球头弹低速贯穿金属/FRP组合薄板的实验研究

陈长海，朱 锡，侯海量，沈晓乐，唐 廷

（1.海军工程大学 舰船工程系，武汉430033；2.海军91439部队 旅顺试验场，辽宁 大连116041）

现代舰船舷侧广泛采用外设复合装甲的结构形式，以尽可能地减小战斗部的侵深.然而，采用外设形式的舷侧复合装甲在海洋环境中受干湿交变、温度变化以及光照的影响，易产生老化现象，从而使复合装甲的力学性能明显降低[1].文献[2]针对舰船舷侧外设复合装甲的结构形式，开展了模拟弹道实验，结合实验分析了结构的破坏模式和吸能机理.相比于文献[2]中研究的舷侧外设复合装甲，内设复合装甲除不易老化外，还能较好地发挥其抗弹吸能能力，从而提高舷侧复合装甲结构的整体抗穿甲性能.

为研究舰船舷侧内设复合装甲结构的抗穿甲破坏机理，并预测战斗部穿透舷侧内设复合装甲结构后的剩余速度，本文以均质钢板后置复合材料板模拟舰船舷侧内设复合装甲结构，结合低速弹道冲击试验分析了组合结构靶板的穿甲破坏模式.在此基础上，得到了球头弹丸穿透组合结构靶板后的剩余速度的理论预测公式，并将理论预测剩余速度值与实验结果进行了比较.

1 动能穿甲相似理论

考虑到目前半穿甲导弹的攻击速度在300m/s左右，其弹径通常是舷侧外板厚度的10倍以上.因此，半穿甲战斗部对舷侧结构的动能穿甲属于低速穿甲问题，热力学效应可忽略不计，影响穿甲的主要因素是靶板强度和弹体形状.根据π定理，在不考虑热力学参数时，一定弹速v0下，穿甲深度P可表示为[3]

式中，d为弹径，α为入射角，φ为弹头锥角，ρ为弹头曲率半径，l为弹长，ρ0为靶板材料密度，σy为屈服强度.

如果靶板模型与原型材料相同，弹体形状和尺寸与原型缩比相似，则由式（1）可知，对于低速穿甲问题，在靶板材料相同，弹速相等的情况下，穿甲过程（穿深）满足几何相似率.

2 试验设计与实施

试验发射装置为15mm口径的滑膛枪，通过火药推进.试验装置示意图如图1所示.试验时靶板四边被固定在支架上（如图2），试验中弹丸初速和剩余速度通过布置在靶板前后的两组测速靶网测得（如图3）.

图1 试验装置示意图

图2 靶板固定情况

图3 实验测速系统

试验采用弹径d＝14.9mm的球头弹，弹丸总长为21.4mm.图4给出了弹丸的设计尺寸和实物照片.弹体材料为经淬火处理的45＃钢，屈服强度约为355MPa.弹丸初始发射速度在200～400m/s之间.

图4 试验弹丸

试验靶板为复合材料板（FRP）与均质钢板组合形成的靶板（以下简称组合靶板），靶板尺寸为350mm×350mm.组合靶板中复合材料板（以下称为后置复合装甲板）被置于均质钢板（以下称为前置钢板）的后面，以模拟舰船舷侧内设复合装甲以及舰船的舷侧结构.组合靶板中前置钢板的材料为Q235低碳钢.后置复合装甲板为芳纶纤维平纹织布（T750平纹织布）增强的模压靶板，模压温度为210℃，压力为3 MPa，基体为聚碳酸酯（PC膜），基体含量在15%～20%范围内.前置钢板与后置复合装甲板之间通过环氧树脂粘结.T750织布的面密度为460g/cm2，单层厚度为0.65 mm，经、纬方向上拉伸断裂强度均为430.8 MPa.PC膜的面密度为150g/cm2，单层厚度为0.125mm，拉伸断裂强度为50 MPa.

