杆体垂直碰撞组合靶机理研究

吴　桐，吴群彪，刘元卫，吴　俊

（江苏科技大学 机电与汽车工程学院，张家港 215600）

杆体垂直碰撞组合靶机理研究

吴桐，吴群彪，刘元卫，吴俊

（江苏科技大学 机电与汽车工程学院，张家港 215600）

为了提高靶体的抗侵彻能力（抗弹能力），通过对比分析单层靶和组合靶的抗侵彻效果，运用LS-DYNA对其三维结构造型进行有限元仿真分析，分析结果表明，“三明治”夹芯组合靶的抗侵彻能力优于均质靶体。

组合靶；有限元分析；剩余速度；侵彻机理

0　引言

长期以来，科学家对弹靶撞击现象一直保持高度关注。对弹和靶的早期研究主要集中在军事武器领域，1971年，Wilkins等［1］提出陶瓷/金属装甲结构，为轻型陶瓷/金属复合材料的应用及发展奠定了扎实的基础。研究陶瓷复合装甲的高速侵彻与穿甲，主要利用Alekseevskii-Tate模型来模拟侵彻陶瓷层，另外，也会利用周期结构或层间结构中应力波的传播理论进行研究，或重点分析不同夹层的模型模拟。Zaera等［3］运用Alekseevskii-Tate方程研究长杆弹碰撞陶瓷靶的侵彻机理，并且利用Woodward［2］和den Reijer［4］模型分析内侧金属板的响应过程。Fellows等［5］在Woodward［2］和den Reijer［4］的工作基础上，继续分析陶瓷/金属复合装甲的撞击问题。Lee和Yoo［6］对长杆弹碰撞陶瓷/金属复合装甲分别进行了数值模拟和实验研究。本文采用ANSYS/ LS-DYNA（显示动力学分析程序），建立合适的长杆弹侵彻单一均质钢靶、均质陶瓷靶以及陶瓷/钢组合靶板的有限元模型，重点仿真分析长杆弹侵彻不同靶板类型的过程及其抗弹机理。

1　杆体垂直侵彻靶体模拟仿真

1.1建模分析

为增强仿真结果的可见性，以及减小计算量，考虑到模型的对称性，所以只建立四分之一模型。三维实体模型仿真网格划分使用solid 164单元，弹与靶初始距离设置为0.5cm，弹体网格划分，划分单位为0.1cm，靶体与长杆弹直接作用区域网格加密，网格划分单位为0.1cm，远离长杆弹部分网格划分单位为0.15cm。在对称边界面上施加对称约束（X和Z方向约束），弹与靶板之间的接触采用ESTS（面面接触侵蚀算法），接触靶板之间采用Auto ASTS（自动接触算法），在靶板边界处施加非反射边界，单位采用cmgsµ--建模。计算时间为200μ s，每10μ s输出一个结果数据文件。

1.2杆体垂直侵彻靶体材料参数

材料参数的选取和确定，对杆体垂直侵彻靶体的研究具有重要意义。同时，材料参数选取的不同，同样会影响模拟仿真计算的结果。在本文碰撞冲击侵彻的问题仿真模拟中，主要选用Johnson-Cook［7］材料模型。Johnson-Cook材料模型适用于大多数的金属材料，一般用来表述大变形、高温和高应变率的前提条件下的本构模型。

本文建立的有限元模型各部分参数如表2所示。

长杆弹材料选用钨，弹体长度为8cm，弹体直径为1cm，弹体初始侵彻速度定为1100m/s，属性如表3所示。

单层靶材料选用45#钢，经过测试，靶板边长定为12cm（由于模型是四分之一模型，所以模型中的靶长为边长的一半6cm），厚度为6cm。组合靶材料选用45#钢-陶瓷-45#钢，靶板边长同样定为12cm，厚度为6cm，层厚比（钢:陶瓷:钢）为1:2:1。

陶瓷材料没有状态方程，非金属材料，因此陶瓷材料用johnson-holmquist-ceramics模型，用于描述脆性材料在高速侵彻条件下断裂损伤的本构模型。

表1　MAT_JOHNSON_COOK相关参数

表2　材料钨Johnson-Cook模型参数

表3　材料钢Johnson-Cook模型参数

表4　材料陶瓷johnson-holmquist-ceramics模型参数

1.3不同靶体抗侵彻机理（如图1～图3所示）

图1　长杆弹侵彻单层陶瓷靶过程（V=1100m/s）

图2　长杆弹侵彻单层钢靶过程 （V=1100m/s）

图3　长杆弹侵彻陶瓷/钢组合靶过程 （V=1100m/s）

1.3.1单一均质陶瓷、钢靶的抗弹机理分析以及与组合靶抗弹效果与机理的分析比较

陶瓷材料脆性高，容易发生破坏。其主要破坏形式为非塑性脆断，陶瓷材料的耗能机制［8］以及抗弹机理及和金属区别很大。从长杆弹侵彻单层陶瓷靶的过程分析，弹刚刚着靶时在杆体和陶瓷的撞击表面产生一层应力波，使杆体和陶瓷内部的压应力迅速增加，陶瓷靶表面破碎而引起反向飞溅，并且使杆体头部发生破坏变形，此时作用在杆体的应力大于杆体承受水平。在应力波作用下，长杆弹达到破坏极限发生塑性变形，陶瓷也开始产生环向和径向裂纹，在环向力和径向应力的作用下，形成陶瓷锥，进而杆体受到磨蚀越严重，产生的破坏就越大，从而消耗长杆弹动能，减小冲击作用。

