超高強(qiáng)度特種鋼防彈防爆性能模擬研究

宋慶軍 李文平 張林陽 王吉洋

（中國第一汽車股份有限公司材料與輕量化研究院，長春 130011）

1 前言

軍用車、安保車等特種車輛均需具備一定的抗彈、抗爆炸沖擊的能力[1]，同時(shí)在保證特種車防彈防爆性能的前提下，還需減輕防彈裝置的總質(zhì)量，以提高整車的操控性能和機(jī)動(dòng)性能，因此對(duì)特種車進(jìn)行輕量化處理也尤為重要[2]，分析不同厚度特種鋼板在給定工況下的防彈防爆性能，從而優(yōu)選出材料的最佳板厚，可顯著減輕整車質(zhì)量，提升輕量化水平。然而特種鋼板材料的研發(fā)費(fèi)用較高，需添加多種合金元素以保證超高強(qiáng)度，同時(shí)其熱處理及軋制成本相比普通鋼板也顯著提升，因此針對(duì)特種鋼板無法對(duì)多種厚度進(jìn)行逐一研發(fā)、生產(chǎn)及防彈防爆性能測(cè)試，基于此，利用有限元模擬的方法分析不同厚度特種鋼板的防彈防爆性能已經(jīng)成為特種鋼開發(fā)的主要內(nèi)容之一。

采用Abaqus有限元分析軟件，在給定工況下分析板厚對(duì)特種鋼板防彈防爆性能的影響規(guī)律，并結(jié)合具體試驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性，最終選擇出本工況下的最佳板厚，為超高強(qiáng)度特種鋼開發(fā)提供理論支撐。

2 防彈性能模擬

2.1 有限元模型

子彈侵徹鋼板是一個(gè)高速撞擊問題，伴隨著大應(yīng)變、高應(yīng)變率、高溫等高速?zèng)_擊特性[3]，Johnson-Cook材料模型能很好地描述金屬材料的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)和失效斷裂行為，采用該模型模擬特種鋼板的力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，其流動(dòng)應(yīng)力σ和失效應(yīng)變?chǔ)舊的表達(dá)式如下。

式中，A、B、C、m、n為材料參數(shù)；ε*=ε/ε0為無量綱系數(shù)，ε為有效塑性應(yīng)變率，ε0為參考塑性應(yīng)變率；Tm=(T-Tr)(Tm-Tr)為無量綱系數(shù)，Tm、Tr分別為材料的熔點(diǎn)溫度與參考溫度；D1～D5為失效參數(shù)；σ*為應(yīng)力三軸度。

Johnson-Cook材料模型采用累計(jì)損傷描述材料的失效斷裂，其表達(dá)式如下。

式中，D為累計(jì)損傷系數(shù)；Δεp為等效塑性應(yīng)變?cè)隽?；εf為失效應(yīng)變。當(dāng)0＜D＜1時(shí)材料發(fā)生損傷，當(dāng)D=1時(shí)材料斷裂失效，本研究采用的Johnson-Cook模型參數(shù)如表1所示。

表1 Johnson-Cook模型參數(shù)

對(duì)于特種鋼板防彈性能模擬，采用鋼板尺寸為300 mm×300 mm，厚度分別為4.5 mm、4.8 mm、5.0 mm、5.5 mm，利用79式狙擊步槍發(fā)射53式7.62 mm普通鋼芯尖頭彈，射擊距離10 m，子彈初速度為820 mm/s，相對(duì)鋼板的入射角分別為45°和90°，子彈與鋼板間的摩擦系數(shù)為0.3，鋼板四周完全固定約束，仿真幾何模型如圖1所示。

