复合靶板抗侵彻能力数值仿真研究

马 阳，梁振刚，王 健

(沈阳理工大学 装备工程学院，沈阳 110159)

穿甲弹的侵彻能力随着材料技术的发展不断提高，对装甲车辆的生存造成严重威胁[1]。为提高装甲车辆的防护能力，在其表面披挂复合装甲。目前常用的复合装甲结构有双层复合装甲和多层复合装甲。多层复合靶板由于质量轻、抗击打能力强、冲击韧性高等优点被大量应用于坦克和装甲车辆。刘润华等[2]对双层复合装甲结构进行了大量的理论研究、试验和优化，证明无间隔复合靶板的抗侵彻能力比有间隔复合靶板好。周楠等[3]使用实验和数值模拟相结合的方法研究不同组合形式的复合靶板抗侵彻性能，证明在靶板总厚度一定的情况下，三层复合靶板的抗侵彻性能优于双层复合靶板。

常见的三层复合靶板前层面板材料为陶瓷，背板材料为金属材料，中间夹层材料常用低密度的纤维复合材料[4]。焦志刚等[5]用数值仿真软件研究不同材料组合复合靶板的抗侵彻性能，发现同等厚度条件下，SiC陶瓷-玻璃纤维-装甲钢复合靶板的防护系数较高。李树涛等[6]以实验方法研究复合装甲抗冲击性能，证明复合装甲中的纤维层能有效提高复合装甲的抗冲击性能。Song F等[7]以实验方法研究复合靶板中陶瓷的作用，证明陶瓷在复合靶板抗侵彻过程中起核心作用，且只有在背板RHA钢的支撑下才能发挥作用。Wu G等[8]使用有限元仿真软件研究不同厚度复合装甲的抗弹性能，证明改变复合靶板中各层材料厚度，会对复合靶板的抗弹性能有很大影响。

本文基于文献[9]的实验结果，依据杆式穿甲弹垂直侵彻半无限靶的理论，采用数值模拟的方法，在有限元仿真软件中建立25mm杆式穿甲弹侵彻三层复合靶板的有限元模型，研究RHA钢、SiC陶瓷和玻璃纤维材料及其厚度比例对复合靶板抗侵彻能力的影响，为装甲靶板设计提供参考。

1 模型建立

1.1 材料模型

复合靶板面板SiC陶瓷材料采用有限元仿真软件中的JH2本构模型，其状态方程为

p0=K1μ+K2μ2+K3μ3

(1)

式中：K1为陶瓷的体积模量；K2、K3为陶瓷常数；p0为静水压力；μ为体应变。陶瓷的主要材料参数如表1所示，其中ρ为密度；G为剪切模量；A为无损标准强度参数；B为断裂标准强度参数。

表1 陶瓷的主要材料参数

靶板夹层材料玻璃纤维、背板材料RHA钢和穿甲弹材料钨合金均采用在超高速撞击数值模拟分析中常用的Shock状态方程，即

(2)

式中：P为材料压力；ρ0为初始密度；c0、s为材料参数；γ0为Mie-Gruneisen系数。玻璃纤维材料模型参数如表2所示，其中σs为屈服强度。RHA钢和钨合金的主要材料参数如表3所示，其中c为应变率相关系数。RHA钢和钨合金的失效模型为Plastic Strain模型，强度模型分别为Piecewise JC和Johnson-Cook模型。

表2 玻璃纤维材料参数

表3 RHA钢和钨合金的主要材料参数

1.2 模型验证

文献[9]实验中弹靶结构如图1所示。穿甲弹脱壳后的合金杆直径为25mm、长度为121mm，材料为钨合金。复合靶板厚160mm、宽800mm。复合靶板由三部分组成，前层面板材料为SiC陶瓷，中间夹层材料为玻璃纤维，后层背板材料为RHA钢，各层厚度依次为72mm、35mm和50mm。靶板表面覆盖一层3mm的薄铁板。

图1 弹靶结构

为观察弹体侵彻靶板的过程，并提高计算效率，仿真采用二维二分之一对称模型。添加弹靶在垂直于对称面方向上的位移及转动自由度的边界条件，其余边界按无反射边界处理。整个模型均使用拉格朗日算法，单个网格的尺寸为0.5mm×0.5mm，网格数262050个，采用几何应变控制网格的失效，即当网格应变达到侵蚀临界值时，此网格就会被删除。经调整，网格尺寸可使数值计算收敛于合理结果。

仿真计算结果显示，弹丸的侵彻深度为146.26mm，复合靶板中的RHA钢背板未被穿透。实验结果[9]中弹丸侵彻深度为142.5mm，仿真结果相比实验结果的误差为2.6%，模型具有较高的可信性，可以用于穿甲弹侵彻复合靶板的仿真研究。

1.3 方案设计

一般杆式穿甲弹用于直瞄射击，其着靶速度略低于初速，杆式穿甲弹初速通常在1500m/s左右[10]，经过在空中的速度衰减，着靶速度约在1200m/s，故仿真时着速取1200m/s。

在实验仿真模型的基础上，建立弹丸以1200m/s的速度侵彻不同厚度SiC陶瓷-玻璃纤维-RHA钢三层复合靶板的模型，设计不同的复合靶板各层厚度及靶板总厚度方案如表4所示。

