平头弹穿透间隙式双层靶的穿甲模式
2016-04-17陈小伟
刘 兵,陈小伟,2
(1.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010；2.中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621999)
平头弹穿透间隙式双层靶的穿甲模式
刘 兵1,陈小伟1,2
(1.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010；2.中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621999)
平头弹贯穿单层金属靶，随着靶厚的增加和弹速的增高，穿甲模式均可能由剪切冲塞向绝热剪切冲塞转换。因此，对于双层或多层靶的穿甲，其不同层的靶板失效模式可能是不同的。本文中对相关的平头弹穿甲Weldox 700E单层及双层间隙式钢靶的实验数据进行分析，讨论其穿甲模式。弹速较高时，贯穿第1层靶发生绝热剪切失效，弹速降低，贯穿第2层靶板发生绝热剪切失效或剪切冲塞失效,最终失效模式为绝热剪切和剪切冲塞混杂。
固体力学；穿甲模式；剪切冲塞；间隙式双层靶；绝热剪切冲塞；单层靶
在军事应用和民用防护中，平头弹穿甲金属板起着重要作用。随着实验技术的提高、计算机的发展和相关理论的提出，平头弹对单层靶破坏模式得到了较充分的认识。近年来，双层靶的穿甲破坏模式研究受到广泛关注，但还远不及单层靶，对双层靶研究的深度和宽度也很有限。目前主要手段为实验研究和数值模拟，缺乏失效模式的理论模型。
S.Dey等[1]通过实验，研究了平头弹对双层靶以及相同厚度的单层靶的侵彻性能，认为双层靶比单层靶的弹道极限高是由于两者的变形和失效形式不同，双层靶产生较大的弯曲变形，耗散更多能量。张伟等[2]通过实验发现(2×5+200) mm间隙式双层靶结构发生冲塞剪切破坏，认为来自于第1层靶板的塞块对靶板的弹道极限产生影响。X.Teng等[3]通过ABAQUS/EXPLICIT软件建立二维轴对称模型，结果表明，将单层靶分为两层时对平头弹的抗侵彻能力提高7%～25%。R.L.Woodward等[4]分析认为，第1层为厚靶时发生冲塞破坏，较薄时发生碟形破坏，同时假定后层靶板的失效模式为碟形破坏。邓云飞等[5]通过实验，研究了间隙对A3钢薄板抗尖卵形弹侵彻性能的影响，认为间隙大小对靶体抗侵彻性能和失效模式影响不大；C.C.Liang等[6]认为，间隙对双层靶的弹道极限影响较小，并基于动量守恒和动能守恒以及R.F.Recht等的工作[7]对剩余速度进行预报，其预测结果与文献[8]中的实验结果相近。总之，无论单/双层靶或多层靶穿甲，其最终的终点弹道性能与靶板的穿甲失效模式相关，并进一步导致能量及动量的不同分配。
双层靶板结构形式分为接触式和间隙式。本文中，利用相关理论模型[9-10]，研究间隙式双层靶的失效模式，提出平头弹穿甲间隙式双层靶板存在不同破坏模型，并给出剩余速度的计算公式。以此为理论基础，对平头弹穿甲Weldox E系列钢靶的实验数据[1]进行系统的分析。
1 模 型
1.1 剪切冲塞模型
针对平头刚性弹撞击金属圆板问题，X.W.Chen等[9]利用刚塑性分析建立剪切冲塞模型，并将局部撞击响应和整体结构响应相结合。除剪切破坏外，针对不同厚度的靶板，模型中还考虑了靶板弯曲、膜力拉伸和局部压入/侵彻等的作用。
平头弹穿甲中厚靶的弹道极限和剩余速度分别为[9]：
(1)
1.2 绝热剪切冲塞模型
穿甲问题是个绝热过程，随着靶厚和靶材强度的增加，靶板失效模式并不是单一的剪切冲塞，穿甲模式有可能发生由剪切冲塞向绝热剪切冲塞转换，或是两者的混合。在穿透情形发生绝热剪切失效时，相应临界速度vA为[10]：
(2)
方程(2)给出了绝热煎切临界速度vA与靶厚、靶材参数(强度、密度和力学性能等)以及弹体参数之间的关系(几何形状和质量)。
在绝热剪切冲塞穿甲模式中，其终点弹道性能相对较复杂，需分别考虑[11-12]。
(1)vA≤vBL
绝热剪切失效先于剪切冲塞穿甲发生，可认为穿甲模式为绝热剪切冲塞，该状况对应于较大厚度靶板，无需计及靶板的结构响应[10]。弹道极限应修正为：
vASB-BL=vA
(3)
弹和冲塞块的剩余速度为：
(4)
(2)vA>vBL
分析表明，该状况对应于较小厚度靶板，应考虑靶板的结构响应[10]。
若vBL
若vi≥vA，弹体绝热剪切冲塞穿透靶板，由于失效模式变换，剩余速度修正为：
(5)
这里仍取vASB-BL=vA。
还有，材料失效效应往往是剪切失效和绝热剪切失效的混杂，可以假设绝热剪切冲塞穿甲的弹道极限为：
vASB-BL=(1-δ)vA+δvBL0<δ<1
(6)
