多層靶板抗不同形狀高速破片侵徹性能研究

屈科佛，姚 勇,b，鄧勇軍,b，劉洋村

(西南科技大學(xué) a.土木工程與建筑學(xué)院；b.工程材料與結(jié)構(gòu)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621000)

多層防護(hù)結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于軍事與民用領(lǐng)域，如軍事艦船、航天飛行器等[1-4]。其中，在軍事戰(zhàn)車(chē)上主要裝配的是疊合式多層防護(hù)結(jié)構(gòu)[2-3]，而在航天器壁配備的多是間隔式多層防護(hù)結(jié)構(gòu)[4]；同時(shí)，在真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的破片和在空間中的航天器碰撞產(chǎn)生的碎片多為不規(guī)則的形狀，且速度高達(dá)2 km/s[1]，因此，破片形狀及層間隔對(duì)多層防護(hù)結(jié)構(gòu)抗侵徹性能影響的研究具有重要的意義。

在關(guān)于破片形狀侵徹性能的研究中，蔡振華等[5]建立了柱形破片侵徹鋁板的數(shù)值模型，魏繼鋒等[6]對(duì)鎢合金柱形破片侵徹多層鋁合金間隙靶板進(jìn)行了試驗(yàn)研究；米雙山等[7]研究了鎢球侵徹鋁合金靶板，給出了鎢球和LY-12鋁合金的材料參數(shù)；任新聯(lián)等[8]對(duì)立方體破片侵徹多層LY-12鋁合金靶板進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；王祝波等[9]通過(guò)數(shù)值模擬研究了，球形、圓柱形、立方體形破片侵徹單層鋼靶，指出立方體破片速度、動(dòng)能衰減最大，對(duì)后效毀傷效能有較大影響。

在關(guān)于層間隔對(duì)多層防護(hù)結(jié)構(gòu)的研究中，宜晨虹等[10]對(duì)立方體鎢合金破片高速侵徹間隔和疊層鋁靶進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并指出間隔鋁抗侵徹性能優(yōu)于疊層鋁；Liu等[11]對(duì)EFP彈侵徹鋼板展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)與模擬研究，并指出間隙提高了多層結(jié)構(gòu)的抗侵徹性能；Deng等[12]通過(guò)對(duì)尖卵形彈體侵徹多層鋼板的實(shí)驗(yàn)研究，指出疊合式多層結(jié)構(gòu)抗侵徹能力優(yōu)于間隔式。

綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同形狀破片侵徹金屬靶板問(wèn)題展開(kāi)了一定的研究，但多集中于單一破片形狀侵徹金屬靶板或多形狀破片侵徹單層金屬靶板，對(duì)多種破片形狀侵徹多層金屬靶板防護(hù)結(jié)構(gòu)的研究，還需進(jìn)一步探索；同時(shí)，現(xiàn)有研究結(jié)論中，針對(duì)間隔對(duì)多層防護(hù)結(jié)構(gòu)的影響尚無(wú)明確的結(jié)論，不同學(xué)者針對(duì)不同形狀彈體侵徹間隔式與疊合式多層防護(hù)結(jié)構(gòu)，得出了不同的結(jié)論，因此間隔對(duì)多層防護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，需要進(jìn)一步探究。

本文針對(duì)不同的形狀破片侵徹間隔式和疊合式多層靶板展開(kāi)了研究，以期為多層防護(hù)結(jié)構(gòu)抗侵徹設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)值模擬建模與模型驗(yàn)證

選取鎢合金球形破片以2 km/s高速侵徹4層間隔式鋁合金多層靶為驗(yàn)證工況，間隔靶板間距為10 mm。具體建模及實(shí)驗(yàn)設(shè)置如下。

1.1 數(shù)值模擬建模

采用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行建模，模型包含破片與靶板兩個(gè)部分，均采用3D solid 實(shí)體單元建模。破片形狀為球形(直徑8 mm)，靶板為長(zhǎng)方體形(長(zhǎng)200 mm、寬200 mm、厚12 mm)，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間建立1/4尺寸模型，對(duì)稱(chēng)界面施加對(duì)稱(chēng)邊界，靶板四周為固定邊界。模型采用四面體八節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分，破片采用均勻網(wǎng)格劃分；靶板中心侵徹區(qū)域(2倍直徑范圍)網(wǎng)格與破片網(wǎng)格尺寸保持一致，沿中心向邊緣非侵徹區(qū)域網(wǎng)格逐步稀疏，以提高計(jì)算效率。彈靶接觸算法設(shè)置為面面侵蝕接觸。建模示意圖如圖1。

圖1 模型示意圖

破片材料選取侵徹能力極強(qiáng)、具有自銳性能的93鎢合金[15]，靶板材料選用輕質(zhì)高強(qiáng)、廣泛應(yīng)用于航空航天的2024Al鋁合金[14]。鎢合金破片和鋁合金靶板均采用Johnson-Cook本構(gòu)模型，Grüneisen狀態(tài)方程，以反映在高速撞擊作用下材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。模型主要參數(shù)取值如表1。

表1 鎢合金和鋁合金的Johnson_Cook模型主要參數(shù)[7,9,13-14]

