多层橡胶陶瓷复合装甲的抗侵彻性能研究

李 坤，高旭东，董晓亮

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

1 引言

相比于传统均质钢装甲，陶瓷复合装甲具有面密度低、冲击吸能高、防护性能好等优点，在装甲防护结构中具有重要的应用价值。但是陶瓷材料具有断裂韧性低和塑性差的特点，严重影响了陶瓷防护性能的提高。针对如何提高陶瓷复合装甲的防护能力的问题，学者们开展了大量的研究。

李茂[1]基于均质钢板、聚脲涂层材料和SiC陶瓷材料设计了4种聚脲涂覆复合装甲结构，开展近炸下复合装甲结构毁伤特性试验研究，发现聚脲涂覆复合装甲结构的防护性能明显优于多层均质钢装甲，增加陶瓷厚度比增加背板和前面板厚度对整体防护效能更有效。 董彬[2]从陶瓷面板和复合材料背板弹道吸能角度讨论了陶瓷/纤维复合装甲的抗弹机理，并基于此理论综述了陶瓷面板、复合材料背板、界面黏结层等因素对陶瓷复合装甲抗弹性能的影响规律。包阔[3]基于剩余穿深方法开展了碳化硼及复合靶抗12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻的试验研究和数值模拟研究，重点研究了靶板配置、背板厚度及种类对复合靶抗弹能力的影响。焦志刚[4]通过数值模拟的方法建立了7.62 mm的钨合金杆式弹侵彻150 mm厚度复合靶板的有限元模型，研究了陶瓷为面板，橡胶或玻璃纤维为夹层，装甲钢为背板的不同组合复合靶的抗弹性能，发现玻璃纤维作为夹层的陶瓷复合装甲防护性能较好。杜忠华[5]研究了装甲钢为面板、陶瓷、玻璃纤维和装甲钢为背板的复合装甲抗长杆弹侵彻性能的影响，结果表明相对较大的陶瓷厚度有利于提高复合装甲的抗穿甲能力。Wilkins[6]通过用7.62 mm口径模拟弹代替穿甲燃烧弹，对碳化硼/铝复合靶进行了一系列的试验。Florence[7]以弹体靶板系统动量和能量守恒推导出了刚性平头弹体正侵彻和斜侵彻陶瓷/金属复合靶板的极限弹道速度解析表达式。

前人的研究都是通过对增加陶瓷复合装甲中某层材料厚度和改变装甲材料来提升复合装甲的抗弹能力，并没有考虑复合装甲中存在倾斜的材料结构层对抗弹能力的影响。作者通过对国外某主战坦克的解密资料研究发现[8]，某主战坦克的炮塔侧面装甲是一种多层橡胶倾斜布置的陶瓷复合装甲的特殊结构，这种结构据称能具有优越的抗弹性能[9]。本文结合装甲资料设计了一种多层橡胶陶瓷复合装甲的结构，利用这种特殊的结构开展多层橡胶陶瓷复合装甲对穿甲弹在不同着角情况下抗弹性能的研究。

2 弹靶模型的建立

2.1 有限元模型

多层橡胶陶瓷复合装甲结构可以分为3个部分，如图1所示。

图1 多层橡胶陶瓷复合装甲结构示意图

第1层结构为装甲钢面板1。第2层结构为多层橡胶复合装甲层，这层结构由单层橡胶复合装甲以一定的倾角排列组合而成，相邻的单层橡胶复合装甲之间存在空气间隙，其中单层橡胶复合装甲的结构为装甲钢+橡胶+装甲钢。第3层结构为陶瓷复合装甲层，这层结构具体为装甲钢面板2+陶瓷层+装甲钢背板。每层结构的尺寸如下：第1层面板尺寸为300 mm×150 mm；第2层单层橡胶复合装甲每层结构的尺寸为100 mm×150 mm，与水平面的夹角为35°，相邻的单层橡胶复合装甲之间的空气间隙为2 mm；第3层结构的面板2、陶瓷、背板尺寸为300 mm×150 mm。靶板各层材料和厚度如表1所示：

