阵列式陶瓷颗粒破片防护层透波特性研究∗

甄建伟 刘国庆 王国栋 史进伟

阵列式陶瓷颗粒破片防护层透波特性研究∗

甄建伟 刘国庆 王国栋 史进伟

（军械工程学院弹药工程系 石家庄 050003）

阵列式陶瓷颗粒破片防护层具有优良的防弹性能，由于其结构的复杂性，在受到冲击波作用时的响应尚待研究。在构建有限元模型的基础上，采用数值模拟的方法对阵列式陶瓷颗粒破片防护层的透波特性进行了研究。仿真结果表明，阵列式陶瓷颗粒破片防护层在具备防弹能力的同时，还可以降低冲击波对其后面支撑结构的整体冲击强度，延长冲击波对支撑结构的作用时间，从而可有效降低冲击波对支撑结构的破坏作用。

陶瓷；破片；透波；防护

AbstractArray ceramic grains bullet resistant material has excellent ballistic performance，and due to the complexity of its structure，the response to shock wave action needs to be studied.Blast wave penetration properties of array ceramic grains bullet re⁃sistant material is studied through the method of numerical simulation.Simulation results show that，on the basis of ensuring the abil⁃ity of bulletproof，array ceramic grains bullet resistant material can also reduce integral impact strength to bracing structure，which is from blast wave.But also it can enlarge blast wave actuation duration to bracing structure.In the end，the composite material can reduce damage of blast wave to bracing structure.

Key Wordsceramics，fragment，blast wave penetration，protection

Class NumberTD235.3

1 引言

随着弹药技术的迅猛发展，未来战场环境将越来越复杂，但由弹药爆炸产生的各种效应仍然是直接杀伤敌方人员、摧毁敌方装备的主要手段［1］。为了防护弹药爆炸形成的各种破坏效应，各国都在加紧研制各种轻质、高效的防护材料［2～4］，这样可以在保证装甲防护能力的基础上，尽可能地提高部队的机动性。陶瓷材料由于具有高强度、低密度的特点［5～10］，特别适合作为各种轻型车辆的装甲。但陶瓷材料存在韧性较差的缺点，当陶瓷防弹板受到高速弹丸冲击时容易发生整体破碎，进而失去防弹性能。为了克服以上缺点，有关研究人员将大量具有一定形状和尺寸的陶瓷颗粒粘结在一起，制成阵列式陶瓷颗粒破片防护层。这种防护层受到弹丸冲击时，只有个别陶瓷颗粒发生破碎，整个破片防护层仍具有很好的防护性。

阵列式陶瓷颗粒破片防护层除具有优良的防弹性能之外，由于它是由大量陶瓷颗粒粘结而成，各颗粒之间具有一定的缝隙，使它同时具有了一定的透波特性。当冲击波通过防护层时，冲击波的传播会发生变化，冲击波压力峰值到达防护层背面各点的时刻将不相同，背面各点峰值压力的大小也不同。本文将对阵列式陶瓷颗粒破片防护层中的这种冲击波传播特性进行研究。

2 模型构建

虽然阵列式陶瓷颗粒破片防护层中可以选用各种结构的陶瓷颗粒，但各陶瓷颗粒之间一般均有一定的缝隙，因此防护层均会具有类似的透波特性。因此，本文仅对一种特定结构的阵列式陶瓷颗粒破片防护层进行研究，陶瓷颗粒为圆柱形管状结构，其剖面如图1所示。陶瓷颗粒的两个端面分别设计为球面和平面，其中迎弹面为球面，背弹面为平面。陶瓷颗粒的迎弹面采用具有一定曲率半径r3的球面设计，这样可以增加破片的弹着角，提高防弹能力。陶瓷颗粒在防护层中的排列方式如图2所示。

图1 陶瓷颗粒结构剖面图

图2 陶瓷颗粒的排列方式

在工程应用中，阵列式陶瓷颗粒破片防护层的制备步骤是：首先将陶瓷颗粒采用一定的方式排列在模具中；然后将粘结材料浇注到陶瓷颗粒上，等到粘结材料固化后，进行脱模处理；最后在粘结材料的背面粘结一定厚度的支撑板。本文应用AU⁃TODYNA仿真软件对阵列式陶瓷颗粒破片防护层的透波特性进行研究，模型简图和相关尺寸如图3所示。在环氧树脂的上表面施加由炸药爆炸产生的脉冲载荷，在支撑板的背面施加固定约束。考虑到阵列式陶瓷颗粒破片防护层具有重复性，因此建立最小的重复单元进行计算，有限元模型如图4所示。