1.2 驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)置

驗(yàn)證工況與模擬相同，選取鎢合金球型破片，在二級(jí)輕氣炮驅(qū)動(dòng)下，以2 km/s速度侵徹間隔式4層鋁合金多層靶板。球型破片直徑8 mm，質(zhì)量5 g。鋁板邊長(zhǎng)200 mm×200 mm，厚12 mm，四角開(kāi)圓形孔洞，以方便固定。靶板間隔，由層間穿插內(nèi)空的鋼板實(shí)現(xiàn)，間隔鋼板邊長(zhǎng)200 mm×200 mm，厚10 mm，中心位置掏空，四角開(kāi)圓形孔洞。螺絲桿依次穿過(guò)鋁板與間隔鋼板的四角孔洞將板組合成間隔式結(jié)構(gòu)，并固定在基座上。試驗(yàn)布置，如圖2所示。

圖2 侵徹試驗(yàn)布置示意圖

1.3 模擬結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

由圖3可知：鎢合金球型破片侵徹間隔鋁合金靶板至第4層，靶板開(kāi)孔峰值出現(xiàn)在第2層靶板，后續(xù)靶板孔徑逐步減小。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比，各層靶板開(kāi)孔直徑大小基本吻合(最大誤差0.12)，且各層靶板孔徑大小變化趨勢(shì)一致，均為第二層板孔徑大小突增至峰值，后續(xù)孔徑大小逐步減小。此外，從靶板破孔形貌對(duì)比，鋁板破孔底部，局部緊縮斷裂后內(nèi)翻生成的環(huán)狀剪切口形態(tài)相似性也較一致。

結(jié)構(gòu)侵徹深度是防護(hù)能力重要的參考指標(biāo)，圖4展示了鎢合金球形破片對(duì)4層鋁合景靶板侵徹深度的模擬與試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)對(duì)比可知，破片穿透3層鋁合金靶板，停滯在第4層靶板，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果符合度較好。

綜上，通過(guò)鎢球?qū)?層鋁板高速侵徹的數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確有效。

圖3 靶板開(kāi)孔直徑的模擬與試驗(yàn)結(jié)果

圖4 靶板侵徹深度的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 破片形狀多層靶板抗侵徹性能影響

為研究破片形狀對(duì)多層靶板抗侵徹性能的影響，選用3種典型的破片形狀，即球形、立方形和圓柱形，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。3種破片質(zhì)量均為5 g，材料為鎢合金，侵徹速度采用2 km/s，侵徹位置均為靶板中心，以控制對(duì)照變量的單一性。同時(shí)，為研究間隔對(duì)多層防護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，分別設(shè)置間隔式和疊合式2種多層靶板結(jié)構(gòu),多層靶板均由4層鋁合金板構(gòu)成，保證結(jié)構(gòu)面密度一致，其中間隔式多層靶板結(jié)構(gòu)，板間隔為10 mm；疊合式多層靶板結(jié)構(gòu)板間緊貼沒(méi)有間隔。試驗(yàn)工況設(shè)置，如表2。

表2 模擬工況設(shè)置

2.1 破片形狀的影響

如圖5所示，在高速正侵徹條件下，無(wú)論板間有無(wú)間隔，圓柱形破片對(duì)多層靶板侵徹深度最小，侵徹能力最弱；立方體形破片次之；球形破片對(duì)多層靶板侵徹深度最大，侵徹能力最強(qiáng)。

這是由于，在彈靶接觸時(shí)不同形狀的破片，將產(chǎn)生不同的剪應(yīng)力，剪應(yīng)力方向、大小和范圍都不同，反應(yīng)在靶板彈坑的孔徑的不同，因此各形狀破片在開(kāi)坑階段耗能不同。由此，在侵徹深度上，反映出一定的差異。

圖5 各工況侵徹深度

2.2 層間隔的影響

由圖6可知：在高速正侵徹條件下，無(wú)論破片形狀如何，破片對(duì)間隔式多層靶板的侵徹深度均低于疊合式多層靶板，間隔式多層靶板抗侵徹能力強(qiáng)于疊合式靶板。

間隔式多層靶板侵徹深度低于疊合式多層靶板的主要原因是：1)間隔的出現(xiàn)，中斷了破片對(duì)后部靶板的持續(xù)侵徹，造成破片的重復(fù)開(kāi)坑過(guò)程，而開(kāi)坑過(guò)程比侵徹過(guò)程需要耗費(fèi)更多的能量[16]；2)侵徹過(guò)程中，彈靶相互作用形成的碎屑流攜帶大量的熱能和動(dòng)能，耗散在板間的空氣間隔；3)鋁合金塑性變形好，在彈道極限附近，破片的剪切沖塞使靶板背部產(chǎn)生較大凸起，如圖6(a)，而在疊合式多層靶板中，后板的支撐力阻礙前板變形，降低了前板的塑性變形吸能。

圖6 各工況模擬侵徹結(jié)果

3 結(jié)論

1)不同破片形狀對(duì)多層靶板的侵徹能力不同，在高速正侵徹條件下，球形破片侵徹能力最強(qiáng)，立方形破片次之，圓柱形破片最弱。

2)在高速正侵徹條件下，間隔式多層靶板抗侵徹能力強(qiáng)于疊合式多層靶板。