表1 靶板材料和厚度

本研究采用球头长杆式穿甲弹[10]对靶板进行侵彻，长度为67.07 mm，直径为6.33 mm，长径比为10.6。弹体材料为钨合金，密度为17.45 g/cm3，头部为半球形，质量为36.44 g，如图2所示。

图2 球头长杆式穿甲弹示意图

利用LS-DYNA有限元软件，建立穿甲弹侵彻多层橡胶陶瓷复合装甲的有限元模型。穿甲弹和多层橡胶陶瓷复合装甲部分是利用三维Lagrange网格建模，单元之间采用拉格朗日算法来分析穿甲弹与多层橡胶陶瓷复合装甲的相互作用过程。弹体和靶板的边界条件采用SPC_SET来控制，弹体采用内部单元自接触AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，靶板采用内部各单元之间内部自接触AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，弹体和靶板之间采用ERODING_SURFACE_TO_SURFACE侵蚀接触。考虑网格数量与计算时间的关系，多层橡胶装甲层采用二分之一模型进行建模，面板1和陶瓷复合层采用四分之一模型进行建模。采用复合靶板的网格最小尺寸为0.05 mm，为了保证计算的精度和缩短计算时间，靶板在距离穿甲弹侵彻中心的网格划分较密，由于距离较远的区域应力应变受侵彻影响较小，网格划分逐渐稀疏。穿甲弹和复合靶板的组成效果如图3所示有限元模型。

图3 多层橡胶陶瓷复合装甲有限元模型示意图

2.2 材料模型

弹体采用钨合金材料，材料模型使用Johnson-Cook强度模型和Gruneisen状态方程[11]。面板1、橡胶面板、橡胶背板、面板2和背板材料采用616装甲钢，采用Johnson-Cook强度模型和Gruneisen状态方程。多层橡胶复合装甲中的橡胶使用的材料是天然橡胶6744，采用Ogden强度模型，参数来自于文献[12]。陶瓷材料使用碳化硼陶瓷，采用Johnson-Holmquist强度模型[13]。表2、表3和表4分别给出了钨合金和616装甲钢、天然橡胶6744和碳化硼陶瓷的材料参数。

表2 钨合金和616装甲钢的材料参数

表3 天然橡胶6744的材料参数

表4 碳化硼陶瓷的材料参数

3 弹靶侵彻数值模拟

3.1 不同着角弹体侵彻速度变化数值模拟分析

在相同初速的条件下，通常用穿甲弹的剩余速度来评估靶板的防护性能。弹体初速为1 300 m/s，表5表示弹体在不同着角的情况下侵彻多层橡胶陶瓷复合装甲的剩余速度。从表中可以看出，在相同的初速条件下，随着弹体的着角的增大，侵彻所用的时间越长，速度损耗量越大，剩余速度越小，对靶板的侵彻深度越小。在弹体着角60°时，侵彻深度最小，与弹体着角50°时相比侵彻深度下降了22.7 mm。

表5 不同着角弹体侵彻复合靶板的剩余速度

图4是弹体不同着角侵彻靶板的速度曲线， 从图中可以看出，不论弹体从何种着角侵彻，弹体侵彻多层橡胶陶瓷复合装甲可以分为3个阶段。

图4 弹体不同着角侵彻复合靶板速度曲线

1) 弹体侵彻面板1阶段。在这一阶段不同着角之间侵彻的区别在于侵彻耗费时间不同，但由于面板1较薄，对弹体速度影响较小。弹体侵彻由于着角的增大，弹体头部与面板1之间的接触面积也会增大，弹体侵彻路径被延长，相应的侵彻时间会增长。

2) 弹体侵彻多层橡胶复合装甲层阶段。在这一阶段弹体所侵彻的橡胶复合装甲层数量会随着角的增大而增多，例如弹体0°着角侵彻了7层橡胶复合靶板，而弹体60°着角侵彻了15层橡胶复合靶板。弹体速度和动能的下降量主要是由这一段所侵彻的橡胶复合靶板层数所决定的，侵彻的橡胶复合靶板层数越多，弹体下降的速度越快，弹体侵彻的时间也会增长。同时在这一段弹体速度同时呈现波动下降的趋势，主要是因为橡胶夹层的存在影响了速度变化趋势。

