单层A3钢薄靶在不同头型弹体斜撞击下的失效模式和防护性能研究

郭子涛, 郭 钊， 张 伟

(1．九江学院 土木工程和城市建设学院， 江西 九江 332005； 2． 哈尔滨工业大学 高速撞击研究中心， 哈尔滨 150080)

高速弹体对金属靶的贯穿行为是个十分复杂的过程，很多文献如 Backman等[1], Corbett等[2]和Ben-Dor等[3]都对金属穿甲研究进行了详细的综述，特别地，针对非理想弹靶撞击(包括斜撞击，攻角撞击，跳飞现象等)的研究，Goldsmith[4]给出了相当详细的总结。

在弹体侵彻靶板过程中，靶板的毁伤失特性与弹体头型有重要关系，同时靶板的失效模式又影响着靶板的防护能力。为了研究弹体头型对靶板弹道极限的影响，Børvik等[5-6]进行了平头、半球头及圆锥形头弹体对12 mm 厚钢靶的侵彻实验和数值仿真，发现平头较半球头及圆锥形头弹体更容易击穿靶板，其原因归于靶板的失效模式的不同。Gupta等[7-8]利用平头、卵形弹、半球头弹进行了对0.5～3 mm 铝板的撞击实验，结果表明卵形弹对靶板的弹道极限最小，平头弹次之，半球头弹的弹道极限最大。关于弹体头型对靶板弹道极限的影响，Zhou等[9]对以往文献中关于弹体头部形状对靶板弹道极限的影响的研究结论进行了归纳总结。不过由于不同实验条件、靶板材料及厚度、弹体尺寸等各种因素影响，对于不同弹体头型侵彻效能的各种实验和仿真研究结果并不能统一，甚至结论截然相反。

相对于正撞击研究，国内外对于斜穿甲的研究在公开文献中数量十分有限，早期部分相关研究工作可参看[10-16]。近期，Zhou等利用实验和数值仿真研究了平头、半球头弹体和撞击角度对单层及双层结构防护能力及靶板失效模式的影响，同时表明由于靶板失效模式的改变，平头弹体斜撞击单层及双层靶时的弹道极限随着角度增加先减小后增大。Iqbal等[17]进行了锥形和卵形弹分别以0°、15°、30°斜撞击单层及双层钢靶和铝靶的数值仿真，发现各个结构的防护能力在各个角度间并未有很大差异。Børvik等[18]进行了弹体0°、15°、30°、 45°及60°斜角撞击20 mm厚铝板的斜穿甲实验和数值仿真，发现弹体穿过靶板的剩余速度在斜角小于大约30°时几乎未受到角度的影响，在更大的斜角度下，剩余速度才会受到影响。陈刚等[19-21]对截锥形战斗部以0°、45°斜撞击单层或双层45#钢板进行了实验及数值仿真的研究，描述了靶板在弹体不同角度和速度撞击后的失效模式, 分析了弹体穿靶速度、角度等因素对战斗部斜穿靶性能的影响。总之，到目前，大多关于穿甲问题的研究无论从实验、理论分析还是数值模拟上主要集中在正撞击上，只有少数学者对斜撞击问题进行了研究且获得的实验数据相当有限，而对于薄板(H/R≤1/2)在大角度斜穿甲后的破坏模式及防护特性研究更是少之又少。

本文采用平头、卵形头弹利用轻气炮加速设备进行了0°、15°、30°、 45°、60°五种角度撞击2 mm单层薄钢靶的斜穿甲试验, 获得并对比分析了弹体头部形状、撞击角度对靶板的防护性能及失效模式的影响。本文研究结论可为相关结构防护设计提供参考。

1 实验研究

1.1 实验设置

高速撞击实验是在哈尔滨工业大学超高速撞击研究中心的非火药驱动的一级进行的，整个试验设备示意如图1所示。整个实验中弹体撞击速度范围为50～200 m/s。实验弹体为平头弹和卵形头弹，材料为高强度钢，质量同为24.7 g，直径都为12.66 mm，平头弹体长度为25.4 mm，卵形弹体头部曲率半径比(CRH)为2，总长度为33.5 mm，弹体形状示意图如图2所示。实验中弹体初始的撞击速度由激光测速系统和高速相机摄像判读，多次实验发现激光测速与高速相机测速相差与小于3%内，弹体穿过靶板后的剩余速度由高速相机测出。靶板为2 mm厚A3钢，靶板通过螺栓可以实现靶板法向和水平方向以0°、15°、30°、45°及60°角固定在特制的靶仓中，弹体撞击角度定义如图3所示。

