Tc復(fù)合彈對陶瓷/A3鋼復(fù)合靶穿甲效應(yīng)的試驗研究

胡迪奇，王堅茹，陳智剛 ，易榮成，魯城華

(1.中北大學(xué) 地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，山西 太原 030051；2.常州山由帝杉防護(hù)材料有限公司，江蘇 常州 213100)

Tc復(fù)合彈對陶瓷/A3鋼復(fù)合靶穿甲效應(yīng)的試驗研究

胡迪奇1，王堅茹1，陳智剛1，易榮成1，魯城華2

(1.中北大學(xué) 地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，山西 太原 030051；2.常州山由帝杉防護(hù)材料有限公司，江蘇 常州 213100)

為提高彈丸對陶瓷復(fù)合裝甲的侵徹威力，在30 mm制式彈彈頭部采用增韌Tc材料，并與制式彈進(jìn)行對比。采用DOP試驗方法，結(jié)合沖擊動力學(xué)理論和陶瓷材料特性，研究了2種不同結(jié)構(gòu)彈丸對陶瓷/A3鋼復(fù)合靶的穿甲效應(yīng)，重點分析對比彈頭材料、結(jié)構(gòu)對陶瓷/A3鋼復(fù)合靶的穿甲效應(yīng)的影響。在相同條件下，對制式彈和Tc復(fù)合彈對A3鋼板的侵徹孔徑、深度，以及侵徹后彈芯剩余質(zhì)量進(jìn)行了對比分析。采用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行模擬仿真，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，結(jié)合仿真結(jié)果，從彈芯剩余質(zhì)量上對彈丸的侵徹能力進(jìn)一步分析，Tc復(fù)合彈對彈芯保護(hù)的效果明顯，為陶瓷材料應(yīng)用于其他戰(zhàn)斗部提供依據(jù)。

彈丸；侵徹；陶瓷；沖擊動力學(xué)；數(shù)值模擬

當(dāng)今的戰(zhàn)場，裝甲車輛的防護(hù)推陳出新，防護(hù)性能不斷提升，但是這些防護(hù)結(jié)構(gòu)仍以金屬材料為核心組成。由于金屬材料在強(qiáng)度、可加工性等方面的優(yōu)勢，使其在毀傷和防護(hù)方面得到廣泛應(yīng)用，對其在侵徹方面問題的研究也特別多。殺傷戰(zhàn)斗部的材料也還是以金屬材料及其合金為主，但用這些常規(guī)材料制的戰(zhàn)斗部穿甲性能的提升遇到了瓶頸。

Dey等[1]用平頭和卵形頭彈丸侵徹相同厚度不同結(jié)構(gòu)的靶體。對于前者，單層靶的抗侵徹效果要低于多層靶，對雙層靶板而言，接觸式的效果要好于間隙式；對于后者，單層靶的抗侵徹效果高于雙層靶，但間隙式和接觸式的靶板對侵徹效果的影響很小。李守蒼等[2]研究了陶瓷和合金鋼柱形構(gòu)件分別對陶瓷/復(fù)合材料靶板的侵徹性能，結(jié)果表明，陶瓷構(gòu)件對陶瓷/復(fù)合材料靶板的破壞程度遠(yuǎn)大于合金鋼構(gòu)件；付建平等[3]對比了陶瓷子彈與普通鋼彈的侵徹能力，得出了陶瓷子彈對靶板的侵徹效果優(yōu)于鋼彈。

筆者在30 mm穿甲彈頭部采用高硬度、耐高溫、高抗壓的非金屬Tc材料，對陶瓷復(fù)合靶的穿甲效應(yīng)進(jìn)行試驗研究，并與制式彈進(jìn)行對比。

1 材料特性

高硬質(zhì)的脆性陶瓷面板[4]受到?jīng)_擊的瞬間，在彈、靶接觸面產(chǎn)生應(yīng)力集中，接觸面處的壓縮載荷很大，使接觸面處的陶瓷破碎[5]，細(xì)碎狀陶瓷粉末向彈丸運(yùn)動的相反方向流動，對彈丸侵徹產(chǎn)生很大的摩擦阻力，壓縮應(yīng)力沿軸向傳播，使陶瓷面板產(chǎn)生軸向裂紋，形成陶瓷錐[6]；斷裂的陶瓷錐在彈丸的推動下，作用于金屬背板，增大了接觸面積，有利于金屬背板對沖擊能量的分散和吸收；同時金屬背板可以為陶瓷面板提供支撐，防止陶瓷過早發(fā)生破損，充分發(fā)揮其抗彈性能；彈體在深入侵徹的過程中，陶瓷材料內(nèi)形成許多碎片，同時這些碎片對穿甲彈丸形成較大的磨蝕作用，彈頭被磨損、鈍化，質(zhì)量減小，速度降低，侵徹沖擊能力銳減。Tc彈頭如圖1所示。