圖1 不同子彈入射角幾何模型

2.2 子彈與鋼板作用過程

在本研究給定的防彈工況下，子彈與鋼板的作用過程如圖2所示，首先子彈以820 mm/s的速度轟擊鋼板并與鋼板接觸，接著子彈開始向鋼板內(nèi)部充塞，期間鋼板由于受到很大的沖擊載荷而發(fā)生失效斷裂，子彈也會(huì)產(chǎn)生很大的塑性變形，其速度逐漸降低，能量由著彈點(diǎn)位置向四周輻射，最終子彈的速度降為0，完全鑲嵌在鋼板內(nèi)部，而當(dāng)子彈速度過快，鋼板強(qiáng)度過低或厚度過小時(shí)，也會(huì)存在子彈完全擊穿鋼板的可能。由子彈與鋼板的作用過程可知，鋼板的強(qiáng)度、沖擊韌性和板厚都是影響其防彈性能的重要指標(biāo)，較高的強(qiáng)度、沖擊韌性及合適的板厚都有助于提升其防彈性能，因此當(dāng)給定了材料種類時(shí)，選擇合適的板厚可有效提升特種鋼板防彈性能，并提升其輕量化水平。

圖2 子彈與鋼板作用過程

2.3 仿真模擬結(jié)果

2.3.1 子彈45°入射

子彈以820 mm/s的速度、45°入射角射入鋼板，在鋼板厚度為4.5 mm、4.8 mm、5.0 mm、5.5 mm的條件下，其擊穿情況如圖3所示，可以看出當(dāng)厚度為4.5 mm時(shí)，鋼板被子彈擊穿，而當(dāng)厚度為4.8 mm、5.0 mm、5.5 mm時(shí)，鋼板均未被擊穿，在鋼板表面形成了明顯的彈痕，其對(duì)應(yīng)的彈坑深度及彈痕直徑如表2所示，隨著鋼板厚度的增加，彈坑深度和彈痕直徑均呈明顯的下降趨勢(shì)，其防彈性能明顯增強(qiáng)。

表2 45°入射對(duì)應(yīng)的彈坑深度及彈痕直徑 mm

圖3 45°入射時(shí)的鋼板擊穿情況

2.3.2 子彈垂直入射

子彈以820 mm/s的速度、垂直射入鋼板，在鋼板厚度為4.5 mm、4.8 mm、5.0 mm、5.5 mm的條件下，其擊穿情況如圖4所示，與45°入射的結(jié)果相似，當(dāng)厚度為4.5 mm時(shí)，鋼板同樣被子彈擊穿，而當(dāng)厚度為4.8 mm、5.0 mm、5.5 mm時(shí)，鋼板均未被擊穿，其對(duì)應(yīng)的彈坑深度及彈痕直徑如表3所示，可見隨著鋼板厚度的增加，彈坑深度和彈痕直徑也均呈明顯的下降趨勢(shì)，其防彈性能明顯增強(qiáng)。

圖4 垂直入射時(shí)的鋼板擊穿情況

表3 垂直入射對(duì)應(yīng)的彈坑深度及彈痕直徑 mm

綜合上述45°入射和垂直入射的仿真結(jié)果，當(dāng)厚度為4.5 mm時(shí)，鋼板均被擊穿；厚度為4.8 mm、5.0 mm、5.5 mm時(shí)，鋼板均未被擊穿，可以起到防彈作用。綜上，選擇厚度為4.8 mm的特種鋼板進(jìn)行抗彈試驗(yàn)，驗(yàn)證上述仿真結(jié)果，并基于防彈性能和輕量化效果對(duì)鋼板厚度進(jìn)行優(yōu)化。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

選擇厚度為4.8 mm的高強(qiáng)特種鋼板，在前文所述的防彈工況下分別進(jìn)行45°射擊和垂直射擊，得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，可以看出兩種工況下鋼板均未被擊穿，也未產(chǎn)生明顯的沖擊裂紋，其表面形貌與仿真結(jié)果接近，2種工況下的彈坑深度和彈痕直徑如表4所示，可見試驗(yàn)值與模擬值相當(dāng)，兩者誤差在10%以內(nèi)。綜上，本文選擇的有限元模型可以較好地模擬鋼板防彈過程，4.8 mm的板厚是防彈工況下的最佳板厚。

