防弹板的研究现状

陈 功，代璐蔚，孙智富，尹春玲, 方大蓉

(1.重庆大学 材料科学与工程学院， 重庆 400044； 2.重庆理工大学 材料科学与工程学院， 重庆 400054； 3重庆机电职业技术学院 兵器装备研究所， 重庆 400036； 4.武汉理工大学， 武汉 430070； 5.中国兵工学会， 北京 100089; 6.重庆机械电子技师学院， 重庆 400037)

【装备理论与装备技术】

防弹板的研究现状

陈 功1,3，代璐蔚2,3，孙智富4，尹春玲5, 方大蓉6

(1.重庆大学 材料科学与工程学院， 重庆 400044； 2.重庆理工大学 材料科学与工程学院， 重庆 400054； 3重庆机电职业技术学院 兵器装备研究所， 重庆 400036； 4.武汉理工大学， 武汉 430070； 5.中国兵工学会， 北京 100089; 6.重庆机械电子技师学院， 重庆 400037)

从各类防弹板的特点、防弹板性能测试研究进展和防弹性能的改善途径3个方面出发，论述分析了防弹板的国内外研究进展，并预测了今后防弹板的发展趋势。

防弹板；数值模拟；抗侵彻能力；力学性能

随着科学技术的不断发展，武器性能的不断提高，人员和装备的防弹性能也越来越受到重视。防弹板的研究与生产体现了国家的军事实力，这是维护军民安全的重要保证。由于防弹板具有比较可靠的防护性能，所以常用于个人防护以及装甲。防弹板主要功能是阻止子弹对防弹板的侵彻[1]。所以，不仅要保证防弹板的高强度和硬度，还要具备良好的冲击韧性。

数值模拟方法是在理论分析和实验研究的基础上进一步分析的一个重要途径，优点是不仅在方法上简单，各种性能参数可调性强，操作方便，不易受到客观条件限制，不需要耗费大量经费，适用性强。针对某些复杂的问题，当实验不能充分说明相关情况或者实验步骤较复杂时，运用数值模拟分析，可以收到相当好的效果[2-3]。

国内外有不少专家学者，从不同角度对防弹板及其发展状况进行了研究，如防弹板的抗裂性、抗侵彻能力、防弹能力以及结构化、轻量化等。本文从防弹板的分类、防弹性能的检测方法和防弹性能3个方面，全面综述了防弹板的研究进展。

1 国内外研究简介

目前，国内外对防弹板的研究主要集中在防弹板的抗裂性、抗侵彻能力、防弹能力以及结构化、轻量化等方面。Alkemade[4]为研究防弹板的抗裂性，主要对奥氏体、铁素体及双相不锈钢焊丝分析，对1 500 MPa级的轻型装甲钢进行了斜Y裂纹敏感性试验。试验结果得出，实验过程中的预温度与热输入会对焊丝的抗裂性有直接影响。Magudeeswaran[5]等使用不同的材料对中碳调质钢进行冷裂纹插销试验。由试验结果可知，奥氏体焊缝组织可以溶解更多的氢，但是焊缝的扩散氢含量都较低。低氢型铁素体焊缝组织属于软化相，对接头韧性有利，而且更经济。