3 试验结果及分析

3.1 弹道试验结果

通过对试验侵彻过程的观察表明，弹丸的侵彻为垂直于靶板的正侵彻.表1为弹道试验结果以及相关的主要参数.表中，hs为前置钢板厚度，hc为后置复合装甲板的等面密度钢甲厚度，mp为弹丸质量，v0和vr分别为弹丸初速和剩余速度.图5给出了试验2的侵彻过程.

表1 弹道试验结果

图5 试验2的侵彻过程

3.2 试验结果分析

组合靶板中前置钢板的破坏形貌如图6所示.从图中可看出，前置钢板冲击区边缘存在明显的剪切冲塞痕迹，同时冲击区附近存在一定的塑性变形.由此可得，前置钢板的主要破坏模式为剪切冲塞破坏.

图6 试验6前置钢板破坏形貌

后置复合装甲板的破坏形貌如图7所示.由图7（a）可看出，后置复合装甲板迎弹面冲击区绝大部分纤维被拉断破坏，冲击区边缘几乎没有被剪切破坏的纤维，冲击区外围存在少量的横向变形.而从背面（图7（b））还可看出，断裂的纤维出现了较严重的原纤化现象.后置复合装甲板由于背面没有其它结构的限制，同时前置钢板降低了弹丸冲击后置复合装甲板时的速度，从而使得冲击区的纤维趋向于拉伸断裂破坏.

图7 试验6后置复合装甲板的破坏形貌

比较文献[2]中前置复合材料板的组合靶板的破坏模式可知，本文试验中前置钢板的破坏模式与文献[2]中的钢质背板完全不同，而后置复合装甲板的主要破坏模式虽然与文献[2]中的前置复合装甲板相同，但本文中的后置复合装甲板迎弹面几乎没有出现纤维剪切破坏的现象.由于本文试验中使用的复合材料板和钢板的厚度与文献[2]中的试验均存在较大差别，另外复合材料板与钢板之间的粘结方式也不同，因此不便进行抗弹吸能的比较.而相同的厚度和粘结方式条件下，对于前置复合装甲板的组合靶板和后置复合装甲板的组合靶板的抗弹吸能比较将另文给出.本文的主要目的是通过弹道试验分析靶板的破坏模式，在此基础上得到弹丸穿透后置复合装甲板的组合靶板的剩余速度理论预测公式，并进行试验验证.

4 剩余速度理论预测分析模型

通过分析组合靶板前置钢板和后置复合装甲板的破坏模式可知，前置钢板的破坏模式主要为剪切冲塞破坏，而后置复合装甲板的破坏模式为弹丸冲击区的纤维拉伸断裂破坏，后置复合装甲板的弹道冲击响应为局部破坏响应.下面利用能量守恒原理建立弹丸穿透组合结构靶板后的剩余速度计算公式.

在弹丸侵彻组合结构靶板的过程中会产生一定的热能，这显然是由于弹丸表面与靶板的摩擦效应引起的.然而，当弹丸低速穿甲时，对于薄金属靶板而言，摩擦耗能占靶板整体耗能的比例很小[4].同样，对于纤维增强复合材料板，在弹丸低速侵彻下，弹丸与靶板之间的摩擦系数以及弹丸表面压阻力均较小[5]，这使得弹丸侵彻过程中的摩擦耗能较小并可忽略.因此，在本文的能量分析过程中，假设弹丸穿透组合结构靶板时的摩擦耗能（即产生的热能）很小且可忽略.另外，从图6可看出，前置钢板破口周围存在一定的塑性变形，但其变形程度较小，且由于有后置复合装甲板的限制，其变形范围仅局限于破口附近.因而，前置钢板破口周围的塑性变形吸能相对较小，在本文能量分析中不考虑此部分能量.事实上，由于前置钢板破口周围塑性变形能所占比例较小，在工程估算中可不考虑这部分能量，虽然这样得到的弹丸剩余速度偏大，但对于内部防护结构的设计和评估是偏于安全的.