3) 弹体侵彻陶瓷复合层阶段。在这一阶段弹体先后侵彻面板2，陶瓷层和背板3层结构。由于着角的增大，弹体速度下降的速率会增大，弹体的速度下降趋势基本与时间呈现线性下降的关系。但当着角增大超过50°，弹体只能侵彻到面板2和陶瓷层两层结构；当着角增大超过60°，弹体只能侵彻到面板1结构，同时会发生弹体跳飞的现象。

图5为弹体在0°，30°和60°侵彻复合靶板的速度云图。

图5 弹体不同着角毁伤复合靶板速度云图

由图5可以看出，在弹体着角为0°时，弹体可以穿透复合靶板，并有很大的侵彻剩余速度；在弹体着角为30°时，弹体无法击穿结构中的背板层，在背板层上留下深的开坑，失去侵彻能力，并且弹头发生一定的偏转，弹体侵彻剩余速度几乎为零；在弹体着角为60°时，弹体无法击穿结构中的面板2，在面板2上留下浅的开坑，并发生弹体跳飞现象，弹体跳飞时仍有部分侵彻剩余速度。由此可以得出结论，穿甲弹在侵彻多层橡胶陶瓷复合装甲时若着角大于30°，会出现无法击穿复合靶板的现象；穿甲弹在侵彻多层橡胶陶瓷复合装甲时若着角大于60°，会出现弹体跳飞的现象，无法穿透靶板。

综合来看，在不同着角下的穿甲弹侵彻速度的下降主要是由于中间橡胶复合层的存在。弹体在不同着角下所侵彻的橡胶复合装甲层数不同，直接导致弹体速度下降量的不同。

3.2 不同着角下弹体质量变化数值模拟分析

弹体不同的着靶姿态，会导致弹体头部与靶板结构的接触面积会有所不同。接触面积的不同会影响到穿甲弹弹头的变形和弹体动能下降的不同，直接导致弹体侵彻靶板后剩余质量的不同。本研究以弹体侵彻多层橡胶陶瓷复合装甲为例，弹体的着角分别取0°、20°、30°、40°、50°、60°。弹体不同着角质量销蚀曲线如图6所示，弹体侵彻靶板质量销蚀率如表6所示。

图6 弹体不同着角侵彻复合靶板质量销蚀曲线

表6 不同着角弹体侵彻复合靶板的质量销蚀率

综合而言，对于多层橡胶陶瓷复合装甲的结构，虽然弹体的初始动能相同，但不同着角的弹体穿透靶板的质量变化不同。弹体质量销蚀的曲线规律主要分成以下3种情况。

1) 第1种情况，弹体着角小于30°，这种情况的弹体质量的销蚀可以分为4个阶段。如图6所示，弹体着角0°和20°二者质量下降的趋势总体上保持一致，但质量下降的区间时间有所不同。

弹体着角0°和20°四个阶段的质量销蚀率如表7所示。

表7 弹体着角0°和20°四个阶段质量销蚀率

特征如下：第1阶段为弹体质量轻微变化阶段；这一阶段质量销蚀较小，质量下降的原因主要是弹体头部的变形侵蚀；第2阶段为弹体质量急速下降阶段；这一段为弹体侵彻中间橡胶复合层阶段，这是弹体质量主要被销蚀的阶段，决定了最后弹体的剩余质量。第3阶段为弹体质量缓慢下降阶段；这一段为弹体侵彻面板2和陶瓷阶段，质量销蚀比较缓慢，主要是面板2和陶瓷的破碎对弹体质量的销蚀。第4阶段为弹体质量波动下降阶段。这一段弹体开始侵彻背板，此刻弹体头部已经失去大部分侵彻能力，主要依靠弹体剩余动能推动弹体头部侵彻，这会导致质量曲线开始波动下降，弹体在穿透背板后质量保持稳定。

