Tc复合弹对陶瓷/A3钢复合靶穿甲效应的试验研究

胡迪奇，王坚茹，陈智刚 ，易荣成，鲁城华

(1.中北大学 地下目标毁伤技术国防重点学科实验室，山西 太原 030051；2.常州山由帝杉防护材料有限公司，江苏 常州 213100)

Tc复合弹对陶瓷/A3钢复合靶穿甲效应的试验研究

胡迪奇1，王坚茹1，陈智刚1，易荣成1，鲁城华2

(1.中北大学 地下目标毁伤技术国防重点学科实验室，山西 太原 030051；2.常州山由帝杉防护材料有限公司，江苏 常州 213100)

为提高弹丸对陶瓷复合装甲的侵彻威力，在30 mm制式弹弹头部采用增韧Tc材料，并与制式弹进行对比。采用DOP试验方法，结合冲击动力学理论和陶瓷材料特性，研究了2种不同结构弹丸对陶瓷/A3钢复合靶的穿甲效应，重点分析对比弹头材料、结构对陶瓷/A3钢复合靶的穿甲效应的影响。在相同条件下，对制式弹和Tc复合弹对A3钢板的侵彻孔径、深度，以及侵彻后弹芯剩余质量进行了对比分析。采用ANSYS/LS-DYNA进行模拟仿真，模拟结果与试验结果基本吻合，结合仿真结果，从弹芯剩余质量上对弹丸的侵彻能力进一步分析，Tc复合弹对弹芯保护的效果明显，为陶瓷材料应用于其他战斗部提供依据。

弹丸；侵彻；陶瓷；冲击动力学；数值模拟

当今的战场，装甲车辆的防护推陈出新，防护性能不断提升，但是这些防护结构仍以金属材料为核心组成。由于金属材料在强度、可加工性等方面的优势，使其在毁伤和防护方面得到广泛应用，对其在侵彻方面问题的研究也特别多。杀伤战斗部的材料也还是以金属材料及其合金为主，但用这些常规材料制的战斗部穿甲性能的提升遇到了瓶颈。

Dey等[1]用平头和卵形头弹丸侵彻相同厚度不同结构的靶体。对于前者，单层靶的抗侵彻效果要低于多层靶，对双层靶板而言，接触式的效果要好于间隙式；对于后者，单层靶的抗侵彻效果高于双层靶，但间隙式和接触式的靶板对侵彻效果的影响很小。李守苍等[2]研究了陶瓷和合金钢柱形构件分别对陶瓷/复合材料靶板的侵彻性能，结果表明，陶瓷构件对陶瓷/复合材料靶板的破坏程度远大于合金钢构件；付建平等[3]对比了陶瓷子弹与普通钢弹的侵彻能力，得出了陶瓷子弹对靶板的侵彻效果优于钢弹。

笔者在30 mm穿甲弹头部采用高硬度、耐高温、高抗压的非金属Tc材料，对陶瓷复合靶的穿甲效应进行试验研究，并与制式弹进行对比。

1 材料特性

高硬质的脆性陶瓷面板[4]受到冲击的瞬间，在弹、靶接触面产生应力集中，接触面处的压缩载荷很大，使接触面处的陶瓷破碎[5]，细碎状陶瓷粉末向弹丸运动的相反方向流动，对弹丸侵彻产生很大的摩擦阻力，压缩应力沿轴向传播，使陶瓷面板产生轴向裂纹，形成陶瓷锥[6]；断裂的陶瓷锥在弹丸的推动下，作用于金属背板，增大了接触面积，有利于金属背板对冲击能量的分散和吸收；同时金属背板可以为陶瓷面板提供支撑，防止陶瓷过早发生破损，充分发挥其抗弹性能；弹体在深入侵彻的过程中，陶瓷材料内形成许多碎片，同时这些碎片对穿甲弹丸形成较大的磨蚀作用，弹头被磨损、钝化，质量减小，速度降低，侵彻冲击能力锐减。Tc弹头如图1所示。