李成等[6-7]考虑防弹装备的防弹能力及作战灵活性，采用ANSYS限元分析软件对子弹侵彻防弹钢板进行数值模拟，再现了侵彻的动态过程,进一步分析分层及间隙作用对钢板的抗侵彻能力的影响。彭杏娜等[7]通过对1 500 MPa级以上30MnCrNiMo防弹钢板和配套的两种高强钢实芯焊丝进行斜Y型抗裂性试验，研究环境条件以及不同焊接热输入对高强钢实芯焊丝抗裂性的影响。结果表明，该防弹钢对冷裂纹敏感性很强，但是在不预热条件下，控制环境条件和热输入，可以使高强钢实芯焊丝在高应力下阻止起裂和裂纹扩展；且采用含Ni量高的焊丝比含Ni量低的焊丝抗裂性更好。李欢秋等[8]通过弹道实验和数值模拟方法研究了装甲钢复合芳纶泡沫夹层结构抗56式7.62 mm普通钢芯弹贯穿特性，通过对防弹板吸收子弹动能的影响因素分析，提出该种装甲钢复合芳纶泡沫夹层结构最佳防弹速度区间。李志刚等[9]研究和开发了高强度热轧防弹钢板B900FD，设计了合金的化学成分，探讨了不同卷加工温度对防弹钢组织、力学性能的影响；对防弹钢板进行了枪击试验，同时对枪击后着弹点的变形特性和组织进行了分析；进行了加工工艺试验和焊接试验。王东涛等[10]对产生裂纹的防弹钢板材料进行了原始状态表面检查、化学成分分析、金相试验、硬度试验和实船结构装焊模拟试验，探讨某型舰用防弹钢板焊接裂纹的形成机理，裂纹主要是焊接冷裂纹，是由于F-1G防弹钢板本身具有较大的冷裂倾向产生的。因此，为防止焊接冷裂纹产生，必须控制3个主要影响因素[11-12]，即降低扩散氢量、减小拉伸拘束度和减少组织硬化程度。

防弹板有多种分类方法，按照原材料的种类分，主要有金属防弹板、陶瓷防弹板、高性能纤维复合防弹板等[13]。金属防弹板又包括防弹钢板、防弹铝板和防弹钛板等。金属防弹板主要是利用自身的强度、硬度使弹体受阻后破裂，然后弹开破裂后的碎片达到防弹的目的。目前，军队上使用最多的是金属防弹板。防弹钢板通常应用在防弹防爆等项目上，比如防弹门，防弹盾牌；银行柜台，保险柜；防暴车，防弹运钞车，装甲运兵车，战车，潜艇，登陆艇，缉私艇，直升机等[14-15]。

按照用途来分，主要有飞机、舰船、防弹运钞车、防爆车和装甲战车等特种车辆等以及人员防弹衣等武装装备[15]。

2 防弹板的模拟

2.1采用ANSYS对不同厚度防弹板侵彻能力数值模拟

数值模拟中采用塑性随动强化模型和Johnson-Cook材料模型进行建模分析，描述材料在高速冲击下的物理特性[16]。塑性随动强化模型J-C本构关系为

图1为子弹以500 m/s的速度侵彻3 mm厚度的钢板过程图，通过数值模拟可知，钢板由于子弹的撞击产生弹伤鼓包，背面弹伤鼓包高度与枪击试验得到的背面弹伤鼓包高度相差不多，都在8.5 mm左右。图2为子弹以500 m/s的速度撞击5种不同厚度的钢板，得到的弹靶最终状态图。从图中可以发现，厚度为2 mm和2.1 mm的钢板都被穿透；厚度为2.2 mm和2.3 mm的钢板没有被穿透，只是使钢板背部产生了崩落，子弹所剩动能较低，子弹的剩余速度为1.88 m/s和0；厚度为2.4 mm 的钢板，可以防止子弹撞击，钢板未损坏，只是产生了弹坑，子弹剩余速度为0。

图1 分别为 t=3 μs，20 μs, 33 μs, 42 μs, 72 μs时，3 mm钢板侵彻过程

图2 厚度 h=2 mm， 2.1 mm， 2.2 mm，2.3 mm， 2.4 mm钢板抗子弹侵彻最终状态

通过实验可以看出，B900FD-1型防弹钢板有良好的塑性强化特性[17]。但是由于子弹材料不具备这种塑性强化特性，在侵彻钢板时子弹产生的塑性应变很快达到所设定的许用等效塑性应变值，产生侵蚀破坏。

2.2采用ANSYS分析弹型对防弹钢板的侵彻能力的影响

采用Johnson-Cook 模型和塑性随动强化模型两者结合，可以更准确地模拟子弹对金属材料的侵彻能力，结合实验数据进行对比，采用数值分析方法分析了弹型、弹速及弹的长径比对钢板侵彻能力的影响。

