,尚未發(fā)現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)刊載,因此非常有必要對這種材料的防彈性能進(jìn)行研究。文中在已制備的特定參數(shù)陣列式陶瓷顆粒破片防護(hù)層的基礎(chǔ)上,通過數(shù)值仿真技術(shù)來研究防護(hù)層的防彈性能,從而為破片防護(hù)層的性能改進(jìn)提供理論參考。
陣列式陶瓷顆粒破片防護(hù)層中陶瓷顆粒為圓柱形結(jié)構(gòu),圓柱體的兩端分別為球面和平面,球面作為迎彈面,可以提高防護(hù)層的防彈能力。已制備的陶瓷顆粒及其尺寸如圖1所示。
圖1 陶瓷顆粒及其尺寸參數(shù)
一般來說,陶瓷顆粒的排列方式有兩種,如圖2所示。
其中圖2(a)的排列方式稱為直排式,圖2(b)稱為斜排式。當(dāng)陶瓷顆粒的直徑一定時(shí),經(jīng)簡單的幾何計(jì)算,就可得出直排方式下顆粒之間的縫隙要大于斜排式。因此文中選用斜排的方式排列陶瓷顆粒。
圖2 陶瓷顆粒的排列方式
圖3 陣列式陶瓷顆粒破片防護(hù)層抗侵徹仿真模型
圖4 陶瓷顆粒在改性樹脂中所處的位置
根據(jù)陶瓷顆粒的尺寸,應(yīng)用Autodyn軟件建立斜排方式的仿真模型,如圖3所示。為了觀察到陶瓷顆粒,改性樹脂的模型僅顯示了一部分。陶瓷顆粒的尺寸如圖1所示,它在改性樹脂中的位置見圖4,在陶瓷顆粒的迎彈面和背彈面外改性樹脂的厚度均為2mm,也就是說陶瓷顆粒完全被改性樹脂所包覆。陣列式陶瓷顆粒破片防護(hù)層的下部分是厚度為2mm的鋼板,用于提高防護(hù)層的整體強(qiáng)度。用于侵徹防護(hù)層的破片根據(jù)GJB 4300-2002《軍用防彈衣安全技術(shù)性能要求》,采用1.1g模擬破片,類似于STANAG 2920標(biāo)準(zhǔn)中的1.1g模擬破片,其尺寸如圖5所示。破片的初始速度設(shè)定為700m/s,即驗(yàn)證防護(hù)層是否能達(dá)到Ⅳ級的防破片等級。
圖5 模擬破片的尺寸
仿真過程中涉及的模型有破片、陶瓷顆粒、改性樹脂和鋼板,它們的材料分別為剛性鑄鐵、Al2O3陶瓷、環(huán)氧樹脂和低碳鋼。在強(qiáng)沖擊載荷作用下,材料將產(chǎn)生復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),例如:應(yīng)變硬化、應(yīng)變率硬化、塌陷、破碎等現(xiàn)象。在AUTODYN軟件中,這些現(xiàn)象一般可以由三個(gè)模型來描述,它們分別是狀態(tài)方程、強(qiáng)度模型和破壞準(zhǔn)則。針對各種材料性質(zhì)的不同,分別選用了不同的本構(gòu)模型,見表1。
表1 不同材料的本構(gòu)模型
下面分別對各種材料模型進(jìn)行描述,并確定其主要參數(shù)。
1)破片
破片采用Shock狀態(tài)方程。Shock狀態(tài)方程可以描述為:
其中,假定Γρ=Γ0ρ0=常數(shù)(Γ為Gruneisen常數(shù)),PH和eH分別為Hugoniot曲線上某點(diǎn)的壓力和內(nèi)能。破片的材料模型主要參數(shù)見表2。
表2 破片的材料模型參數(shù)
2)陶瓷顆粒
陶瓷顆粒采用Johnson-Holmquist強(qiáng)度模型來描述其強(qiáng)度行為。此模型由Johnson&Holmquist于1993年提出,分為分段式(JH1)和連續(xù)式(JH2)兩種形式。文中采用JH2強(qiáng)度模型,該模型包含陶瓷材料未損傷和已完全損傷的強(qiáng)度。在損傷破碎狀態(tài)下其強(qiáng)度表示為:
其中:D為損傷因子,σi*和σf*分別表示完整(D =0)和破碎(D =1)狀態(tài)時(shí)材料的無量綱等效應(yīng)力。陶瓷顆粒的材料模型主要參數(shù)見表3。
表3 陶瓷靶板的材料模型參數(shù)
3)改性樹脂
仿真模型中的粘結(jié)材料為環(huán)氧樹脂,材料參數(shù)選用AUTODYN材料庫中的EPOXY RES2。EPOXY RES2材料采用Shock狀態(tài)方程,環(huán)氧樹脂的材料模型主要參數(shù)見表4。
表4 環(huán)氧樹脂的材料模型參數(shù)
4)鋼板
鋼板采用和破片材料相同的狀態(tài)方程和強(qiáng)度模型。鋼板的材料模型主要參數(shù)見表5。
表5 鋼板的材料模型參數(shù)
圖6 破片侵徹的不同位置
根據(jù)仿真模型的參數(shù)設(shè)置建立模型,計(jì)算的時(shí)間域設(shè)定為0~0.1ms。對于陣列式陶瓷顆粒破片防護(hù)層來說,有3個(gè)特殊的位置,如圖6所示。對這3個(gè)位置的侵徹過程進(jìn)行研究,就基本可以確定整個(gè)防護(hù)層的防彈性能,因此分別建立破片對這3個(gè)位置的侵徹模型,為了減少對計(jì)算資源的浪費(fèi),模型中陶瓷顆粒數(shù)量的確定原則是,保證受直接侵徹的陶瓷顆粒被其它顆粒所包圍的最小數(shù)量。3個(gè)侵徹位置所對應(yīng)的仿真模型分別如圖7(a)~圖9(a)所示,從圖中可以發(fā)現(xiàn)每個(gè)模型中陶瓷顆粒的數(shù)量各不相同,位置1~3對應(yīng)模型中的陶瓷顆粒的數(shù)量分別為7、10和12個(gè)。