图1 斜撞击实验设备整体示意图

图2 弹体形状示意图

图3 弹体斜撞击角度定义β

2 实验结果分析

2.1 单层薄板在弹体斜撞击下的失效模式分析

靶体的弹道极限规律与靶体的毁伤和失效模式紧密相关，一般而言，弹体以相对低速正撞击薄靶时，靶板结构响应以薄膜变形为主，同时伴随着靶板局部的剪切冲塞(平头弹体)和花瓣开裂(卵形弹体)，当撞击角度变大时，靶板的损伤形式则随着角度的增大而相应的发生变化。图4 (a)～(d) 给出了两种弹体以部分角度斜撞击2 mm单层靶的典型的贯穿过程，从图中可以明显看出，平头弹撞击靶板后容易伴随着冲塞的产生，靶板在卵形弹撞击后一般表现为扩孔后孔边的花瓣开裂失效。

靶板在平头弹和卵形弹斜角度撞击后的毁伤特性，见图5和图6。

薄靶在受平头弹体正撞击时，靶板局部以剪切失效为主，同时伴随着整体结构的拉伸薄膜大变形，能量主要包括剪切、拉伸、弯曲及膜变形消耗，随着斜角度变大，靶板穿孔逐步由剪切失效转向以拉伸撕裂失效为主，靶板局部开始出现撕裂现象，同时整体结构的弯曲和薄膜变形减小，整体耗能也有所降低，因此靶板变得易被击穿而弹道极限变小，平头弹体15°斜撞击时，实验中的所有靶板并未出现撕裂现象，而以剪切冲塞为主，且冲塞面积相对正撞击时变大，故靶板的弹道极限是增加的，在大于15°时，靶板的局部撕裂现象才开始出现，耗能随之降低，弹道极限减小；随着撞击角度达到并超过临界角度时，靶板穿孔面积和冲塞质量也随之变大，靶板失效变为拉伸、剪切、撕裂模式叠加，靶板上开始出现一个两边平行而细长的撕裂带并外翻形成所谓的塑性铰，此时整体耗能是随着角度增加而逐渐变大，因此这一角度区域内的弹道极限是随着角度增加而增加的。薄板在卵形弹斜撞击下的失效模式主要是挤压扩孔及非对称花瓣型开裂。弹体推动靶板材料向前运动时，弹孔扩大靶板材料外翻，同时在扩孔周围形成很高的径向和环向拉伸应力，当达到靶板材料的拉伸强度时即在四周产生裂纹，此时中间裂缝处于松弛环向应力状态并逐步向外扩展，形成背面的花瓣型破坏，薄板耗能主要包括孔壁的惯性动力能、韧性扩孔塑性能和环向拉伸和径向颈缩拉伸能、花瓣弯曲的塑性变形能、裂纹扩展能以及整体结构盘形变形的塑性变形能等。在卵形弹0°和15°撞击单层薄板时，靶板穿孔形态相差不大，失效模式相近，因此靶板的弹道极限也应相差不大，但撞击角度大于30°时，靶板穿孔直径及塑性变形区域变大，同时在较大角度时撞击时，弹体易发生跳飞现象，靶板更难以击穿，所以弹道极限也随之增大。

(a) 平头弹，vi=142.8 m/s, β=30°

(b) 平头弹，vi=163.3 m/s，β= 45°

(d) 卵形弹，vi=184.0 m/s, β=45°

Fig.4 Typical perforation process of a monolithic plate with the thickness of 2 mm impacted by flat and ogival projectiles at obliquity angles

vi=146.6m/s,β=0°vi=172.3m/s,β=15°vi=112.6m/s,β=30°

vi=163.3m/s,β=45°vi=103.1m/s,β=45°vi=175.1m/s,β=60°

图5 单层靶板在平头弹体斜角度撞击后的失效形式

Fig.5 Failure patterns of single layer target obliquely impacted by flat projectiles

vi=144.6m/s,β=0°vi=168.3m/s,β=15°vi=146.5m/s,β=30°

vi=184.0m/s,β=45°vi=160.2m/s,β=45°vi=188.8m/s,β=60°

图6 2 mm单层靶板在卵形弹斜角度撞击后的损伤形式

Fig.6 Failure patterns of single layer target obliquely impacted by ogival projectiles

图7 (a)和(b)分别给出了单层靶板在平头弹体和卵形弹以不同速度正撞击后的靶板穿孔变形径向分布，可见对于平头弹体速度在弹道极限附近时，靶板的变形最大，随着速度的增大，靶板的最大变形逐渐减小，故穿孔能量消耗也逐渐降低，对于卵形弹体，最大变形要大于靶板在平头弹正撞击下的最大变形，且在弹道极限附近和高速时的靶板变形几乎相同，故弹体穿过靶板后的能耗相差不大。