圖5 兩種射擊角度下鋼板的防彈情況

表4 兩種射擊角度對(duì)應(yīng)的彈坑深度及彈痕直徑

3 防爆性能模擬

3.1 有限元模型

在防彈性能模擬的基礎(chǔ)上，本研究選擇厚度分別為4.8 mm和5.0 mm的鋼板進(jìn)行防爆性能模擬，其幾何模型如圖6所示，將尺寸為500 mm×500 mm的鋼板放置于4根高度為200 mm的支撐筒上，鋼板正下方的地面上放置2枚82-2手雷，其TNT當(dāng)量為62 g，爆炸載荷采用Abaqus軟件自帶的CONWEP算法進(jìn)行模擬，該算法相對(duì)于ALE算法的優(yōu)點(diǎn)是不必定義炸藥方程來模擬爆炸壓力，也不必構(gòu)建空氣模型來模擬爆炸沖擊波在空氣中的傳播過程，計(jì)算成本低，適用于遠(yuǎn)距離爆炸的仿真[4]。鋼板的失效斷裂行為仍采用Johnson-Cook材料模型來描述，其模型參數(shù)如表1所示，爆炸過程仿真時(shí)間3 ms，通過鋼板的彎曲變形、表面是否破裂及中部拱起量指標(biāo)來評(píng)價(jià)鋼板的防爆性能。

圖6 鋼板防爆性能模擬幾何模型

3.2 仿真模擬結(jié)果

在本研究防爆工況下，4.8 mm和5.0 mm厚度的鋼板經(jīng)爆炸后的變形云圖如圖7所示，可以看出鋼板表面均未產(chǎn)生破裂現(xiàn)象，但受到爆炸沖擊波的影響，鋼板均產(chǎn)生了一定的彎曲變形，具體表現(xiàn)為四周變形量小、中部變形量大，具有明顯的中部拱起特征，其拱起量如表5所示，4.8 mm和5.0 mm厚度的鋼板中部拱起量分別為18.06 mm和16.95 mm，兩者相差約為1 mm，均滿足拱起量小于20 mm的設(shè)計(jì)目標(biāo)。綜上，4.8mm和5.0 mm厚度的特種鋼板均可滿足本研究的防爆性能指標(biāo)。

圖7 兩種厚度鋼板經(jīng)爆炸后的變形云圖

表5 鋼板爆炸變形后的中部拱起量 mm

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于輕量化的考慮，選擇4.8 mm厚度的特種鋼板進(jìn)行防爆試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置及爆炸工況與仿真模型相同，如圖8所示，爆炸后鋼板的宏觀變形和迎爆面的表面狀態(tài)分別如圖9和圖10所示，可以看出鋼板受爆炸沖擊波的影響產(chǎn)生了一定的彎曲變形，表面分布大量的鋼珠彈痕，但不存在裂紋及穿透現(xiàn)象，對(duì)變形后的鋼板進(jìn)行測(cè)量，其中部拱起高度為17.49 mm，與模擬的18.06 mm拱起量相當(dāng)。綜上，利用上述防爆試驗(yàn)驗(yàn)證了4.8 mm厚度的鋼板具有本試驗(yàn)工況下優(yōu)良的防爆性能。

圖8 防爆試驗(yàn)裝置

圖9 爆炸后鋼板宏觀變形

圖10 鋼板迎爆面表面狀態(tài)

4 結(jié)論

以Abaqus有限元分析軟件為平臺(tái)，對(duì)某超高強(qiáng)度特種鋼板防彈及防爆性能進(jìn)行模擬及試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論。

a.利用Johnson-Cook材料模型和CONWEP算法可以很好地描述材料的失效斷裂行為和爆炸沖擊行為，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本相當(dāng)。

b.本研究防彈工況下，4.5 mm厚度的鋼板被擊穿，4.8 mm、5.0 mm和5.5 mm厚度的鋼板未被擊穿，且隨著板厚的增加，彈坑深度和彈痕直徑呈減小趨勢(shì)，其防彈性能隨之增強(qiáng)。

c.本研究防爆工況下，4.8 mm和5.0 mm厚度的鋼板均未產(chǎn)生表面裂紋及穿透現(xiàn)象，中部拱起量均小于20 mm，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

d.基于輕量化及防彈防爆性能考慮，本研究試驗(yàn)條件下的特種鋼板最佳厚度為4.8 mm。