文中Tc彈頭所采用Al2O3基陶瓷材料[7]，增加一定比例的ZrO2提高其密度，并加入分散劑、單體劑預(yù)混合液球磨制漿，依次加入催化劑和引發(fā)劑，攪拌均勻后注入成型模具中，自然風(fēng)干后按要求尺寸進(jìn)行機(jī)械加工，最后，控制溫度在大于1 400 ℃，燒結(jié)40 h左右。相比普通陶瓷，這種經(jīng)過增韌處理的陶瓷材料顆粒均勻，顆粒之間結(jié)合緊密。抗彎強(qiáng)度可達(dá)850 MPa，斷裂韌性為9.35 MPa/m2，具有高硬度、高熔點、高抗壓強(qiáng)度、耐磨蝕等特點，同時有較高的韌性，成本也較低。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗用彈

試驗用彈采用30 mm制式彈和Tc復(fù)合彈，如圖2所示，其中Tc復(fù)合彈外形、質(zhì)量與30 mm制式彈基本一致，全彈由Tc復(fù)合彈頭、彈芯、彈托、底托等主要零部件組成。

2.2 試驗靶板

試驗靶板采用陶瓷/A3鋼復(fù)合靶，從迎彈面至背彈面依次為：陶瓷面板和5層A3鋼板。其中陶瓷面板由上下兩層玻璃纖維層，中間加陶瓷塊粘結(jié)在一起構(gòu)成，厚度為15.00 mm，平均密度3.7×103kg/m3。玻璃纖維層為緩沖層，主要作用是防止陶瓷碎片的崩落以及衰減應(yīng)力波。陶瓷面板作為阻擋層，由于其高抗壓強(qiáng)度和高硬度，子彈在接觸陶瓷材料的時候發(fā)生嚴(yán)重的侵蝕、斷裂和偏轉(zhuǎn)，從而影響其后續(xù)的侵徹過程。鋼板材料為Q235鋼，每層厚度20.00 mm，鋼板的作用是為陶瓷面板提供較好的支撐。陶瓷/A3鋼復(fù)合靶尺寸為200 mm×200 mm×115 mm(寬×高×厚)，如圖3所示。

3 試驗結(jié)果分析

制式彈和Tc復(fù)合彈分別以870 m/s和851 m/s的速度垂直侵徹陶瓷/A3鋼復(fù)合靶，陶瓷面板和第1次鋼靶毀傷情況如圖4所示，左邊為Tc復(fù)合彈侵徹情況,右邊為制式彈侵徹情況。

制式彈侵徹陶瓷面板的過程中，鋁制風(fēng)帽迅速磨蝕，彈芯直接作用陶瓷面板，使陶瓷面板產(chǎn)生軸向裂紋，并形成陶瓷錐；陶瓷錐在彈丸沖擊的推動下，作用于裝甲鋼板，裝甲鋼板對沖擊能量進(jìn)行分散和吸收，為陶瓷面板提供支撐，防止陶瓷過早發(fā)生破損，充分發(fā)揮了其抗彈性能，這個過程陶瓷面板對彈芯產(chǎn)生較大磨蝕，而且使彈丸的姿態(tài)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖4(b),嚴(yán)重影響了彈丸對后續(xù)鋼板的侵徹。

Tc復(fù)合彈在侵徹陶瓷面板的過程中，由于Tc彈頭的高強(qiáng)度、高硬度，Tc彈頭在沖擊陶瓷面板的瞬間，彈頭對陶瓷面板產(chǎn)生巨大的壓應(yīng)力，Tc彈頭破碎；陶瓷面板上的壓力波經(jīng)陶瓷-鋼板接觸面反射形成卸載波[8]，使陶瓷面板碎裂、崩落。彈芯以完整的狀態(tài)進(jìn)行后續(xù)鋼板的侵徹。從圖4(a)中可看出，Tc復(fù)合彈侵徹陶瓷面板的纖維層撕裂明顯，而制式彈則形成一個穿孔。