2) 第2种情况，弹体着角在30°到50°之间，这种情况的弹体质量的销蚀可以分为3个阶段。如图6所示，在弹体着角为30°和40°着角时，弹体质量下降的趋势保持一致，仅在下降时间区间有所不同。

弹体着角30°和40°三个阶段质量销蚀率如表8所示。

表8 弹体着角30°和40°三个阶段质量销蚀率

特征如下：第1个阶段为弹体质量急速下降阶段；这一段包括弹体侵彻面板和中间多层橡胶复合结构，这一段是弹体质量销蚀的主要阶段，质量下降趋势几乎呈线性急速下降。第2阶段为弹体质量波动下降阶段；这一段主要是弹体侵彻面板2和陶瓷两层结构，弹体头部发生不规则的变形，质量呈现出波动下降的趋势。第3阶段为弹体质量缓慢下降阶段。这一段弹体侵彻背板时已经失去大部分侵彻能力，在背板的作用下弹体残余动能被消耗，质量下降比较缓慢。

3) 第3种情况，弹体着角大于50°，这种情况的弹体质量的销蚀可以分为2个阶段。如图6所示，在弹体侵彻着角大于50°之后，弹体会出现不能侵彻到背板结构的现象，并且随着着角增大，弹体会出现无法侵彻到陶瓷层结构的情况，只能侵彻到面板2层。

弹体着角50°和60°两个阶段质量销蚀率如表9所示。

表9 弹体着角50°和60°两个阶段质量销蚀率

特征如下：第1阶段为弹体质量急速下降阶段。主要是弹体侵彻装甲结构中的面板1和中间层多层橡胶复合层，质量几乎呈现快速线性下降的趋势，是弹体质量下降的主要阶段。第2阶段为弹体质量缓慢下降阶段。弹体侵彻面板2，随着弹体着角的增大，弹体头部会发生跳飞现象，质量下降趋势变缓。

4 多层橡胶陶瓷复合装甲抗弹能力的计算

目前常采用多组分复合装甲混合律的方法来计算复合装甲的抗弹能力。多组分复合装甲混合律的通式(1)如下[14]：

Ri=∑NiLi

(1)

式中：Ri为复合装甲抗弹能力(mm)；Li为第i种材料的复合装甲水平等重厚度(mm)；Ni为第i种材料的防护系数。

通过应用多组分复合装甲混合律计算复合装甲的抗弹能力，计算每层的水平等效厚度Li。各材料层的水平等效厚度计算通式(2)如下[15]：

(2)

式中：ρi为第i层材料的密度或结构单元层的评价密度(×103kg/m3)；δi为第i层材料或结构单元的垂直厚度(mm)；αt为装甲的倾角(°)。

根据防护系数Ni计算每层材料的抗弹能力Ri，通过各层抗弹能力得出多层橡胶陶瓷复合装甲的抗弹能力，如表10所示。

表10 多层橡胶陶瓷复合装甲抗弹能力

装甲结构的抗穿甲弹等效系数计算式(3)如下：

N=Ri/L

(3)

式中：L为装甲原厚度。

由此得出多层橡胶陶瓷复合装甲的抗穿甲等效系数为2.55，说明本文所设计的装甲结构在穿甲弹的侵彻作用下具有良好的抗弹性能。

5 结论

1) 多层橡胶陶瓷复合装甲对穿甲弹的防护作用主要是依靠中间橡胶装甲层。弹体着角越大，所侵彻的橡胶层的数量越多，弹体速度下降越快，装甲的抗弹性能就越好。弹体着角超过30°时，装甲结构不会被击穿；弹体着角超过60°时，会在侵彻陶瓷复合层面板时出现弹体跳飞。

2) 弹体质量销蚀率随着着角的增大而增大。不论弹体着角现象如何变化，弹体头部在侵彻装甲结构时都会产生偏转。

3) 根据多组分复合装甲混合律计算出了在穿甲弹作用下的抗弹能力，计算出装甲结构的抗穿甲的防护系数为2.55，说明多层橡胶复合靶具有良好的抗穿甲弹能力。