木材金属接触式叠层靶板对杆弹的抗侵彻特性1)

李树森 陈强 张岩

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

弹靶撞击一直是军事武器防护、装备设计研究的热点问题。弹道极限速度是反映靶体抗弹能力的主要指标，与靶板的失效形式密切相关；而靶板的失效形式与弹靶的形状、几何尺寸、材料性能、支撑条件、弹体头部形状、撞击方式等因素有关[1]。传统的穿甲防护材料中经常使用钢材[2-3]，而相对于钢材而言，超硬铝合金具有比强度高、密度低的特点，因此使用铝合金作为防护材料将会降低防护结构的负荷从而提高机动性。2A12铝合金为可热处理的强化铝合金，具有良好的塑性成形能力和机械加工性能，是航空航天领域中使用最广泛的铝合金之一。

对单层金属靶的研究表明，靶板的抗侵彻性能不总是随着靶板的厚度增加而增加[4-5]。为得到更好的抗侵彻性能，工程应用中很早就开始尝试使用多层金属靶来代替单层靶[6-7]。BØRVIK T[8]、DEY[9]等人研究了双层钢靶和相同总厚度的单层钢靶抵抗钝头和卵形头杆弹侵彻的性能。张伟等[10]通过打靶试验研究了7A04铝合金对平头和卵形头杆弹的防护性能和断裂行为。另外，在弹药箱结构中，辅助装药起爆时可能引爆主装药，即殉爆。解决殉爆问题，需要采用相应的隔爆措施。作为应用于防空导弹的战斗部结构，在保证作战性能和防护隔爆的基础上，还要求战斗部材料具备较轻的质量，满足导弹对战斗部提出的重量要求。因此，针对爆炸驱动结构，隔爆防护金属层材料的抗爆炸性能研究具有重要意义[11]。

综合以上研究发现，目前的报道大多数集中在小间隙双层靶或者对大间隙双层金属靶抗侵彻性能研究，针对接触式双层靶的认识还十分匮乏，尤其对双硬度金属靶，不同材料的接触式双层靶抗侵彻性能的试验研究更少。鉴于此，笔者设计出一种木材金属接触式叠层靶板防护结构，不仅可以充分利用2A12硬铝合金和杨木胶合板的物理力学性能优点，而且这种结构又保持了较轻的质量，并且可以满足弹药箱结构的隔爆防护层材料要求；结合杆弹，系统地研究杆弹形状、靶板厚度对此种结构防护性能的影响，并分析靶体结构对靶体失效形式的影响等，为新型防护靶板结构的性能研究提供参考依据。

1 实验系统与方法

1.1 静态实验

静态实验在东北林业大学机电工程学院实验室的WDW-100微控电子万能试验机上进行。测试设备主要包括:双空间门式结构主机、电气测控系统、软件等。试验装置如图1。

图1 WDW-100微控电子万能试验机

试件尺寸根据GB4161—1984标准等比例缩放，具体尺寸见图2。静态实验的试件中的杨木胶合板为秦皇岛鑫秋木业有限责任公司生产，含水率7.8%，5 mm厚的密度0.514 g/cm3，15 mm厚的密度0.519 g/cm3。

图2 试件简易示意图

1.2 动态实验

动态实验在哈尔滨工业大学高速撞击研究中心的一级气炮上进行。测试设备主要包括:气室、发射管(口径12.7 mm、长2 m)、靶舱、激光测速系统、高速摄像机系统等[12]。

金属靶体材料为2A12硬铝合金，东北轻合金有限公司生产，热处理状态为T4。木材靶体材料参数见1.1。所有的靶板尺寸均为200 mm×200 mm，靶板四周加工有螺栓孔，通过8个M8螺栓与靶架固定起来。平头弹弹体由经特殊热处理的38CrSi合金钢加工而成，热处理硬度(HRC)约为53，直径为12.7 mm，名义质量为34.38 g。卵形弹弹身直径也是12.7 mm，弹头尺寸为CRH3(卵形头半径与弹身直径之比为3)，总质量和平头弹相同。为了保证弹体可以正撞击靶板，将弹体的后端挖去一个直径为6.2 mm、长度为10 mm的孔，使弹体的质心前移，两种杆弹的示意图如图3所示。

a.平头弹示意图 b.卵形弹示意图

图3两种杆弹的示意图

靶板设计成两种结构形式，主要包括L1M5和L1M15。其中，L1M5表示厚度为1 mm的2A12铝合金板与5 mm的杨木胶合板叠放在一起，L1M15表示厚度为1 mm的2A12铝合金板与15 mm的杨木胶合板叠放在一起。

2 结果与分析

2.1 静态实验结果

在WDW-100微控电子万能试验机上分别对5、15 mm厚的杨木胶合板进行拉伸、压缩、弯曲实验，通过控制实验机横梁的位移速度得到不同的应变率，设定横梁的位移为10 mm/min，相应的应变率为1.1×10-3s-1。由计算机绘出试验力-位移曲线(见图4a—图4f)。实验室温度约为15 ℃，相对湿度为50%～55%。2A12铝合金板的静态试验性能参见文献[13]。