回收的剩余彈芯形貌如圖5所示，從圖中可直觀地看出，Tc復(fù)合彈與制式彈侵徹陶瓷/A3鋼復(fù)合靶后，彈芯前部均墩粗呈圓錐形，彈芯保持完整，且Tc復(fù)合彈彈芯頭部作用區(qū)域小于制式彈。通過對回收彈芯測量,彈芯長度比(侵徹后剩余彈芯長度/侵徹前彈芯長度)：Tc復(fù)合彈為66.32%，制式彈為59.07%；彈芯質(zhì)量比(侵徹后彈芯質(zhì)量/侵徹前彈芯質(zhì)量)：Tc復(fù)合彈為71.55%，制式彈為67.72%。從而說明Tc彈頭結(jié)構(gòu)在侵徹陶瓷復(fù)合靶時對彈芯起到了保護(hù)作用，減小了對彈芯的磨蝕，保留了較長的彈芯圓柱體，從實質(zhì)上提高了彈芯侵徹能量。

Tc復(fù)合彈與制式彈對復(fù)合靶板的毀傷數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 Tc復(fù)合彈與制式彈侵徹復(fù)合靶板的毀傷數(shù)據(jù)

注：表中數(shù)據(jù)單位為mm。

對比表1數(shù)據(jù)，雖然制式彈速度稍大，但Tc復(fù)合彈對靶板侵徹形成的彈坑比制式彈形成的彈坑略深，對后續(xù)鋼板毀傷面積也明顯大于制式彈，而且制式彈對第5層鋼靶沒有明顯毀傷，顯然Tc復(fù)合彈對靶板的毀傷效果明顯優(yōu)于制式彈。

4 沖擊壓力理論計算

分析彈丸對陶瓷靶板產(chǎn)生的沖擊波壓力值進(jìn)行理論計算，沖擊波速度與波陣面后粒子速度的Hugoniot關(guān)系式為

D=a+bu

(1)

式中：D為沖擊波波速；u為波陣面后粒子的速度；a、b分別為材料的Hugoniot參數(shù)[9-10]，如表2所示。

表2 材料的Hugoniot參數(shù)

根據(jù)撞擊時的動守恒定律和界面上的連續(xù)條件，彈丸接觸陶瓷面板瞬間，在撞擊點的壓力可以表示為[11-13]

pp=ρp(ap+bpup)up

(2)

pc=ρc(ac+bcuc)uc

(3)

pp=pc

(4)

式中：ρ為材料密度；p、u分別為沖擊壓力和質(zhì)點速度;下標(biāo)p表示彈丸；下標(biāo)c表示靶板。

而撞擊接觸面上的真實速度為

v0=up+uc

(5)

式中，v0為彈丸的著速。

由式(3)和(4)可得

(6)

式中：A=ρpbp-ρcbc;B=-(2ρpbpv0+ρpap+ρcac);C=(ρpap+ρpbpv0)v0。

利用式(2)、(3)和(6)可求出彈丸撞擊陶瓷面板上的壓力。 代入數(shù)值計算，得出在850 m/s的速度下，對陶瓷/A3鋼復(fù)合裝甲靶的瞬間沖擊壓力，Tc復(fù)合彈比制式彈高出1.3 GPa，對陶瓷面板的開坑、毀傷效果更好。

5 有限元模擬及結(jié)果分析

5.1 材料模型及參數(shù)

數(shù)值模擬采用ANSYS/LS-DYNA程序軟件，這是一款國際主流的非線性動力學(xué)分析有限元軟件，可以較好地求解這種三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞問題。計算模型使用Lagrange方式計算，有限元網(wǎng)格采用八節(jié)點六面體單元，由于侵徹過程中靶板對彈丸侵徹姿態(tài)的影響，計算采用1/2模型，在對稱面上及周邊施加約束，彈丸與靶板、靶板與靶板之間采用面-面侵蝕接觸算法(CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)，彈頭與彈芯之間采用面- 面自由接觸算法(CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE)。為提高計算效率，對彈體通過的中心區(qū)域處進(jìn)行細(xì)密處理。劃分網(wǎng)格后的彈體和靶板單元如圖6所示。