2.2 单层靶板在不同弹体斜撞击下的防护性能研究

平头弹和卵形弹斜撞击2 mm单层靶板的初始-剩余速度数据见图8(a)和(b)，并采用Recht-Ipson公式对图中数据进行了最小二乘法拟合，该公式表示为

(a) 靶板在平头弹正撞击下的靶板变形

(b) 靶板在卵形弹正撞击下的靶板变形

Fig.7 Comparision of 2 mm single target deformation impacted by flat and ogival projectiles at different velocities

(a) 平头弹

(b) 卵形弹

Fig.8 Initial versus residual velocity of flat and ogival projectiles in perforation of 2 mm single-layer target

(1)

式中：v50为弹道极限速度；a和p为模型中参数。通过拟合两弹体在各个撞击角度的初始-剩余速度数据获得的v50、a和p参数大小，如表1所示。

表1弹体斜角度撞击单层靶的弹道极限及相应模型参数

Tab.1Ballisticlimitsandothermodelconstantsforsingletargetobliquelyimpactedbyflatandogivalprojectiles

平头0°15°30°45°60°a1.630.951.080.710.61p1.352.071.561.861.91v50125.31134.0112.0131.85174.39卵形0°15°30°45°60°a1.430.870.720.74/p1.512.392.692.28/v50141.10138.40150.76156.61188.80

实验中发现，撞击角度越大时，卵形弹比平头弹更容易在靶板上发生跳飞现象，卵形弹在188.8 m/s以60°角度撞击2 mm靶板时发生了跳飞现象，但此时的靶板已处于击穿状态，见图6，故在本文中，将此点作为一个弹道极限点。单层靶在两种弹体撞击下的弹道极限随撞击角度的变化如图 9，可见靶板在卵形弹不同角度斜撞击下的弹道极限都要大于靶板在平头弹体斜撞击后的弹道极限，也即平头弹较卵形弹在各个角度上更容易击穿厚度为2 mm的薄靶。对于平头弹体，2 mm靶板在15°的弹道极限稍大于正撞击时的弹道极限，随后弹道极限随着角度增加先减小后增大。卵形弹的弹道极限在30°前变化增加趋势平缓，大于30°左右时，弹道极限才明显增加。

图9 单层2 mm薄靶在两种头型斜撞击的弹道极限随撞击角度的变化

Fig.9 Ballistic limits versus impact angles for single layer target impacted by two nose shape projectiles

图10(a)和(b)分别给出了平头弹和卵形弹不同角度撞击2 mm单层薄板后的动能降与无量纲速度之间的关系。从图中看出，对于相同厚度的靶板，卵形弹在各个角度下的穿靶的临界能耗整体上都要大于相同角度下的平头弹穿孔的临界能耗，因此本文中的薄靶对卵形弹的防护能力要好于对平头弹的防护能力，也即平头弹较卵形弹更容易击穿实验中的薄靶。同时从图10可以看出，以弹道极限速度为界，靶体变形的耗能按速度分为未击穿和击穿两个区域。正撞击时，平头弹体击穿两种厚度靶板的能量消耗在弹道极限附近达到最大，当撞击速度超过弹道极限时，能耗则随着速度增加而逐渐减小，对于卵形弹体而言，其击穿靶板的能耗并没有随着速度的增加而减小，而是逐渐增增大到一个相对稳定状态。这与靶板的最大整体变形及失效模式有关。

(a) 平头弹

(b) 卵形弹

Fig.10 Kinetic energy drop versus dimensionless velocity of 2 mm single layer targets impacted by flat and ogival projectiles

3 结 论

通过对单层薄板的斜穿甲实验，研究了单层薄靶在两种弹体斜撞击下的抗侵彻性能以及毁伤失效模式，可以得到如下结论：

(1) 平头弹在各个撞击角度下较卵形弹更容易击穿靶板，撞击角度较大时卵形弹较平头弹更容易发生跳飞现象。

(2) 薄靶在平头弹撞击后的弹道极限随着撞击角度的增加一般先减小后增大，而卵形弹撞击下的薄靶的弹道极限随着撞击角度的增加逐渐增大，在30°前增加趋势平缓，大于30°时，则显著增大。

(3) 靶板的防护性能与弹体造成的靶板损伤和失效模式紧密相关，随着撞击角度增大，平头弹造成的靶板局部损伤模式逐步由剪切冲塞失效转向以拉伸撕裂为主，同时整体结构弯曲和膜变形减小，大角度时出现塑性铰现象，而薄板在卵形弹斜撞击下的失效模式则以挤压扩孔和斜形花瓣形开裂为主。

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