文中Tc弹头所采用Al2O3基陶瓷材料[7]，增加一定比例的ZrO2提高其密度，并加入分散剂、单体剂预混合液球磨制浆，依次加入催化剂和引发剂，搅拌均匀后注入成型模具中，自然风干后按要求尺寸进行机械加工，最后，控制温度在大于1 400 ℃，烧结40 h左右。相比普通陶瓷，这种经过增韧处理的陶瓷材料颗粒均匀，颗粒之间结合紧密。抗弯强度可达850 MPa，断裂韧性为9.35 MPa/m2，具有高硬度、高熔点、高抗压强度、耐磨蚀等特点，同时有较高的韧性，成本也较低。

2 试验设计

2.1 试验用弹

试验用弹采用30 mm制式弹和Tc复合弹，如图2所示，其中Tc复合弹外形、质量与30 mm制式弹基本一致，全弹由Tc复合弹头、弹芯、弹托、底托等主要零部件组成。

2.2 试验靶板

试验靶板采用陶瓷/A3钢复合靶，从迎弹面至背弹面依次为：陶瓷面板和5层A3钢板。其中陶瓷面板由上下两层玻璃纤维层，中间加陶瓷块粘结在一起构成，厚度为15.00 mm，平均密度3.7×103kg/m3。玻璃纤维层为缓冲层，主要作用是防止陶瓷碎片的崩落以及衰减应力波。陶瓷面板作为阻挡层，由于其高抗压强度和高硬度，子弹在接触陶瓷材料的时候发生严重的侵蚀、断裂和偏转，从而影响其后续的侵彻过程。钢板材料为Q235钢，每层厚度20.00 mm，钢板的作用是为陶瓷面板提供较好的支撑。陶瓷/A3钢复合靶尺寸为200 mm×200 mm×115 mm(宽×高×厚)，如图3所示。

3 试验结果分析

制式弹和Tc复合弹分别以870 m/s和851 m/s的速度垂直侵彻陶瓷/A3钢复合靶，陶瓷面板和第1次钢靶毁伤情况如图4所示，左边为Tc复合弹侵彻情况,右边为制式弹侵彻情况。

制式弹侵彻陶瓷面板的过程中，铝制风帽迅速磨蚀，弹芯直接作用陶瓷面板，使陶瓷面板产生轴向裂纹，并形成陶瓷锥；陶瓷锥在弹丸冲击的推动下，作用于装甲钢板，装甲钢板对冲击能量进行分散和吸收，为陶瓷面板提供支撑，防止陶瓷过早发生破损，充分发挥了其抗弹性能，这个过程陶瓷面板对弹芯产生较大磨蚀，而且使弹丸的姿态发生偏转，如图4(b),严重影响了弹丸对后续钢板的侵彻。

Tc复合弹在侵彻陶瓷面板的过程中，由于Tc弹头的高强度、高硬度，Tc弹头在冲击陶瓷面板的瞬间，弹头对陶瓷面板产生巨大的压应力，Tc弹头破碎；陶瓷面板上的压力波经陶瓷-钢板接触面反射形成卸载波[8]，使陶瓷面板碎裂、崩落。弹芯以完整的状态进行后续钢板的侵彻。从图4(a)中可看出，Tc复合弹侵彻陶瓷面板的纤维层撕裂明显，而制式弹则形成一个穿孔。

回收的剩余弹芯形貌如图5所示，从图中可直观地看出，Tc复合弹与制式弹侵彻陶瓷/A3钢复合靶后，弹芯前部均墩粗呈圆锥形，弹芯保持完整，且Tc复合弹弹芯头部作用区域小于制式弹。通过对回收弹芯测量,弹芯长度比(侵彻后剩余弹芯长度/侵彻前弹芯长度)：Tc复合弹为66.32%，制式弹为59.07%；弹芯质量比(侵彻后弹芯质量/侵彻前弹芯质量)：Tc复合弹为71.55%，制式弹为67.72%。从而说明Tc弹头结构在侵彻陶瓷复合靶时对弹芯起到了保护作用，减小了对弹芯的磨蚀，保留了较长的弹芯圆柱体，从实质上提高了弹芯侵彻能量。