图3 破片防护层模型简图

图4 破片防护层单元仿真模型

3 材料模型及参数

仿真模型中涉及的材料有陶瓷颗粒、粘结材料、支撑板、空气层和炸药，它们的材料分别为Al2O3陶瓷、环氧树脂、低碳钢、空气和TNT。针对各种材料性质的不同，仿真过程选用了不同的材料本构模型，见表1。材料模型中的各参数均来自AU⁃TODYNA软件的材料库，表2～6分别列出了以上5种材料模型的主要参数。

表1 材料的本构模型

表2 Al2O3陶瓷的材料模型参数

表3 环氧树脂的材料模型参数

表4 低碳钢的材料模型参数

表5 空气的材料模型参数

表6 TNT的材料模型参数

4 仿真结果及分析

图5表示环氧树脂上表面（破片防护层迎弹面）加载的压力脉冲/时间曲线。它是一个典型的由爆炸产生的压力脉冲，形状为三角形，具有很强的冲击波阵面和卸载部分。图6为支撑钢板背面某点的压力/时间曲线。从图6中可以发现，钢板背面某点的压力首先迅速增大，然后又迅速减小，并最终变为负值。这说明首先有压缩波通过该点，但由于钢板背面无任何介质，因此会产生拉伸波，进而在该点产生负压。仿真结果与爆炸冲击波传播过程基本相符，从而验证了仿真结果的正确性。

图5 破片防护层加载的压力脉冲

在破片防护层重复单元中，有三个特殊的位置，如图7所示，即：陶瓷颗粒的内孔处（位置1）、陶瓷颗粒之间的相接处（位置2）、陶瓷颗粒缝隙处的中心（位置3）。本文将通过这三个特殊位置的压力变化情况来分析破片防护层对冲击波传播的影响。

图8表示与陶瓷颗粒位置相对应的钢板背面的压力峰值。从图8中可以发现，钢板背面的峰值压力分布不均，其中位置2对应的钢板背面峰值压力最大，而位置3对应的压力最小，位置1对应的压力居中。根据冲击波在介质界面上的传播规律可以得出，产生这种现象的主要原因是由于，当冲击波在介质分界面上传播时，由于不同介质的阻抗不同，造成冲击波进入下层介质中时，压力会发生改变。因此，由于冲击波传到钢板背面时通过的介质情况不尽相同，所以会造成峰值压力分布不均的现象。

图6 钢板背面的压力曲线

图7 破片防护层重复单元陶瓷颗粒位置分布

图8 钢板背面峰值压力

图9 表示与陶瓷颗粒位置相对应的钢板背面取得压力峰值时的时刻。从此图中可以发现，钢板背面取得峰值压力的时刻各不相同，其中位置2对应的钢板背面取得峰值压力的时刻最早，而位置3对应的时刻最晚，位置1对应的时刻居中。产生这种现象的原因是：当冲击波从空气中传入纵向分层介质（陶瓷+环氧树脂）时，在陶瓷和环氧树脂中将具有不同的压力，另外由于这两种材料的特性参数各不相同，冲击波在两介质中将具有不同的传播速度。因此，冲击波峰值压力不可能同时到达钢板背面，也就产生了图9中所示的现象。

图9 钢板背面峰值压力对应时间

综上所述，由于阵列式陶瓷颗粒破片防护层具有特殊的结构，使得破片防护层上的支撑钢板受到不均匀压力脉冲的作用，进而发生局部的变形，对冲击波能量起到了一定的衰减作用。另外，由于钢板背面冲击波峰值压力到达的时刻也不相同，这样就延长了对下层的作用时间，同时降低了钢板对下一层的整体冲击强度，有利于冲击波缓冲层充分发挥吸能作用。

5 结语

1）通过对阵列式陶瓷颗粒破片防护层在冲击波作用下的响应进行分析，验证了它的特殊结构使其具备了优良的透波特性。

2）在面对弹药爆炸产生的高速破片和冲击波效应时，阵列式陶瓷颗粒破片防护层可以在防破片侵彻的基础上，延长冲击波对其后面的支撑结构的作用时间，降低对支撑结构的整体冲击强度，从而起到一定的降低冲击波破坏的作用。

3）对于如何使阵列式陶瓷颗粒破片防护层获得最佳的透波性能，仍需进行进一步的研究。

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Research on Blast W ave Penetration Properties of Array Ceram ic G rains Bullet Resistant M aterial

ZHEN Jianwei LIU Guoqing WANG Guodong SHI Jinwei
（Ammunition Engineering Department，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003）

TD235.3

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.09.041

2017年3月12日，

2017年4月22日

甄建伟，男，博士，讲师，研究方向：弹药工程。刘国庆，男，博士，副教授，研究方向：弹药工程。王国栋，男，硕士，讲师，研究方向：弹药工程。史进伟，男，博士，讲师，研究方向：弹药工程。