可以看出， 5 mm厚的杨木胶合板抗拉、抗压、抗弯，以及力与位移的曲线大致呈线性相关。因为5 mm厚的杨木胶合板比较薄，弹性小而且强度低，断裂的程度随着位移的推进变化是比较均匀的。通过数据计算可得，5 mm厚的杨木胶合板弹性模量4 000 MPa、泊松比0.31，承受的最大拉力为1 470 N、最大压力为2 114.08 N，最大弯力为191.08 N。15 mm厚的木板承受的最大拉力为4 860.5 N，最大压力为8 752 N、最大弯力为1 131 N。图5为典型的15 mm厚的杨木胶合板压缩的实验图和侧面图，再结合曲线图4f可以看出，木材断裂过程一般可分为3个阶段：①初始阶段，为直线阶段，不产生侧向裂缝；随着载荷增加，裂尖处开始出现裂缝，曲线的斜率在该点略有改变，听到轻微的开裂声。②裂缝稳定扩展阶段，随着载荷的增加，裂缝缓慢扩展并逐渐停止；此间，在裂缝上方的韧带区会出现多条裂缝，并伴有轻微开裂声。③非稳定断裂阶段，当载荷继续增大，伴随较大的响声，试件上侧被压溃，下侧纤维持续拉脱断开，载荷呈阶跃式下降，裂纹唇张开位移迅速增大，直至断裂。试件的破坏现象及断口如图5所示，呈现较好的韧性。

2.2 动态实验结果

2.2.1 弹道极限速度

动态试验中，通过改变高压气室的初始压力控制子弹的撞击速度。针对每种结构分别开展了9发撞击试验。试验中，所有板材的叠加顺序均是2A12铝合金板在前作面板，杨木胶合板在后作背板，弹体均保持完整，无明显变形。图6给出了初始-剩余速度数据曲线。

图4 不同靶板的不同状态的试验力与位移的曲线

图5 15 mm厚的杨木胶合板压缩的实验图和侧面图

准确的弹道极限可通过Recht et al.[14]公式拟合弹体贯穿靶的初始-剩余速度数据估算，该公式为

(1)

式中:V0为弹体初始撞击速度；Vr为弹体贯穿靶板后的剩余速度。Vb1为弹道极限速度；a、p为模型参数，这3个参数可通过杆弹初始-剩余速度数据进行最小二乘拟合得到。

表1给出了依据公式(1)拟合得到的模型参数。可以看出，无论是在冲击平头弹还是卵形弹的情况下，L1M15的弹道极限均大于L1M。因为木材是天然各向异性材料，吸能效果较好，在等厚度2A12铝合金板作为面板时，叠加的杨木胶合板越厚，吸能效果越明显，弹道极限的速度就比较大。在对比抗击同一种平头弹时，发现L1M5的弹道极限与L1M15的弹道极限相差不大。抗击同一种卵形弹时，发现L1M5的弹道极限与L1M15的弹道极限相差非常大，后者约为前者的1.5倍，这说明复合靶板抗击卵形弹较为敏感。

表1 各个靶的模型参数和弹道极限

2.2.2 靶板的变形和失效模型

图7—图10分别给出了典型的平头弹和卵形弹贯穿L1M5、L1M15靶板的高速摄影照片。

a.L1M5靶板抗击平头弹初始剩余速度;b.L1M15靶板抗击平头弹初始剩余速度;c.L1M5靶板抗击卵形弹初始剩余速度;d.L1M15靶板抗击卵形弹初始剩余速度。

图6不同靶板的初始-剩余速度数据曲线

初始速度96.63 m/s，剩余速度79.11 m/s。

初始速度101.1 m/s，剩余速度72.47 m/s。

初始速度77.45 m/s，剩余速度58.11 m/s。

初始速度105.47 m/s，剩余速度69.16 m/s。

对比图7、图9可以看出，同为L1M5靶体结构，在平头弹贯穿过程中可以发现2A12铝合金板、杨木胶合板有明显的变形；而卵形弹变形很小，可以说是几乎没有变形，这与平头弹接触板材的面积大有关。靶发生较大的结构变形，这种大的结构变形将吸收更多的能量。这就是L1M5靶抗击平头弹的弹道极限较高于卵形弹的原因。

而对比图7c和图9c发现，平头弹在贯穿复合靶时，2A12铝合金板剪切形成一个圆孔，而杨木胶合板飞出了许多碎片，这些碎片大致撕裂成一个个小方片与杨木胶合板成45°角飞出；而卵形弹的碎片大致撕裂成一个个小长条，并且沿着卵形弹的轮廓水平飞行一段时间后才与杨木胶合板成45°角飞出，这与子弹形状有很大关系。对比图7c、图8c、图9c、图10c发现平头弹比卵形弹撕裂的木片碎片多，而且大。这可以从另一个方面说明在实际应用中，对于类似于硬(金属板)+软(非金属板)组合形式的复合靶板时，抗卵形弹的冲击效果比较好，冲击之后碎片小，而且少，这对在特种作业环境下人员或者建筑物的伤害是非常小的。

3 结束语

为研究强冲击载荷下战斗部防护层材料抗爆性能，设计了一种铝合金板2A12与杨木胶合板叠层的新型靶体结构，并研究了靶体的抗侵彻特性。对杨木胶合板进行了准静态试验，同时研究了木材金属复合靶板分别对平头和卵形两种杆状弹体的抗侵彻性能，得到了弹道极限，分析了靶体结构对靶体抗侵彻性能和失效模式影响。结果表明：在选用杨木胶合板与2A12铝合金板接触式叠层靶板作为弹药箱结构的隔爆防护层材料时，1 mm的2A12铝合金板与15 mm的杨木胶合板这种接触式叠层靶板结构抗击卵形弹的能力强于平头弹，1 mm的2A12铝合金板与5 mm的杨木胶合板这种接触式叠层靶板结构抗击平头弹的能力强于卵形弹。该结果可为研究两种性质不同的材料(尤其是硬+软)叠加成复合靶板抗冲击的性能提供一定的试验方法，同时可为后续的类似于这种分层结构、金属夹层结构的试验和仿真提供数据参考。

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