通过以上分析，结合本文对靶板破坏模式的分析可知，组合结构靶板的总吸能主要包括前置钢板剪切吸能和失效块动能以及后置复合装甲板的吸能3部分.前置钢板剪切吸能Ws为

式中，d为弹体直径，hs为前置钢板厚度，τs为钢板的剪切屈服强度.假设钢板为刚塑性材料，则根据Von.Mises屈服准则，有，σy为钢板的屈服强度.则有：

前置钢板在弹丸穿透后会形成失效块，假设失效块的直径等于弹体直径，则失效块的质量ms为

弹丸穿透前置钢板后，失效块与弹丸一起作用于后置复合装甲板.对于弹丸侵彻后置复合装甲板的过程，根据文献[6]可认为，弹丸在侵彻后置复合装甲板的过程中受到的平均压应力σ由复合材料弹塑性变形所引起的静态阻力σe和速度效应引起的动阻力σd两部分组成.即：

动阻力σd与弹头的形状和弹丸速度有关，可表示为，则有：

式中，ρc为复合板的密度，β是与弹头形状有关的系数，对于球头弹可取β＝1.5[6]，vc0为弹丸穿透前置钢板后冲击后置复合装甲板时的速度.

因此，当弹丸侵彻后置复合装甲板时，弹头表面受到的沿侵彻方向的总阻力为

由此，得到后置复合装甲板在弹丸侵彻过程中吸收的冲击动能Wc为

式中，hc为后置复合装甲板的厚度.弹丸穿透前置钢板后，根据能量守恒原理有：

将Ws代入上式可求得：

将上式vc0代入式（8）即可得到后置复合装甲板的吸能Wc.假设失效块随弹丸一起运动，即失效块剩余速度与弹丸剩余速度相同.则弹丸和失效块穿透整个组合靶板后，组合靶板总吸能Et包括前置钢板的剪切吸能Ws、后置复合装甲板的吸能Wc以及失效块的动能/2，即：

试验结果表明，弹丸在侵彻过程中没有发生明显的变形，弹体保持为刚体，则弹丸损失的动能即组合靶板吸收的总动能Et为

将Ws和Wc代入式（11）并与式（12）联立，可得到弹丸穿透组合靶板后的剩余速度为

弹丸穿透前置钢板后冲击后置复合装甲板时的速度vc0由式（10）计算得到.利用式（13）对试验工况下弹丸穿透组合靶板的剩余速度进行理论预测，结果如表2所示.理论计算中前置钢板σy＝235 MPa，ρs＝7 800kg/m3.后置复合装甲板的弹性极限σe通过准静态材料性能试验得到，σe＝570.5 MPa，ρc＝1 600kg/m3.由表2可知，理论预测剩余速度值与实验结果吻合较好.应该指出的是，本文的预测模型中没有考虑前置钢板与后置复合装甲板之间的相互作用以及两者之间的粘结对组合靶板整体抗弹吸能的影响.另外，由于本文的预测模型中未考虑前置钢板破口周围塑性变形的吸能，因此，在弹丸初速较低且后置复合装甲板相对较薄的情形下，利用本文理论模型预测得到的结果可能误差较大.而通过对剩余速度理论预测值与实验结果的比较表明，虽然本文的理论分析模型未能完全反映靶板的抗弹吸能机理以及破坏模式的差异对靶板吸能的影响，但所用参数较少，且易于从简单实验和测量中得到，使用方便.考虑到船用钢板与试验用钢在常温下力学性能的相似性，工程上可利用本文理论预测公式对球头弹丸穿透组合薄靶板的剩余速度进行预测和估算，而且可以获得较满意的精度.

表2 剩余速度理论预测值与实验结果的比较

5 结束语

进行了组合薄靶板的低速弹道冲击试验，分析了组合靶板中前置钢板和后置复合装甲板的破坏模式.在此基础上，根据靶板的破坏模式，得到了球头弹丸低速穿透组合靶板后的剩余速度预测公式.通过与弹道试验结果的比较表明，本文提出的理论预测模型具有一定的合理性和较高的准确性，而且计算简单、方便，所涉及的参数较少，适合于工程应用.

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