Tc复合弹与制式弹对复合靶板的毁伤数据如表1所示。

表1 Tc复合弹与制式弹侵彻复合靶板的毁伤数据

注：表中数据单位为mm。

对比表1数据，虽然制式弹速度稍大，但Tc复合弹对靶板侵彻形成的弹坑比制式弹形成的弹坑略深，对后续钢板毁伤面积也明显大于制式弹，而且制式弹对第5层钢靶没有明显毁伤，显然Tc复合弹对靶板的毁伤效果明显优于制式弹。

4 冲击压力理论计算

分析弹丸对陶瓷靶板产生的冲击波压力值进行理论计算，冲击波速度与波阵面后粒子速度的Hugoniot关系式为

D=a+bu

(1)

式中：D为冲击波波速；u为波阵面后粒子的速度；a、b分别为材料的Hugoniot参数[9-10]，如表2所示。

表2 材料的Hugoniot参数

根据撞击时的动守恒定律和界面上的连续条件，弹丸接触陶瓷面板瞬间，在撞击点的压力可以表示为[11-13]

pp=ρp(ap+bpup)up

(2)

pc=ρc(ac+bcuc)uc

(3)

pp=pc

(4)

式中：ρ为材料密度；p、u分别为冲击压力和质点速度;下标p表示弹丸；下标c表示靶板。

而撞击接触面上的真实速度为

v0=up+uc

(5)

式中，v0为弹丸的着速。

由式(3)和(4)可得

(6)

式中：A=ρpbp-ρcbc;B=-(2ρpbpv0+ρpap+ρcac);C=(ρpap+ρpbpv0)v0。

利用式(2)、(3)和(6)可求出弹丸撞击陶瓷面板上的压力。 代入数值计算，得出在850 m/s的速度下，对陶瓷/A3钢复合装甲靶的瞬间冲击压力，Tc复合弹比制式弹高出1.3 GPa，对陶瓷面板的开坑、毁伤效果更好。

5 有限元模拟及结果分析

5.1 材料模型及参数

数值模拟采用ANSYS/LS-DYNA程序软件，这是一款国际主流的非线性动力学分析有限元软件，可以较好地求解这种三维非线性结构的高速碰撞问题。计算模型使用Lagrange方式计算，有限元网格采用八节点六面体单元，由于侵彻过程中靶板对弹丸侵彻姿态的影响，计算采用1/2模型，在对称面上及周边施加约束，弹丸与靶板、靶板与靶板之间采用面-面侵蚀接触算法(CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)，弹头与弹芯之间采用面- 面自由接触算法(CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE)。为提高计算效率，对弹体通过的中心区域处进行细密处理。划分网格后的弹体和靶板单元如图6所示。

在计算时，金属弹芯的计算模型选用J-C(MAT_JOHNSON_COOK)模型，材料参数如表3所示，和gruneisen状态方程共同描述，这种模型适合描述材料在大变形、高应变率下和高温下的相关强度变化；陶瓷面板的计算模型选用适合描述玻璃、陶瓷等脆性物质的破坏和损伤的JC2(MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS)模型，材料参数如表4所示。金属背板的计算模型选用与应变率相关、考虑失效的双线性随动塑性材料模型，Plastic-Kinematic模型。弹体和靶板建模单位采用cm-g- μs。

