破片形状对复合靶抗侵彻性能影响的实验研究

周 楠，王金相，谢 君，彭楚才

（南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室，南京210094）

在军用和民用防护领域中，使用具有高强度的薄金属板，如均质靶板和有、无间距的层合靶板作为防护材料已具有很长的历史。功能梯度装甲的概念于20世纪90年代首先提出［1］，目前，各国均对其开展了广泛的研究工作。在此期间，不同理论计算模型被提出以研究复合靶板的抗侵彻性能［2－3］，实验和数值计算方法被广泛用以研究复合靶板在弹丸侵彻作用下的毁伤模式和破坏机理［4－7］，同时，针对复合靶板的局部剪切冲塞破坏［8－9］和弹丸形状对靶板抗侵彻性能的影响［10］也开展了一定的研究；在国内，对爆炸复合功能梯度靶板的制备技术及防护性能也开展了初步的实验研究［11－12］。上述工作的开展丰富了穿甲力学、终点弹道学和高压物理学等学科的研究内容，具有重要的学术意义。在军事领域中，功能梯度复合靶可用于半硬目标的防护，有助于实现轻质、高效的防护目标，也可用于运钞车、流动银行等民用领域，具有较高的应用价值。然而，综合当前国内外的研究，不难发现：到目前为止，在综合考虑靶板厚度、分布及组合方式，破片形状和界面结合强度等因素的情况下，对爆炸复合靶板抗侵彻性能与机理的研究工作尚不够系统和深入。

本文的研究对象——爆炸复合靶是由2种或2种以上不同硬度的金属板经爆炸焊接方法制备而成的具有较高面－面结合强度的复合靶。借助于弹道实验分析了不同形状破片侵彻作用下双层钢／铝爆炸复合靶的毁伤机理和破坏模式，讨论了破片形状、动能和靶板厚度分布等因素对抗侵彻性能的影响。

1 弹道实验

实验中所采用的破片和弹托如图1所示，复合靶板厚度组合如表1所示，表中δ为厚度，共采用2组厚度组合靶板。实验采用14.5mm滑膛枪发射直径6mm的钢质球形破片和边长4.2mm的钢质立方体破片垂直侵彻复合靶板，通过调节装药量来控制破片发射速度，为有效评估靶板的抗侵彻性能，对同一靶板进行5～7次弹击实验，破片发射以后，弹托经弹托回收器回收，靶板前后分别放置2组测速靶，用于测量破片入射速度和残余速度。实验现场装置如图2所示。

表1 靶板层数和厚度组合

图1 球形破片和立方体破片结构图

图2 实验装置图

2 复合靶板毁伤机理研究

不同形状破片贯穿靶板前后的形貌如图3所示，不难看出，球形破片几乎无变形，而立方体破片变形明显。

图3 不同形状破片侵彻靶板前后实验形貌图

当球形破片和立方体破片以不同初速v0侵彻复合靶板时，靶板毁伤形态的实验结果分别如图4和图5所示，可以看出，对于双层钢／铝复合靶板而言，无论是在球形破片还是立方体破片的侵彻作用下，复合靶板的破坏模式和毁伤机理几近相同，即在破片的垂直侵彻作用下，钢面板受撞击局部发生应力集中现象，当应力大于钢面板的最大屈服强度时，钢面板发生剪切冲塞破坏；随着侵彻的深入，破片开始侵彻铝背板，由于铝板具有较好的延性，在破片的侵彻作用下发生延性扩孔破坏。同时，在破片的侵彻作用下，复合靶板的结合界面发生撕裂破坏，消耗破片的侵彻动能。所以，钢面板的剪切冲塞耗能、铝背板的延性扩孔耗能和结合界面的撕裂耗能是提高靶板抗侵彻性能的主要机理。

图6给出了复合靶S3Al2（即复合靶板的组合为3mm厚的钢面板和2mm厚的铝背板）在不同形状破片以不同初速侵彻作用下的弹孔径向变形曲线图，图中r为弹孔径向位移，y为弹孔沿侵彻方向的变形量。从图中可以看出，当球形破片以364m／s初速侵彻复合靶板S3Al2时，靶板未被贯穿，实验结果较好地反映了弹坑的变形形貌；当球形破片的入射速度为645m／s时，靶板被完全穿透，弹孔径向变形量随着距弹孔中心距离的减小而增大。对于立方体破片而言，当破片初速达到698m／s时，复合靶板仍未贯穿；当破片初速提高到935m／s时，复合靶板被完全穿透。

图4 球形破片侵彻时靶板毁伤实验结果

图5 立方体破片侵彻时靶板毁伤实验结果

图6 弹孔径向变形实验结果

3 复合靶板抗侵彻性能研究

3.1 破片形状和动能的影响

本文中，球形破片的质量（0.885g）较立方体破片（0.58g）增加了52.6%，也就是说，在相同初速下，球形破片的侵彻动能提高了52.6%。为考察破片侵彻动能对复合靶板抗侵彻性能的影响，实验中，通过调节装药量来控制不同形状破片的初始动能在大致相等的范围内，侵彻复合靶板后剩余动能Er与初始动能E0的实验结果如图7所示。