和陶瓷相比，均质钢靶韧性有余但强度不够，陶瓷抗弯强度高，硬度大，可以磨蚀杆弹，甚至阻滞杆弹。均质钢靶虽然韧性比陶瓷要高很多，但是由于其强度和硬度不够，对高速侵彻的长杆弹阻滞能力有限，长杆弹击穿20mm均质钢靶，杆体本身并无较大破坏变形，因此仅单一均质金属钢材料根本不能满足装甲防护需求，而陶瓷/钢复合装甲机动性好，抗侵彻能力强，可以有效防护装甲。经过侵彻组合靶和均质钢靶仿真过程，发现在均质钢的质量比陶瓷/钢组合靶质量高得多的情况下，其抗弹能力却不如陶瓷/钢组合靶，这主要是由它们不同的抗弹机理。

1.3.2长杆弹侵彻单一均质陶瓷靶、单一均质钢靶、陶瓷/钢组合靶的剩余速度变化情况

图4　长杆弹侵彻单层陶瓷靶剩余速度

长杆弹初始速度为1100m/s，完成侵彻单层陶瓷靶后剩余速度为922m/s，速度减小178m/s。

图5　长杆弹侵彻单层钢靶剩余速度

长杆弹初始速度为1100m/s，完成侵彻单层陶瓷靶后剩余速度为883m/s，速度减小217m/s。

图6　长杆弹侵彻组合靶剩余速度

【】【】

长杆弹初始速度为1100m/s，完成侵彻单层陶瓷靶后剩余速度为855m/s，速度减小245m/s。

对比长杆弹完成侵彻不同靶体后的剩余速度可以发现，长杆弹完成侵彻组合靶后的剩余速度比长杆弹完成侵彻单层钢靶后的剩余速度减少28m/s，比长杆弹完成侵彻单层钢陶瓷靶后的剩余速度减少67m/s，由此可以证明陶瓷/钢组合靶的抗侵彻能力优于单层钢靶，优于单层陶瓷靶。

2　结论

本文利用ANSYS/LS-DYNA建立长杆弹侵彻陶瓷/钢组合靶板的有限元模型，通过平头钨杆垂直侵彻相同外形结构的单一均质陶瓷靶、单一均质半无限钢靶和“三明治”夹芯（钢-陶瓷-钢）半无限组合靶的对比仿真，分析杆体侵彻组合靶的侵彻机理、侵彻过程，并对比其剩余速度，证明了陶瓷/钢组合靶体具有优良的抗侵彻能力（抗弹能力），对于杆体侵彻陶瓷/金属复合靶板的研究具有非常重要的意义。

［1］ Wilkins M L， Landingham R L，Honodel C A.Fifth Progress Report of Light-armor Program［M］.Lawrence Livermore National Lab.，1971.

［2］ Woodward R L.A simple one-dimensional approach to modeling ceramic composite armor defeat.Int［J］.Impact Engng，1990，9（4）:455-474.

［3］ Zaera R，Sanchez-Galvez V.Analytical modeling of normal and oblique ballistic impact on ceramic/metal lightweight armours.Int［J］.Impact Engng，1998，21（3）:133-148.

［4］ den Reijer P C.Impact on ceramic faced armor［D］.Netherlands. Technical Uníversity of Delft，1991.

［5］ Fellows N A，Barton P C. Development of impact model for ceramicfaced semi-infinite armour［J］.Int Impact Engng，1999，22:793-811.

［6］ Lee M，Yoo Y H， Analysis of ceramic/ metal armour systerma［J］. Int Impact Engng， 2001，25:819-829.

［7］ DYNA keyword user’s L L S. manual， versio n 970［J］. Califomia， USA: LSTC，2003.

［8］ 申志强，蒋志刚，曾首义.陶瓷金属复合靶板工程模型及耗能分析［J］.工程力学报，2008，25（9）:229-234.

Normal penetration mechanism of rod penetrator penetrating into composited target

WU Tong，WU Qun-biao，LIU Yuan-wei，WU Jun

E923.1

A

1009-0134（2016）09-0054-04

2016-07-20

江苏省高校自然科学研究面上项目（16KJD130001）

吴桐（1993 -），男，江苏徐州人，本科生，研究方向为机械设计制造及自动化。