在計算時，金屬彈芯的計算模型選用J-C(MAT_JOHNSON_COOK)模型，材料參數(shù)如表3所示，和gruneisen狀態(tài)方程共同描述，這種模型適合描述材料在大變形、高應(yīng)變率下和高溫下的相關(guān)強(qiáng)度變化；陶瓷面板的計算模型選用適合描述玻璃、陶瓷等脆性物質(zhì)的破壞和損傷的JC2(MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS)模型，材料參數(shù)如表4所示。金屬背板的計算模型選用與應(yīng)變率相關(guān)、考慮失效的雙線性隨動塑性材料模型，Plastic-Kinematic模型。彈體和靶板建模單位采用cm-g- μs。

表3 制式彈材料參數(shù)

表4 Tc彈頭材料參數(shù)

5.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

用動力分析軟件LS-DYNA對彈體初速v0=850 m/s垂直侵徹陶瓷/A3鋼靶進(jìn)行數(shù)值模擬。兩種彈丸侵徹多層A3鋼靶的對比，如圖7～10所示。

由圖7可以看出，彈丸在接觸靶板瞬間，Tc復(fù)合彈對靶板產(chǎn)生的應(yīng)力明顯大于制式彈，而且制式彈彈頭在侵徹過程中迅速侵蝕；如圖8所示，制式彈彈頭侵徹過程中對靶板幾乎沒有損傷，而Tc復(fù)合彈彈頭幾乎穿透了整個陶瓷面板；結(jié)合圖9，后續(xù)侵徹過程中，對比Tc復(fù)合彈，制式彈彈芯對陶瓷面板的侵徹過程中導(dǎo)致彈芯侵徹姿態(tài)明顯的傾斜；從靶板的毀傷效果來看，如圖10所示，Tc復(fù)合彈穿透第1層A3鋼靶，對第2層A3鋼靶也有損傷，而制式彈沒有穿透第1層A3鋼靶。

圖11為彈丸加速度隨時間變化曲線，圖中a為彈芯加速度，t為彈靶作用時間。從彈芯侵徹過程中加速度曲線來看，侵徹陶瓷面板的過程中制式彈彈芯所受載荷遠(yuǎn)大于Tc復(fù)合彈，在這個過程中，Tc彈頭對彈芯有著很好的保護(hù)，Tc復(fù)合彈彈芯磨蝕更小，形態(tài)保持更加完整，而且在后續(xù)侵徹過程中Tc復(fù)合彈彈芯所受載荷也小于制式彈。

圖12為彈芯殘余質(zhì)量隨時間變化曲線。從圖12可以看出彈芯的侵蝕情況，Tc復(fù)合彈和制式彈彈芯剩余質(zhì)量比分別為69.3%和64.1%，與試驗結(jié)果非常接近。試驗研究可為以后此類研究提供參考。

6 結(jié)論

通過試驗研究了Tc復(fù)合彈對陶瓷/A3鋼復(fù)合靶的侵徹，結(jié)果表明:

1)通過撞擊試驗與數(shù)值模擬研究，采用合適理論模型計算，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合。

2) Tc彈頭在侵徹陶瓷面板過程中，對面板產(chǎn)生的沖擊壓力大，侵徹效果更好；制式彈在侵徹陶瓷面板的時，彈頭對靶板幾乎沒有損傷，而且在侵徹過程中姿態(tài)發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)。

3) Tc彈頭結(jié)構(gòu)在侵徹陶瓷/A3鋼復(fù)合靶時對彈芯起到了保護(hù)作用，減小了對彈芯的磨蝕，保留了較長的彈芯圓柱體，從實質(zhì)上提高了彈芯侵徹能量。

References)

[1]DEY S, BΦrvik T，TENG X, et al. On the ballistic resis-tance of double-layered steel plates:an experimental and numerical investigation[J]. International Journal of Solids and Structures, 2007, 44(20): 6701-6723.

[2]李守蒼，劉煒，陳智剛，等. ZrO2陶瓷件高速撞擊動態(tài)性能的研究[J]. 人工晶體學(xué)報, 2009, 38(增刊1):363- 365. LI Shoucang, LIU Wei, CHEN Zhigang, et al. Research on dynamic property of ZrO2under high-speed strike[M]. Journal of Synthetic Crystals, 2009, 38(Sup 1): 363-365.(in Chinese)

[3]付建平，楊金龍，印立魁，等.氧化鋯陶瓷子彈的高速沖擊動態(tài)性能[J].硅酸鹽學(xué)報，2016,44 (2) : 346- 352. FU Jianping, YANG Jinlong, YIN Likui, et al. Dynamic properties of zirconia ceramic bullets under high-speed impact[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2016, 44 (2): 346-352. (in Chinese)

[4]羅韶華.陶瓷復(fù)合裝甲抗侵徹機(jī)理與性能的理論與實驗研究[D].長沙:湖南大學(xué),2010. LUO Shaohua. Theory and experiment investigation on the failure mechanisms and ballistic performance of ceramic composite armor[D]. Changsha: Hunan University, 2010. (in Chinese)

[5]SHERMAN D, BEN-SHUSHAN T. Quasi-static impact damage in confined ceramic tiles[J].International Journal Impact Engineering,1998,21(4):245-265.