式中：δ为两种模式在混杂中占有的程度。
需指出的是，随着靶厚的增加，靶板失效模式可能由剪切冲塞向绝热剪切冲塞转换；随着弹速的增加，靶板失效模式也可能由剪切冲塞向绝热剪切冲塞转换；不同靶材也会影响靶板的失效模式，若靶材强度较高，也容易发生绝热剪切失效[11]。
陈小伟等[11]根据以上两种分析模型，对文献[13-14]中大量的实验数据进行比较分析，得到较理想的结果，证实了上述物理现象的存在；张伟等[2]认为这两种模型是平头弹穿透金属靶板失效模式的典型代表；潘建华等[15]参考了文献[10]，得到了几乎相同的破坏模式转化的临界条件。
2 实验分析
2.1 单层靶穿甲
根据以上两种分析模型，对于Weldox 700E靶板，6 mm厚度单层靶穿透的弹道极限和绝热剪切临界速度分别为171.2、213.0 m/s，12 mm的分别为228.9、201.6 m/s。可知在弹穿透情形中，6 mm厚单层靶有vBL
图1 平头弹撞击单层金属靶Fig.1 Blunt rigid projectile striking single-layered metal plate
2.2 间隙式双层靶穿甲
S.Dey等[1]指出，平头弹穿甲间隙双层靶除发生冲塞破坏之外，来自于第1层靶的塞块阻碍了第2层靶中的局部剪切，产生的较大弯曲变形需要吸收更多的能量，弹体需要贯穿的有效厚度也随之增加；张伟等[2]也指出来自于第1层靶的塞块对终点弹道性能将产生影响。因此，在分析平头弹撞击间隙式双层靶失效模式时，要考虑来自于第1层靶的塞块对终点弹道性能的影响。
分析平头弹撞击间隙式双层靶，将它看成两块厚度为6 mm的单层靶，可简单通过比较剪切冲塞和绝热剪切冲塞模型来进行分析。按照单一模型分析，即假定两层靶板均分别发生剪切冲塞失效或绝热剪切失效，可得到平头弹贯穿第1层靶后的剩余速度，然后再以该速度作为穿甲第2层靶板的初速，可得到最终的剩余速度。
另外，若平头弹初速较高且大于绝热剪切临界速度vA，第1层靶板将发生绝热剪切失效。贯穿第1层靶板后，由于弹速降低，贯穿第2层靶板将出现两种可能：若弹速仍大于vA，则第2层靶板失效模式仍表现为绝热剪切破坏；若弹速小于vA，则易发生剪切冲塞失效，平头弹穿甲间隙双层靶的失效形式是绝热剪切和剪切冲塞的混杂，即先绝热剪切失效，后剪切冲塞失效。
表1 实验结果和数值模拟结果Table 1 Experimental results and numerical simulation results
由以上分析得到的理论预期与文献[1]实验结果进行对比，见表1。采用Recht-Ipson公式[7]处理弹体的初始-剩余速度关系，来采信实验数据。文献[1-2]中实验数据离散性大，部分实验结果与拟合的Recht-Ipson曲线出入较大。S.Dey等[1]认为，原因是两批弹的脆性不同，其中脆性偏高的一批弹贯穿靶板后破碎飞溅；张伟等[2]认为，原因是弹同塞块(来自第1层靶板)撞击第2层靶板的位置不同。由表1可知，根据剪切冲塞模型和绝热剪切冲塞模型得到的弹道极限分别为237.5和295.5 m/s，而按照绝热/剪切冲塞混杂模型进行分析得到弹道极限为260.3 m/s。
当初始弹速大于295.5 m/s时，弹贯穿第1层靶后，剩余弹速仍较高且大于vA，继续穿甲第2层靶板仍表现为绝热剪切失效，这样通过绝热/剪切冲塞混杂模型得到的剩余速度与绝热剪切模型相同；当初始弹速小于或等于295.5 m/s时，弹贯穿第1层靶后，剩余弹速将小于vA，继续穿甲第2层靶板时其穿甲模式将变为冲塞剪切，因此其弹道极限根据式(6)进行修正。
图2(a)给出了由单一剪切冲塞模型分析双层靶的剩余速度和实验结果对比。理论预期弹道极限为237.5 m/s，对双层靶穿甲后的剩余速度理论预期大于相关实验值。利用单一剪切冲塞模型分析平头弹穿甲双层间隙靶是不合适的，其失效模式可能不是单一的剪切冲塞破坏。
图2 平头弹撞击间隙式双层靶Fig.2 Blunt rigid projectile striking double-layered metal plate
图2(b)给出了由单一绝热剪切冲塞模型分析双层靶的剩余速度和实验结果对比。弹道极限理论预期为295.5 m/s，比实验值显著偏大。在较高弹速范围内，剩余速度理论预期接近实验结果；但当弹速低于295.5 m/s时，理论模型无法预期实验结果，表明绝热剪切冲塞模型对弹速有一定要求。
图2(c)则利用绝热/剪切冲塞混杂模型分析平头弹穿甲双层间隙靶，并与实验结果比较。弹道极限理论预期为260.3 m/s，对剩余速度的预期与实验值接近。该模型给出的弹道极限和剩余速度都与实验结果较好吻合。
综上所述：当初始弹速vi>295.5 m/s时，平头弹穿甲双层间隙靶均为绝热剪切冲塞；当260.3 m/s
3 结 语
