四棱锥结构尺寸对间隙装甲抗侵彻性能的影响

沈超明，张浩然，陈豪杰，唐柏鉴

(1. 江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212001；2. 苏州科技大学土木工程学院，江苏 苏州 215009)

0 引 言

随着科学技术的进步，反装甲武器的破坏能力越来越强，对水面舰船的威胁也越来越大。世界各国纷纷研究新型装甲来提高水面舰船生存能力。采用轻型复合装甲对舰船的重要部位和舱室进行防护已成为提高生存能力的重要途径之一[1–3]。其中，间隙效应是复合装甲的一项重要抗弹效应，可显著地影响装甲的防护性能，且容易实现，其应用越来越广[4]。胡丽萍等[5]在研究单层穿孔间隙装甲时，使用残余穿深法发现穿孔与间隙配合的复合装甲抗弹性能更好。Corran 等[6–8]，通过平头弹、半圆形弹2 种弹体低速冲击单层靶板和等厚度带间隙的多层靶板2 组对比实验，研究发现低速冲击下等厚度带间隙的多层靶板抗侵彻性能优于单层靶板。李茂等[9]设计了3 种夹芯式复合装甲结构，分别为：无间隙结构、后间隙结构及前后间隙结构，间隙层大小均为50mm。实验证明前后间隙结构的抗侵彻性能最好，其原因是前间隙层可以有效分散弹体碎片及前面板碎片的动能，后间隙层有利于纤维材料的充分拉伸，避免了纤维层对后板的冲击。马武伟等[10]使用高速大质量的破片模拟弹研究了间隙型陶瓷复合装甲中间隙对材料整体防护性能的影响，研究表明间隙能极大增强纤维复合材料的变形吸能效果，但并不能提升复合装甲的整体防护性能。

为了进一步增强间隙装甲的抗侵彻性能，引入偏航结构。偏航结构是一种能使侵彻弹体的方向发生偏离的装置，使弹体侵彻过程中受到非对称作用力，导致弹体偏离初始弹道，从而降低其后续侵彻能力。安子阳[11]利用实验研究了弹体侵彻多层穿孔间隙复合装甲，研究发现带孔的间隙装甲在弹体的侵彻过程中迫使弹体发生偏航，延长了侵彻路径，从而使多层穿孔间隙装甲获得更强的防弹能力。王郑[12]应用Ansys/Lsdyna 对间隙穿孔装甲抗弹性能进行了数值模拟，研究发现在一定范围内，弹体偏航及间隙的增大可以增强多孔钢板的抗弹性能。

本文设计一种新型含四棱锥/尼龙的间隙装甲，迎弹面层采用具有偏航作用的四棱锥结构组合靶板，芯层采用尼龙层，四棱锥组合靶板与尼龙层之间设有间隙，背板为钢板。通过弹道实验和数值仿真方法研究其抗侵彻性能与四棱锥结构参数之间的关系，为工程应用提供参考。

1 实验方案设计

1.1 侵彻实验的靶板结构设计

为了研究组合间隙装甲的性能，首先对所使用的四棱锥结构组合靶板和尼龙靶板分别进行防弹性能测试。四棱锥组合靶板由迎弹钢板、四棱锥板和背弹钢板组成，四棱锥组合靶板中迎弹钢板和背弹钢板的厚度均为1 mm，实验靶板示意图如图1 所示。为了研究四棱锥的结构对弹道偏航的效果和防弹性能的影响，设计5 种不同结构参数的四棱锥，高度均为6 mm，底边长度设定为6 mm，8 mm，10 mm，12 mm 和14 mm。尼龙靶板厚度设定为5 mm，2 种靶板的尺寸均为200 mm×200 mm。

图1 实验靶板示意图Fig. 1 Schematic diagram of experimental target plate

1.2 弹道实验装置

弹道实验采用一级轻气炮发射7.62 mm 钢芯弹。炮管内径为24.5 mm，长度为其内径的120 倍。通过调节炮管末端的高压气室内的高压气体推动弹托装置在炮管内加速，当达到弹托分离装置时弹体与弹托分离，进一步侵彻靶板。

实验所采用的弹体材料为T10 模具钢，弹体直径为7.62 mm，弹体长度为24.03 mm。

2 实验结果与讨论

2.1 尼龙靶板的侵彻实验结果

表1 为尼龙靶板的弹道冲击实验结果。可以看，出2 块尼龙靶板对弹体弹速的衰减均起到了较大作用，衰减量分别达到119.59 m/s 和126.76 m/s，消耗的弹体动能为193.7 J 和204.72 J。图2 为钢芯弹侵彻单层尼龙板的侵彻过程及破口图片。其中N-1 靶板实验中的弹体攻角为0.32°，N-2 靶板实验中的弹体攻角为8.47°，当子弹的攻角大时，子弹在靶板内的行进路程增加，同时弹体造成的单侧花瓣状破口也较大，因此N-2 能量吸收较大。由图还可以看出，弹体以明显攻角冲击靶板后产生的偏角与侵彻前弹体攻角相差不大。