[6]李言語.陶瓷/金屬復(fù)合靶板抗侵徹數(shù)值分析及影響因素研究[D].南寧:廣西大學(xué),2013. LI Yanyu. Numerical analysis and factors influencing of ceramic/metal composite armour against penetration[D].Nanning:Guangxi University, 2013. (in Chinese)

[7]黃勇,汪長安.高性能多相復(fù)合陶瓷[M]. 北京:清華大學(xué)出版社，2008:13-28. HUANG Yong, WANG Chang’an,et al.High perfor-mance multiphase composite ceramics[M].Beijing:Tsing-hua Press，2008:13-28. (in Chinese)

[8]王禮力.應(yīng)力波基礎(chǔ)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2010:60-132. WANG Lili. Foundation of stress waves[M].Beijing: National Defense Industry Press，2010:60-132. (in Chinese)

[9]唐錄成.平面沖擊加載下A95陶瓷動態(tài)力學(xué)性能研究[D].重慶:重慶大學(xué),2009. TANG Lucheng. Study on dynamic behavior of A95 alumina ceramics under plane shock loading[D]. Chongqing: Chongqing University, 2009. (in Chinese)

[10]馬曉青.沖擊動力學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1992: 132-172. MA Xiaoqing. Impact dynamics[M].Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 1992: 132-172. (in Chinese)

[11]經(jīng)福謙.實驗物態(tài)方程導(dǎo)引[M]. 2版.北京：科學(xué)出版社，1999:56-175. JING Fuqian. Experimental equation of state[M]. 2nd ed.Beijing: Science Press,1999:56-175. (in Chinese)

[12]譚華.實驗沖擊波物理導(dǎo)引[M].北京: 國防工業(yè)出版社,2007:15-67. TAN Hua. Introduction to experimental shock-wave phy-sics[M]. Beijing: National Defense Industry Press，2007:15-67. (in Chinese)

[13]李大紅,王悟. 陶瓷物態(tài)方程試驗研究[J].高壓物理學(xué)報,1993,7(3):226-231. LI Dahong, WANG Wu. A study of the equation of state of alumina ceramics[J]. Journal of High Pressure Phy-sics,1993, 7(3):226-231. (in Chinese)

Experimental Investigation on Armor-piecing Performance of TcComposite Projectile to Ceramic Composite Targets

HU Diqi1，WANG Jianru1，CHEN Zhigang1，YI Rongcheng1，LU Chenghua2

(1.National Defense Key Laboratory of Underground Damage Technology, North University of China, Taiyuan 030051,Shanxi,China;2.Changzhou Sanyou Sissan Protective Materials MFG Co.,Ltd, Changzhou 213100,Jiangsu, China)

In order to improve the penetration power of the projectile to the ceramic composite armor, the armor-piercing performance of 30mm projectile with a toughened Tc warhead to the ceramic/A3 steel composite targets has been experimentally researched by adopting DOP method in comparison with the standard projectile. It mainly analyzes and compares the effects on armor-piercing performance to the ceramic/A3 steel composite targets in the context of different warhead structures and materials. Under the same conditions, a comparative analysis of the aperture and the depth of perforation as well as the residual mass of bullet core on the armor plates has been conducted. A simulation has been built and computed by ANSYS/LS-DYNA, whose results mostly meet the test results. In combination with the simulation results, further analysis on the penetration performance is conducted in terms of the residual mass of bullet core. The results show that the TC warhead has a conspicuous effect on the protection of bullet core, which offers grounds for its being applied to other warheads.

projectile; penetration; ceramic; impact dynamics; numerical simulation

2016-07-04

胡迪奇(1991—)，男，碩士研究生，主要從事彈藥毀傷及毀傷威力控制研究。E-mail：251876971@qq.com

10.19323/j.issn.1673- 6524.2017.02.015

TJ012.4

A

1673-6524(2017)02-0067-06