图3是黄铜圆头弹以v=500 m/s的速度撞击3 mm 厚的防弹钢板的侵彻过程,子弹的长径比L/D=3,D=7.62 mm。

通过数值模拟分析可知，尖头弹的穿透能力最强，圆头弹次之，平头弹的穿透能力最差。在没有穿透时，尖头弹的侵彻深度比另外两种弹型小很多，这是由于弹型的长径比较小，需要考虑弹头质量大小的影响。靶板在没有穿透时会吸收子弹上的动能，在相同速度下撞击靶板，质量小的弹头产生的弹坑小；弹丸以相同速度撞击靶板，长径比高的弹丸侵彻能力强[18]。

图3 黄铜圆头弹(L/ D=3)侵彻过程的数值模拟结果

2.3热处理轻量化防弹钢板B级、C级板抗侵彻能力数值模拟

采用ANSYS/LS-DYNA对子弹抗侵彻能力数值模拟，进行了靶材和子弹材料的高速拉伸，分析AK47冲锋枪的抗侵彻能力与板厚的关系，以获取在不同强度下满足防弹要求的3种钢板的极限设计厚度[19]。

采用八节点六面体的实体单元建立枪击试验中使用的钢芯子弹和防弹板的有限元模型，如图4所示。子弹外径D=7.62 mm，质量m=5.5 g，弹速v=500 m/s和720 m/s的弹芯外径d=2 mm，子弹最大单元尺寸为0.8 mm，最小单元尺寸为0.2 mm，弹芯和外层采用同节点进行连接。防弹钢板的实际尺寸为305 mm×305 mm，可视靶板为无限大，忽略靶板的边界效应，将防弹钢板尺寸缩小为120 mm×120 mm，子弹冲击区域的网格尺寸为0.5 mm，远离该区域的网格尺寸为2.0 mm，根据钢板的不同厚度在厚度方向划分4～8 层网格，网格尺寸为0.5 mm。子弹和防弹钢板的详细单元信息如表1所示。

图4 子弹和防弹板有限元模型

单元信息v=500(m·s-1)v=720(m·s-1)防弹钢板厚t=1.9～3.8mm节点数/个442194466773205～131769单元数/个427204325257600～115200

图5分析结果中钢板的主要变形方式有4种。通过对不同厚度下B1板材试验和模拟结果对比可以看出，钢板完全被穿透时，两者的弹孔形状极为相似；钢板开裂时，两者的裂纹走向也基本一致；弹坑高度和形状也没有明显差别[20]。试验结果的子弹头前端变形剧烈，呈蘑菇状，子弹头边缘开裂，同时弹速为720 m/s的子弹外层已经在冲击过程中脱落。

图5 钢板的主要变形方式

试验结果和模拟结果具有很好的可比性，从枪弹的变形，防弹板的破裂和变形情况的对应关系非常直观地表明了模拟结果的可靠性。在防弹钢板B1抗拉强度为1 700 MPa，B2为1 800 MPa(准静态应变速率0.001 s-1)的条件下，在弹速为500 m/s时，防弹钢板的模拟和试验结果所给出的防弹板的理论厚度分别为2.3 mm、2.2 mm，子弹弹速为720 m/s时，防弹钢板的模拟和试验结果所给出的防弹的理论厚度分别为4.1 mm、3.8 mm。在防弹钢板C1抗拉强度为2 200 MPa、C2为2 035 MPa、R为1 775 MPa(准静态应变速率)的条件下，在弹速为720 m/s时，防弹钢板的模拟和试验结果所给出的防弹的理论厚度分别为3.5 mm、3.7 mm、4.0 mm。模拟结果有效地减少了试验的工作量，为防弹钢板的厚度设计提供了有力的依据。

3 防弹钢的高速拉伸性能

对超高强度防弹钢进行了高速拉伸试验，通过准静态的拉伸实验(应变率为0.001 s-1)给出材料的力学参数，B1的杨氏模量为205 GNm-2，屈服强度1 150 MPa，抗拉强度1 700 MPa，断裂延伸率0.048；B2的杨氏模量为205 GNm-2，屈服强度1 450 MPa，抗拉强度1 800 MPa，断裂延伸率0.065。通过B1、B2试样在0.1 s-1、50 s-1、500 s-1应变率下的断口SEM观察，B1、B2试样的不同应变率的拉伸断口均为韧窝，与准静态拉伸的断口形貌相似；同一种材料，随应变率的增加，其韧窝深度变浅，即应变率0.1的断口韧窝深度最深，应变率50次之，应变率500的断口韧窝深度最浅，而韧窝的深浅，与材料的塑性变形能力有关；通常韧窝越深，其变形能力越好。因此，随应变率的增加，材料的塑性下降，与高速拉伸试验结果一致。B级板打靶通过的断口形貌的韧窝比打靶未通过的断口形貌的韧窝略深。