表1 尼龙靶板侵彻实验结果Tab. 1 Experimental results of nylon target penetration

图2 弹体侵彻尼龙靶板的过程及破口形态Fig. 2 The process of projectile penetrating nylon target board and the shape of its rupture

2.2 四棱锥组合靶板的侵彻实验结果

图3 为弹体侵彻四棱锥组合靶板的全过程。可以看出，弹体以较小的攻角贯穿靶板后产生明显的偏角。弹体在侵彻四棱锥靶板的过程中由于四棱锥坡度的存在导致弹体前端受力不均，使得弹体在穿出背板后弹道发生了偏转。

图3 弹体侵彻四棱锥组合靶板的过程Fig. 3 The process of projectile penetrating into four pyramid composite target plates with different orientations

表2 为5 组四棱锥组合靶板的实验结果，5 组四棱锥组合靶板的着弹点均设计在棱上距离靶板中心3 mm处。可以看出，5 组四棱锥组合靶板均使弹体发生了较大幅度的偏转，偏转角度最大得是底边长为10 mm的四棱锥组合靶板，弹体偏角达到了49.19°。弹体的偏角随着四棱锥底边的增大呈现出先增大后减小的规律。

表2 四棱锥组合靶板的实验结果Tab. 2 Experimental results of two kinds of combined target plates

3 数值模型及其验证

3.1 数值模型的建立

图4 为在有限元软件Ansys/Ls-dyna 建立的靶板、弹体几何模型。靶板和弹体均采用1/2 模型。模型中靶板尺寸为120 mm×60 mm。使用Solid164 实体单元进行建模，采用六面体网格对模型进行划分，对弹体以及靶板冲击区域的网格细化。弹体与靶板之间的接触采用面面侵蚀接触，各个部件的接触刚度范围为0.7～1.2。模型的边界条件为在1/2 模型的对称面设置对称约束，靶板的固定采用四周约束。

图4 几何模型Fig. 4 The geometric model

3.2 材料模型及参数的选择

模型中子弹的材料选用工具钢，间隙装甲结构中除尼龙板均使用A3 钢，2 种金属的材料模型均使用Johnson-Cook 模型方程如下式：

文献[13 – 14]给出的工具钢及A3 钢材料参数及本构模型参数如表3 所示。

尼龙的材料模型采用双线性随动塑性本构模型（Cowper-Symonds）来描述，如下式：

文献[15]给出的尼龙的材料参数及本构模型参数如表4 所示。

表4 尼龙的材料参数及本构模型参数Tab. 4 Material parameters and constitutive model parameters of nylon

3.3 数值模型验证

为了验证仿真结果的有效性，在Ansys/Ls-dyna 中建立与实验靶板和弹体相同尺寸的有限元模型。验证的靶板模型有2 种，一种是尼龙靶板，一种是四棱锥组合靶板。

图5 为尼龙靶板仿真与实验对比图。可以看出，仿真和实验的靶板背弹面都呈现出花瓣状破坏。仿真模型中靶板的背弹面破坏形貌与实验的靶板破坏形貌近似一致，验证了仿真的有效性。表5 为弹体侵彻2 块尼龙靶板仿真和实验的剩余速度对比，仿真与实验的误差为5.80%和9.49%，均在可以接受的范围之内，同样验证了仿真模型的正确性。

表5 单层尼龙靶板实验与仿真数据对比Tab. 5 Comparison between experiment and simulation data of single-layer nylon target plate

图5 尼龙靶板仿真实验对比图Fig. 5 Comparison diagram of simulation experiment of nylon target plate

图6 为实验靶板和仿真靶板在着弹点附近靶板破口形状的比较。可以看出，实验与仿真的着弹点处破口形状高度吻合都呈现出圆形状。表6 给出了弹体侵彻组合靶板的仿真和实验结果比较，击穿的组合靶板实验和仿真的剩余速度误差在10%以内，弹体偏角的误差在11%～20% 以内，均在可以接受的范围之内，验证了有限元模型的精度。

表6 组合靶板实验与仿真数据对比Tab. 6 Comparison of experimental data and simulation data of composite target plate

图6 组合靶板着弹点处破口形状实验与仿真比较图Fig. 6 Comparison between experiment and simulation of fracture shape at landing point of composite target plate

