李小軍，李 偉，謝長友，蓋希強(qiáng)，王江波，高光發(fā)

(1 軍事科學(xué)院防化研究院，北京 102205；2 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

0 引言

金屬材料具有廣泛的應(yīng)用范圍，同時也是軍用防護(hù)材料使用最多的材料，45#鋼是一種中碳優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的綜合力學(xué)性能。胡昌明等[1]、陳剛等[2-3]對45#鋼進(jìn)行一系列動靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)，擬合了J-C本構(gòu)模型的參數(shù)；王麗娟等[4]分析了45#鋼高速沖擊下的變形動態(tài)響應(yīng)。

單層和多層靶板的抗侵徹性能已經(jīng)引起研究者的注意，Radin等[5]對單層和多層鋁靶抗鈍頭和錐形彈進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)抗侵徹性能隨著分層降低，即單層靶的抗侵徹性能高于相同總厚度的多層靶。Teng等[6]使用ABAQUS建立了仿真模型，對單層和雙層靶抗平頭和錐頭彈體的侵徹性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，分層結(jié)構(gòu)提高了靶板對平頭彈的抗侵徹性能。鄧云飛等[7-8]等研究了單層板和接觸式三層板對平頭彈和卵形彈的抗侵徹性能，分析了靶體結(jié)構(gòu)對靶體抗侵徹性能和失效模式的影響。Deng[9-11]等研究了層數(shù)、彈丸強(qiáng)度、層數(shù)間隙對鋼板抗沖擊的影響同時也對彈丸的穿孔行為進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

文中在上述研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行了長桿彈侵徹半無限靶板的仿真與試驗(yàn)對比研究，驗(yàn)證了材料參數(shù)的有效性和準(zhǔn)確性，基于驗(yàn)證后的45#鋼材料模型，利用ANSYS/LS-DYNA大型有限元軟件，對靶板分層厚度與彈丸直徑之比T/D抗平頭彈的侵徹性能進(jìn)行數(shù)值模擬，得到每種工況下的侵徹深度，分析了不同速度下靶板分層厚徑比的最佳抗侵徹性能，為復(fù)合多層裝甲的防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 仿真計(jì)算模型

1.1 幾何模型

彈體直徑D為6 mm，長度L為60 mm，靶板直徑為10D，即建立長徑比(L/D)為10的平頭長桿彈和直徑為60 mm一系列不同厚度T的靶板。圖1為不同T/D靶板的示意圖。

圖1 不同T/D的仿真幾何模型示意圖

當(dāng)T/D=1時，圖1中的T就為6 mm，總靶板由15個分層靶板組成。由于彈體、靶板及加載方向的對稱性，建立了1/4的實(shí)體模型，采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元和 Lagrangian算法，長桿彈和靶板的材料都為45#鋼。在靶板的邊界上施加固定約束，彈體與靶板、靶板之間采用單面侵蝕接觸，關(guān)鍵字為CONTACT_ERODING_SINGLE_SURFACE，此接觸算法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算時間快，特別適用于接觸數(shù)量多、規(guī)律性研究的仿真計(jì)算。

1.2 材料模型

彈體和分層靶板均采用Johnson-Cook(J-C)模型，本構(gòu)方程為:

(1)

表1 彈丸和靶板45#鋼材料主要參數(shù)

2 模型驗(yàn)證

利用25 mm口徑軌道炮進(jìn)行了彈芯直徑為6 mm、彈長為90 mm的桿彈侵徹直徑為80 mm、厚度為110 mm的45#鋼靶板試驗(yàn)，采用高速攝影觀察長桿彈的飛行姿態(tài)和著靶角度，并測量彈丸的飛行速度，圖2為試驗(yàn)所用彈丸的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 脫殼穿甲彈結(jié)構(gòu)圖

圖3 彈丸飛行過程高速攝像圖

圖3為長桿彈從發(fā)射到侵徹靶板過程中的高速攝像圖，可以看出彈丸在整個飛行過程中飛行穩(wěn)定，出炮口后彈托已經(jīng)開始張開(圖3中第1階段)，經(jīng)過一段距離的飛行，彈托已經(jīng)分離(圖3中第3階段)，但由于靶板距炮口只有2 m的距離，導(dǎo)致彈芯和彈托并不能完全分離，但這并不影響彈芯的侵徹；在侵徹靶板時彈丸著靶角為0°，即彈丸垂直侵徹靶板(圖3中第4階段)。

利用LS-DYNA仿真軟件建立與試驗(yàn)條件相同的1/4仿真模型，并在對稱面上施加對稱約束，靶板的側(cè)邊施加固定約束，模擬靶板被固定的條件。圖4為桿彈速度為1 516.2 m/s時靶板的侵徹試驗(yàn)和仿真結(jié)果對比圖，從圖中可以看出，試驗(yàn)侵徹深度與仿真結(jié)果對比較好，且彈坑形狀也相同，但初始的彈坑直徑不同，這是由于仿真模型中沒有考慮彈丸的圓錐尾翼。

圖4 速度為1 516.2 m/s時試驗(yàn)與仿真對比圖

圖5為不同速度V桿彈侵徹靶板侵徹深度P的試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對比圖，從圖中可以看出，試驗(yàn)侵徹深度與仿真絕大多數(shù)相差在2%以內(nèi)，值得注意的是當(dāng)速度為1 316.9 m/s時，仿真與試驗(yàn)侵徹深度相差7.2%。