表3 制式弹材料参数

表4 Tc弹头材料参数

5.2 数值模拟结果分析

用动力分析软件LS-DYNA对弹体初速v0=850 m/s垂直侵彻陶瓷/A3钢靶进行数值模拟。两种弹丸侵彻多层A3钢靶的对比，如图7～10所示。

由图7可以看出，弹丸在接触靶板瞬间，Tc复合弹对靶板产生的应力明显大于制式弹，而且制式弹弹头在侵彻过程中迅速侵蚀；如图8所示，制式弹弹头侵彻过程中对靶板几乎没有损伤，而Tc复合弹弹头几乎穿透了整个陶瓷面板；结合图9，后续侵彻过程中，对比Tc复合弹，制式弹弹芯对陶瓷面板的侵彻过程中导致弹芯侵彻姿态明显的倾斜；从靶板的毁伤效果来看，如图10所示，Tc复合弹穿透第1层A3钢靶，对第2层A3钢靶也有损伤，而制式弹没有穿透第1层A3钢靶。

图11为弹丸加速度随时间变化曲线，图中a为弹芯加速度，t为弹靶作用时间。从弹芯侵彻过程中加速度曲线来看，侵彻陶瓷面板的过程中制式弹弹芯所受载荷远大于Tc复合弹，在这个过程中，Tc弹头对弹芯有着很好的保护，Tc复合弹弹芯磨蚀更小，形态保持更加完整，而且在后续侵彻过程中Tc复合弹弹芯所受载荷也小于制式弹。

图12为弹芯残余质量随时间变化曲线。从图12可以看出弹芯的侵蚀情况，Tc复合弹和制式弹弹芯剩余质量比分别为69.3%和64.1%，与试验结果非常接近。试验研究可为以后此类研究提供参考。

6 结论

通过试验研究了Tc复合弹对陶瓷/A3钢复合靶的侵彻，结果表明:

1)通过撞击试验与数值模拟研究，采用合适理论模型计算，数值模拟结果与试验结果基本吻合。

2) Tc弹头在侵彻陶瓷面板过程中，对面板产生的冲击压力大，侵彻效果更好；制式弹在侵彻陶瓷面板的时，弹头对靶板几乎没有损伤，而且在侵彻过程中姿态发生较大偏转。

3) Tc弹头结构在侵彻陶瓷/A3钢复合靶时对弹芯起到了保护作用，减小了对弹芯的磨蚀，保留了较长的弹芯圆柱体，从实质上提高了弹芯侵彻能量。

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Experimental Investigation on Armor-piecing Performance of TcComposite Projectile to Ceramic Composite Targets

HU Diqi1，WANG Jianru1，CHEN Zhigang1，YI Rongcheng1，LU Chenghua2

(1.National Defense Key Laboratory of Underground Damage Technology, North University of China, Taiyuan 030051,Shanxi,China;2.Changzhou Sanyou Sissan Protective Materials MFG Co.,Ltd, Changzhou 213100,Jiangsu, China)

In order to improve the penetration power of the projectile to the ceramic composite armor, the armor-piercing performance of 30mm projectile with a toughened Tc warhead to the ceramic/A3 steel composite targets has been experimentally researched by adopting DOP method in comparison with the standard projectile. It mainly analyzes and compares the effects on armor-piercing performance to the ceramic/A3 steel composite targets in the context of different warhead structures and materials. Under the same conditions, a comparative analysis of the aperture and the depth of perforation as well as the residual mass of bullet core on the armor plates has been conducted. A simulation has been built and computed by ANSYS/LS-DYNA, whose results mostly meet the test results. In combination with the simulation results, further analysis on the penetration performance is conducted in terms of the residual mass of bullet core. The results show that the TC warhead has a conspicuous effect on the protection of bullet core, which offers grounds for its being applied to other warheads.

projectile; penetration; ceramic; impact dynamics; numerical simulation

2016-07-04

胡迪奇(1991—)，男，硕士研究生，主要从事弹药毁伤及毁伤威力控制研究。E-mail：251876971@qq.com

10.19323/j.issn.1673- 6524.2017.02.015

TJ012.4

A

1673-6524(2017)02-0067-06