结果表明：防弹钢的抗枪击能力与强度、高应变速率下的流变特性密切相关。这些性能又与防弹板的防弹能力和厚度密切相关，强度越高，高应变速率下的强度和延性的匹配越好，则防弹钢的抗枪击能力越强。高速拉伸可以使拉伸断口的韧窝变浅，在高速拉伸时，强度越低，延性较好的材料，其韧窝的深度变化要低于强度较高、延性略差的材料[21-22]。对断口形貌的观察，有利于对材料在高应变速率下的变形和断裂模式的认识深化。

4 提高防弹板性能的其他途径

经过轧制后的防弹板材，在二次成形中，必然会在板材内部产生择优取向即织构，导致板材在不同的方向力学性能的差异，影响防弹效果。目前采用电子背散射衍射技术(EBSD)可以成功的分析出织构产生的原因，并使织构重现有效的作用。图6为高强度铝合金板材变形区的EBSD图像。

图6可见，变形区域明显的[001]取向。经EBSD分析表明，试样在拉伸过程中，晶粒发生转动向[001]靠拢，1#试样的微变形区晶粒有[001]取向，形变区晶粒形成了强烈的[001]取向说明拉伸过程中，晶粒大幅度转向[001]靠拢。比较而言，试样的微变形区的反极图所反映的织构，还有一定的分散度，而拉伸后法向，轧向和横向的[001]织构进一步强化使晶粒取向强烈转动，造成了局部变形不均匀。因此，控制二次成形时板材受力方向和板材晶粒度的大小可以有效地防止织构产生。

目前，为减轻装甲质量，通常在防弹装甲中加入复合材料层，通过改善材料的结构或者生产工艺来增加材料的强度。实验表明，通过不同手段改善防弹板性能是推进防弹板高性能化飞速发展且简便经济的最佳途径[23-26]。

5 结论

随着科技的进步，现代高性能防弹板已经向多功能、高性能、质轻、低成本、安全性等方向发展。现在的研究不仅要注重传统材料的改进，也应关注新型防弹板材料的研发等方面，通过对防弹板的材料组成成分、结构的设计、生产工艺的选择，再在实验基础上运用数值模拟，进行理论设计和性能检测，最终实现防弹板的综合性能优化的目标，满足防弹板的功能性与经济性要求。

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(责任编辑周江川)

ResearchStatusofBulletproofPlateanditsDetectionMethods

CHEN Gong1,3， DAI Luwei2,3，SUN Zhifu4, YIN Chunling5, FANG Darong6

(1.College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2.College of Materials Science and Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China; 3.Ordnance Equipment Research Institute, Chongqing Electromechanical Vocational Institute, Chongqing 400036, China; 4.College of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 5.China Ordnance Society, Beijing 100089, China; 6.Chongqing Machinery and ELectronics Technician College, Chongqing 400037, China))

The achievements of the bulletproof panels in the currently world from the aspects of classification, measurements and modification arc reviewed.The directions for future development of modern bulletproof panels are proposed.

bulletproof panels；numerical simulation；anti-penetrating ability； mechanical property

2017-04-25；

：2017-05-26

陈功(1996—)，男，工程师，主要从事结构材料与电子材料研究。

10.11809/scbgxb2017.09.012

format:CHEN Gong， DAI Luwei，SUN Zhifu，et al.Research Status of Bulletproof Plate and its Detection Methods[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):58-62.

TB31

：A

2096-2304(2017)09-0058-05

本文引用格式：陈功，代璐蔚，孙智富,等.防弹板的研究现状[J].兵器装备工程学报，2017(9):58-62.