4 靶板的结构优化

4.1 四棱锥朝向对间隙装甲抗侵彻性能的影响

为了探究四棱锥的朝向对间隙装甲抗侵彻性能的影响，弹体速度设定为700 m/s，分别侵彻四棱锥为迎弹面和背弹面的间隙装甲结构。2 组间隙装甲的四棱锥底边长均为8 mm，高均为6 mm，间隙层均为20 mm，尼龙层均为20 mm。图7 为弹体侵彻两种间隙装甲的弹体横向位移、速度与时间的关系曲线。可以看出：弹体贯穿四棱锥为迎弹面的间隙装甲后产生的横向位移明显大于四棱锥为背弹面的间隙装甲，说明四棱锥为迎弹面的靶板使弹体偏航的作用更大；弹体贯穿四棱锥向上的间隙装甲后剩余速度明显小于四棱锥向下的间隙装甲，抗侵彻性能更好。表明弹体的偏航效果越好，间隙装甲的抗侵彻性能越好。其原因是弹体偏航效果越好，弹体会以更大的偏转角度斜侵彻间隙装甲，产生更大的侵彻路径。

图7 700 m/s 侵彻速度下2 种间隙装甲的横向位移与剩余速度对比图Fig. 7 Comparison diagram of lateral displacement and residual velocity of two kinds of clearance armor at 700 m/ s penetration velocity

4.2 四棱锥底边尺寸对间隙装甲抗侵彻性能的影响

四棱锥向上的间隙装甲抗侵彻性能优于四棱锥向下的间隙装甲，因此在探究四棱锥底边尺寸对间隙装甲抗侵彻性能的影响时，只研究四棱锥向上的间隙装甲。改变四棱锥板的底边尺寸，弹着点均取在四棱锥顶点往左3 mm 处。图8 为弹体剩余速度与四棱锥底边尺寸之间的关系。可以看出：弹体侵彻底边长为6 mm的四棱锥间隙装甲剩余速度最大，抗侵彻性能最差；底边长为25 mm 的间隙装甲剩余速度最小，抗侵彻性能最好。在着弹点相对于四棱锥顶点不变的情况下，底边尺寸越大，弹体侵彻四棱锥的深度也越大，一定程度上可以增加间隙装甲的抗侵彻性能；弹体剩余速度随着底边长度的增大在总体上呈现出递减的趋势，但是并非严格的递减关系。这是因为随着四棱锥底边尺寸的改变，着弹点处的坡度也会随之改变，影响弹体的偏转角度进而影响侵彻尼龙层的路径长度，从而影响间隙装甲的抗侵彻性能。由此可知，弹体侵彻四棱锥靶板的深度及四棱锥的坡度共同影响间隙装甲的抗侵彻性能。

图8 弹体剩余速度曲线图Fig. 8 Residual velocity curve of projectile body

4.3 四棱锥坡度对间隙装甲抗侵彻性能的影响

在探究四棱锥坡度对间隙装甲抗侵彻性能的影响时，保持四棱锥的高度6 mm 不变，通过四棱锥的底边尺寸来改变四棱锥的坡度，通过平移弹体的位置来保证每组弹体侵彻四棱锥的深度均为3 mm。图9 给出了四棱锥坡度与弹体剩余速度、偏角的关系，通过反余弦公式计算弹体剩余速度与剩余速度在竖直方向投影的速度可得弹体的偏转角度。可以看出，剩余速度的总体趋势是随着坡度i（i=四棱锥高度/底边长度的一半）的减小先减小后增大，弹体的偏转角度随着四棱锥坡度的减小先增大后减小，剩余速度最小的点对应的弹体偏角的点靠近于偏角的最大值。四棱锥坡度i=2/1 的间隙装甲弹体剩余速度最大，抗侵彻性能最差，贯穿四棱锥坡度i=6/7 的间隙装甲剩余速度最小，抗侵彻性能最好。

图9 不同坡度下弹体偏角与剩余速度的关系Fig. 9 Relationship between residual velocity and deflection Angle of projectile body at different slope

5 结 语

本文提出一种含四棱锥/尼龙结构的间隙装甲，研究四棱锥的不同朝向以及四棱锥底边尺寸、四棱锥坡度对间隙装甲抗侵彻性能的影响，得出以下结论：

1）四棱锥向上的间隙装甲使弹体产生的偏航的效果比四棱锥向下的间隙装甲更好，弹体的侵彻路径更长，抗侵彻性能更好。

2）弹体在同一相对位置且以相同的速度侵彻四棱锥底边长度不同的间隙装甲时，随着四棱锥底边尺寸的增大，剩余速度总体趋势上呈现出递减的趋势，但是并非严格的递减关系，说明弹体的剩余速度受到弹体侵彻四棱锥的深度以及四棱锥的坡度2 个因素的影响。

3）弹体的偏转角度随着四棱锥的坡度减小先增大后减小，剩余速度在总体趋势上先减小后增大，四棱锥坡度i=6/7 时间隙装甲的抗侵彻性能最好。