从图7中可以看出，对于不同形状的破片而言，侵彻动能的提高均有利于破片对复合靶板的侵彻与贯穿；对于相同厚度组合的复合靶板而言，不同形状破片的动能对靶板的抗侵彻性能具有较明显的影响。对于复合靶S4Al1而言，当球形破片的初始动能高于104J时，靶板开始出现贯穿现象；而当立方体破片侵彻相同组合的靶板时，其初始动能达到185.6J时，较球形破片提高了78.5%，靶板才被穿透。同样地，对于复合靶S3Al2，立方体破片需要更大的初始动能才能完全贯穿靶板。这说明，对于立方体破片而言，若要完全侵彻靶板，需要比球形破片更大的初始动能，也就是说，当立方体破片侵彻靶板时，相同组合的复合靶板具有更佳的抗侵彻性能。所以，复合靶板抗立方体破片侵彻性能优于抗球形破片侵彻性能。这可能是由于立方体破片在侵彻过程中发生了较大的变形，所受到的阻力也更大，所以穿透靶板需要更高的动能。

图7 破片初始动能与剩余动能变化关系

当球形破片和立方体破片分别侵彻不同组合的复合靶板时，不同厚度组合靶板的抗侵彻性能表现出不同的变化规律。对于球形破片而言，当初始动能为70.8J时，靶S3Al2被完全贯穿；而当初始动能为104J时，靶S4Al1才开始穿透。相反地，对于立方体破片而言，完全贯穿靶S3Al2较靶S4Al1需要更大的动能，这也是与球形破片的不同之处。所以，当破片不同时，厚度组合对复合靶抗侵彻性能的影响表现出不同的变化规律，应区别对待。

3.2 靶板厚度分布的影响

当靶板总厚度（5mm）保持不变时，因靶板厚度分布不同，为比较分析厚度分布对复合靶板在不同形状破片侵彻作用下抗侵彻性能的影响，不同组合复合靶板v50的实验结果如表2所示。本文通过对速度混合区［13］内的破片初速取均值来获得复合靶板的弹道极限速度v［14］。

50

从表2中可以看出，在球形破片的侵彻作用下，复合靶板的弹道极限速度随钢面板／铝背板厚度比的增大而提高，当厚度比由3／2提高到4／1时，靶板v50值提高了2.1%；在立方体破片的侵彻作用下，复合靶板的弹道极限速度随钢面板／铝背板厚度比的增大而下降，靶S4Al1的v50值较靶S3Al2降低了6.7%。初步分析，这可能是由于侵彻过程中立方体破片具有更大的变形所致，在接下来的工作中，将结合侵彻过程中破片的变形和靶板的毁伤机理，从微观机理方面深入分析。

表2 不同组合靶板的v50实验值

综合比较复合靶板S3Al2和S4Al1在球形破片和立方体破片侵彻作用下的弹道极限速度，不难发现，具有不同厚度组合的复合靶板在立方体破片作用下的v50值较其在球形破片侵彻作用下均有所提高，也就是说，对于相同组合靶板而言，在立方体破片作用下的抗侵彻性能优于其在球形破片作用下的抗侵彻性能。然而，需要指出的是：除考虑破片形状的影响之外，还应综合考虑破片质量（即动能）对复合靶板抗侵彻性能的影响。

4 结论

本文采用系列弹道实验研究了不同形状破片侵彻下双层钢／铝爆炸复合靶的毁伤机理和破坏模式，讨论了破片形状、动能和靶板厚度分布等因素对复合靶抗侵彻性能的影响。通过本文的研究可以得到以下结论：

①在球形破片和立方体破片的侵彻作用下，复合靶板的毁伤机理和破坏模式大致相同，即钢面板发生剪切冲塞破坏，铝背板发生延性扩孔破坏，前者消耗更多的破片动能。

②当复合靶板的厚度组合确定时，立方体破片较球形破片需要更大的初始动能才能完全贯穿靶板，也就是说，靶板抗立方体破片侵彻性能优于抗球形破片侵彻性能。

③在球形破片的侵彻作用下，复合靶板的抗侵彻性能随钢面板厚度的增大而提高，当钢面板／铝背板厚度比由3／2提高到4／1时，靶板的弹道极限速度v50提高了2.1%；在立方体破片的侵彻作用下，复合靶板的抗侵彻性能随钢面板／铝背板厚度比的增大而降低，靶S4Al1的v50值较靶S3Al2降低了6.7%。

本文的研究结果将为爆炸复合靶板抗侵彻性能及其影响因素的研究提供理论依据，接下来将进一步丰富实验数据，同时综合考虑靶板层数、厚度分布和破片形状等因素对靶板抗侵彻性能的影响，并开展优化设计工作。

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