将单层靶的剪切冲塞和绝热剪切冲塞模型[9-10]进一步延伸，应用于间隙式双层靶的穿甲分析。平头弹贯穿间隙式双层靶，较高速弹贯穿第1层靶板时发生绝热剪切冲塞，由于弹速降低，贯穿第2层靶板的失效模式有可能由绝热剪切向剪切冲塞转换。
对平头弹穿甲Weldox 700E钢靶的实验数据[1]进行系统的分析比较，间隙式双层靶最终的破坏模式为考虑结构响应的绝热剪切和剪切冲塞混杂失效，即先绝热剪切，后剪切冲塞，理论预期与实验结果较好吻合。
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(责任编辑 丁 峰)
Perforation modes of double-layered plates with air space struck by a blunt rigid projectile
Liu Bing1, Chen Xiaowei1,2
(1.SchoolofCivilEngineering,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,Sichuan,China;2.InstituteofSystemsEngineering,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621999,Sichuan,China)
In the cases of the perforation of a single-layered metal plate struck by a blunt rigid projectile, along with the increase of the plate thickness and that of the projectile velocity, the failure mode of the metal plate may transform from shear plugging to adiabatic shear plugging. Therefore, regarding the perforation of double-layered or multi-layered plates, the failure modes of various plates can be quite different. In this work we investigated these different perforation modes by conducting experimental analyses on the perforations of single- and double-layered Weldox E steel plates with air space. Our results indicate that, in the case of a higher initial striking velocity, the failure mode of the first layer plate is adiabatic shear plugging, while that of the second layer plate is adiabatic shear plugging or shear plugging as the striking velocity of the projectile slows down. We conclude that the final failure mode of the double-layered plates is the mixture of both shear plugging and adiabatic shear plugging.
solid mechanics; perforation mode; shear plugging; double-layered plate; adiabatic shear plugging; single-layered plate
10.11883/1001-1455(2016)01-0024-07
2014-07-03； < class="emphasis_bold">修回日期：2015-02-06
2015-02-06
国家自然科学基金国家杰出青年科学基金项目(11225213)
刘 兵(1987— )，男，硕士，工程师;
陈小伟,chenxiaoweintu@yahoo.com。
O385 <国标学科代码：1301540 class="emphasis_bold"> 国标学科代码：1301540 文献标志码：A国标学科代码：1301540
A