表4 靶板各层厚度及靶板总厚度 mm

依据以下两种思路进行方案设计：(1)只增加复合靶板中某一层的厚度，观察材料厚度变化对复合靶板抗侵彻性能的影响(如方案1～10只增加背板的厚度，方案11～14只增加面板的厚度，方案15～18只增加夹层的厚度)；(2)通过调整面板和夹层的厚度，观察面板和夹层厚度匹配对复合靶板抗侵彻性能的影响(如方案11与方案15，其靶板总厚度及背板厚度相同，面板和夹层厚度比分别为1∶5和5∶1)。

2 仿真结果与分析

2.1 RHA钢厚度对复合靶板抗侵彻能力的影响

穿甲弹在侵彻复合靶板的过程中，弹体长度逐渐变短、速度逐渐降低[11]，方案1～7中弹丸侵彻后存在剩余速度，方案8～10穿甲弹未能穿透靶板。方案1～10的弹丸剩余速度如图2所示。

图2 弹丸侵彻不同厚度背板剩余速度

观察图2中不同方案的弹丸剩余速度，剩余速度随RHA钢厚度的增大而减小，复合靶板消耗弹丸动能越多，靶板抗侵彻能力越强，同时靶板质量越大。分析认为穿甲弹剩余速度变化的趋势与背板RHA钢厚度负相关，RHA钢厚度在复合靶板防护能力中发挥极重要的作用。

2.2 SiC陶瓷和玻璃纤维厚度配比对复合靶板抗侵彻能力的影响

以方案14为例，弹丸侵彻面板、夹层、背板及穿透靶板的过程如图3所示。

由图3可以看到，陶瓷硬度高，在弹丸撞击面板瞬间会使弹体头部发生形变，弹丸在面板驻留的过程会消耗弹丸的能量。但陶瓷的脆性大，在高速冲击下易产生裂纹，裂纹扩展到面板背面。在弹体未穿透陶瓷层时，陶瓷产生大量碎片，并向四周飞溅掉落。而夹层玻璃纤维对面板SiC陶瓷有支撑作用，支撑着没有掉落的陶瓷碎片继续消耗弹丸动能，阻碍弹体继续侵彻，从而提高复合靶板的抗侵彻能力。

图3 方案14弹丸侵彻复合靶板过程

提取弹丸在关键位置(时刻)的速度，绘制速度曲线。方案11～14中只增加面板厚度情况下的弹丸速度曲线如图4所示。

图4 改变面板厚度的弹丸速度曲线

方案15～18中只增加夹层厚度情况下的弹丸速度曲线如图5所示。

图5 改变夹层厚度的弹丸速度曲线

由图4 、图5可以看出，陶瓷或玻璃纤维厚度对穿甲弹剩余速度的影响趋势相同，随着陶瓷或玻璃纤维厚度的增加，穿甲弹穿透复合靶板所需的时间加长。

从方案11～18中找出靶板总厚度和背板厚度相同，面板与夹层厚度比例变化的情况，观察弹丸速度的衰减趋势，如图6所示。改变面板与夹层的材料厚度比例，可以提高复合靶板的抗侵彻能力。

图6 弹丸速度曲线

图6a中，方案11与方案15面板与夹层厚度比例分别为1∶5和5∶1；图6b中，方案12与方案16面板与夹层厚度比例分别为3∶10和10∶3；图6c中，方案13与方案17面板与夹层厚度比例分别为2∶5和5∶2；图6d中，方案14与方案18面板与夹层厚度比例分别为1∶2和2∶1。观察图6可以发现，在SiC陶瓷-玻璃纤维-RHA钢组成的相同厚度复合靶板中，增加陶瓷的相对厚度能有效提高复合靶板的抗侵彻能力。

2.3 复合靶板结构优化

复合靶板结构的优化设计，需要满足三个指标，首先靶板应具备良好的抗侵彻能力，然后再考虑弹丸的侵彻深度和靶板的质量[12]。若相同厚度的复合靶板均有较好的抗弹性能，且侵彻深度相差不大，可以通过调整面板与夹层的厚度比例关系来对靶板的质量进行优化。

表5基于方案8计算了具备较好抗弹性能、但陶瓷和玻璃纤维厚度比例不同的复合靶板质量。其中，复合靶板总厚度均为200mm，背板RHA钢厚度均为80mm。

表5 面板与夹层厚度比例不同的靶板质量

由表5可知，综合考虑复合靶板优化设计的要求，对于面板SiC陶瓷、夹层玻璃纤维和背板RHA钢组合的200mm厚的靶板，三层材料厚度分别是20mm、100mm和80mm的靶板质量最小。

3 结论

(1)当复合靶板总厚度及背板RHA钢厚度一定时，改变面板与夹层材料厚度比例，可提高靶板的抗侵彻能力。

(2)在三层复合靶板总厚度200mm条件下，面板SiC陶瓷、夹层玻璃纤维和背板RHA钢材料厚度比例为1∶5∶4的复合靶板，在具备较强的抗杆式穿甲弹侵彻的能力时靶板质量最轻。