圖7 位置1對應(yīng)的仿真模型
圖8 位置2對應(yīng)的仿真模型
圖9 位置3對應(yīng)的仿真模型
圖 7(a)~圖9(a)表示了仿真模型中 0.1ms 時(shí)刻各種材料的狀態(tài)。從圖中可以發(fā)現(xiàn),無論破片的侵徹位置在何處,破片侵徹所造成的改性樹脂的破壞面積都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于破片的直徑。另外,受破片直接侵徹的陶瓷顆粒破壞比較嚴(yán)重,而對于周圍的其它陶瓷顆粒幾乎未受到影響。圖7(b)~圖9(b)中為相應(yīng)模型中直接受沖擊的陶瓷顆粒在0.1ms時(shí)刻的狀態(tài)。從圖7(b)中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)破片的侵徹點(diǎn)在位置1時(shí),受侵徹的陶瓷顆粒幾乎完全破碎;對于位置2的情況,如圖8(b)所示,2個(gè)陶瓷顆粒均有一定的破壞,但破碎情況較位置1時(shí)輕很多;對于位置3的情況,見圖9(b),3個(gè)陶瓷顆粒的破壞情況較位置2時(shí)更輕微。
圖10 破片速度的變化趨勢
當(dāng)破片對防護(hù)層侵徹時(shí),破片的速度會(huì)隨著時(shí)間的延長逐漸變小,如圖10所示。對于侵徹位置的不同,破片的速度變化趨勢略有不同。由于陶瓷顆粒迎彈面曲率的存在,使得破片與陶瓷顆粒發(fā)生接觸的時(shí)刻各不相同,破片在位置1情況下首先與陶瓷顆粒發(fā)生接觸,然后依次是位置2和位置3的情況,這就造成在位置1的情況下,破片的速度首先下降。但在3種情況下,破片的速度在0.04ms內(nèi)均下降到100m/s以內(nèi),然后進(jìn)入平臺(tái)下降期,在0.1ms時(shí)刻破片的速度均下降到40m/s以下。這說明在0~0.04ms內(nèi),陶瓷顆粒對破片速度的下降起主要作用,在此時(shí)間域內(nèi)陶瓷顆粒發(fā)生整體破碎(位置1)或部分破碎(位置2和3),隨后支撐鋼板對破片速度的衰減起主要作用。
圖11 鋼板背面中心的位移變化情況
為陶瓷顆粒起整體支撐作用的鋼板在0~0.1ms內(nèi)也發(fā)生了微小的變形,見圖11,圖中表示了3種情況下鋼板背面中心點(diǎn)的位移情況。由于在3種情況下破片運(yùn)動(dòng)的軸線都穿過此中心點(diǎn),因此可以預(yù)測鋼板背面此點(diǎn)的位移最大。對于3種情況,中心點(diǎn)的位移變化情況相差不大,幾乎都是隨時(shí)間線性增加,在0.1ms時(shí)刻位移均未超過2mm,因此鋼板的變形量遠(yuǎn)未達(dá)到失效的程度,仍具有很強(qiáng)的抗侵徹能力。
1)采用陶瓷顆粒為主要防彈材料制備的破片防護(hù)層具有一定的抗侵徹能力,可以達(dá)到GJB 4300-2002《軍用防彈衣安全技術(shù)性能要求》中Ⅳ級的防破片等級要求。
2)陣列式陶瓷顆粒破片防護(hù)層的特殊結(jié)構(gòu)使其具有了很好的抗整體破碎能力,當(dāng)其受到高速破片的侵徹時(shí),僅有少量陶瓷顆粒發(fā)生整體破碎或部分破碎,其它顆粒仍保持完好。這一特性使得防護(hù)層具有了良好的可修復(fù)性,從而降低了防護(hù)層的使用成本。
3)當(dāng)破片對防護(hù)層的不同位置進(jìn)行侵徹時(shí),陶瓷顆粒均能使破片的速度降至40m/s以下,同時(shí)支撐鋼板僅發(fā)生輕微變形。當(dāng)陶瓷顆粒失去防彈作用后,鋼板可以對破片的余速有效的衰減,因此防護(hù)層中鋼板所起的作用也不能忽略。
[1]侯海量,朱錫,闞于龍.陶瓷材料抗沖擊響應(yīng)特性研究進(jìn)展[J].兵工學(xué)報(bào),2008,29(1):94-99.
[2]楊江麗,宋順成.國外陶瓷材料抗侵徹研究進(jìn)展[J].兵器材料科學(xué)與工程,2007,30(2):72-74.
[3]Holmquist T J,Johnson G R.Response of silicon carbide to high velocity impact[J].J Appl.Phys,2002,91(9):309-316.
[4]李平,李大紅,寧建國.沖擊載荷下Al2O3陶瓷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[J].高壓物理學(xué)報(bào),2002,16(1):22-28.
[5]張曉晴,寧建國,趙隆茂.Al2O3陶瓷動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,24(2):178-181.
[6]Rosenberg Z,Yeshurun Y.The relation between ballastic efficiency and compressive strength of ceramic tiles[J].International Journal of Impact Engineering,1988,7(3):357-362.