圖5 不同速度桿彈侵徹靶板仿真試驗(yàn)侵徹深度圖

根據(jù)圖4和圖5，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)彈坑和數(shù)值模擬彈坑基本一致，試驗(yàn)侵徹深度和數(shù)值模擬侵徹深度相差較小，并且隨著速度的增加，兩者侵徹深度的增加具有很好的一致性，驗(yàn)證了仿真模型和材料參數(shù)的有效性和準(zhǔn)確性，同時說明數(shù)值仿真模型能夠準(zhǔn)確的描述長桿彈侵徹試驗(yàn)。

3 仿真結(jié)果分析與討論

圖6為T/D=1的靶體分層厚度在不同速度下侵徹后剩余的彈體圖，由于靶板的可變形性和桿彈在侵徹過程中的塑性流動變形導(dǎo)致桿彈侵徹端面出現(xiàn)外翻現(xiàn)象，呈現(xiàn)蘑菇頭形狀，值得注意的是，隨著速度的增大，桿彈的剩余彈體也越來越少，桿彈頭部外翻的也越多。

圖6 不同速度桿彈侵徹T/D=1靶后剩余彈體

圖7為桿彈以1 600 m/s的速度撞擊T/D=1靶體結(jié)構(gòu)的典型過程圖，分別截取了桿彈穿過每層靶板的Mises應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，靶體的變形主要是局部變形，整體靶板的變形很小，當(dāng)靶板穿過第1層靶板時，第2塊靶板已經(jīng)發(fā)生了塑性流動，靶板的正面已經(jīng)出現(xiàn)凹坑，背面有鼓起的部分，但由于后續(xù)靶板的作用力，導(dǎo)致凸起部分不太明顯；當(dāng)彈丸完全侵徹貫穿1層靶板時，靶板中間向上隆起，第1層最為明顯，后續(xù)隆起高度逐漸變小。

圖7 靶體T/D=1時的典型侵徹過程

圖8為不同速度桿彈侵徹靶體厚徑比為T/D=1時的速度和加速度時程曲線，由圖8可以看出，侵徹速度越大，侵徹停止的時間越快，侵徹過程中的最大加速度也較大;當(dāng)桿彈速度為600 m/s時，桿彈的加速度近似于一個定值，當(dāng)速度大于800 m/s時，彈丸的速度和加速度歷程具有一定的相似性。

圖8 靶體結(jié)構(gòu)T/D=1時侵徹速度和加速度曲線

圖9為長桿彈侵徹T/D分別為0.5，0.75，1，2，3，4，5，6，7，10分層靶板的侵徹深度曲線，從圖中可以看出，隨著速度的增加，每種分層靶板的侵徹深度都隨之增大，且增加趨勢具有一致性；在速度低于1 000 m/s時，所有分層靶板的侵徹深度隨速度的增加較慢，而速度在1 000～1 600 m/s時，侵徹深度隨桿彈速度的增加增大較快，趨于直線增加；在低速情況下，所有分層靶板的抗侵徹性能相差不大，但在速度大于1 200 m/s時，靶板分層T/D(≤1)的值越小，侵徹效率越高。

圖9 不同T/D靶板的速度與侵徹深度曲線

為了更直觀地觀察靶板不同分層的抗侵徹性能，圖10給出了靶板分層厚徑比與侵徹深度在不同速度下桿彈侵徹的深度，由圖可以看出，在速度為600 m/s,800 m/s和1 000 m/s時，不同分層靶板的抗侵徹能力相差不大，但存在一個最小侵徹深度分層厚徑比，即T/D=6時，桿彈的侵徹深度最小，靶板的抗侵徹效率最高；當(dāng)速度為1 200 m/s,1 400 m/s和1 600 m/s，T/D<1時，侵徹深度急劇增加，分別增加了9%,11.7%和5%，同樣存在一個最小的侵徹深度分層厚徑比，即在T/D=5時侵徹深度最小，即靶板的抗侵徹性能最好，值得說明的是，速度為1 400 m/s時，侵徹深度最小的是T/D=7，但與T/D=5時的侵徹深度相差為0.75%，可以認(rèn)為最佳抗侵徹分層厚徑比為T/D=5。

圖10 分層結(jié)構(gòu)T/D與侵徹深度的關(guān)系圖

4 結(jié)論

研究了不同分層靶板厚徑比對直徑為6 mm、長徑比為10的長桿彈的抗侵徹性能，分析了靶體的最佳抗侵徹分層厚徑比，得到以下結(jié)論：

1)進(jìn)行對比試驗(yàn)，證明采用合適的材料模型進(jìn)行仿真可以有效的研究靶板的抗侵徹性能。

2)對每種厚徑比分層靶板進(jìn)行了不同速度下的抗侵徹?cái)?shù)值模擬，仿真結(jié)果表明：當(dāng)速度在600～1 000 m/s范圍內(nèi)，抗侵徹性能最好的靶板分層厚徑比為T/D=6，當(dāng)速度高于1 000 m/s時，最佳靶板分層厚徑比為T/D=5。

3)分析靶體分層T/D=1時的速度和加速度時程曲線，發(fā)現(xiàn)速度越高，桿彈侵徹過程中最大加速度越大，侵徹完成的時間越短。

此外，由于金屬材料具有嚴(yán)格的幾何相似率，文中研究的是45#鋼桿彈侵徹45#鋼分層靶板的抗侵徹規(guī)律，故得到的結(jié)論可以對其他口徑的桿彈抗侵徹研究具有一定的參考意義。