7.62 mm穿甲子弹斜侵彻复合装甲仿真研究

李小军， 王维占， 张 银， 雷文星， 陈智刚

(1. 军事科学院防化研究院， 北京 102205； 2. 中北大学地下目标毁伤技术国防重点学科实验室， 山西 太原 030051； 3. 山西江阳化工有限公司， 山西 太原 030041； 4. 晋西工业集团有限责任公司防务装备研究院， 山西 太原 030041)

陶瓷因其具有高硬度、高强度、耐腐蚀、高耐磨性和密度小等优点，被广泛用作装甲防护材料。近年来，国内外学者对陶瓷材料的抗侵彻特性从实验、理论和数值模拟等方面展开了深入研究[1-11]，其中：陈斌等[7]对30 mm半穿甲弹斜侵彻陶瓷/钢复合装甲进行了试验研究，获知弹着角是影响穿甲弹毁伤效能的重要因素；王智慧等[8]对Al2O3基陶瓷抗弹性能因素进行了数值仿真分析，发现提高Al2O3基陶瓷的剪切模量有望提高其抗侵彻性能；胡丽萍等[9-10]对不同厚度的陶瓷面板与钢背板进行了匹配研究，发现当陶瓷面板厚度为10 mm时，随着钢背板厚度的增加，抗弹能力明显提高，同时还对大倾角下陶瓷复合装甲抗弹性能进行了研究，获知陶瓷复合装甲防护系数随厚度的增加而降低；郭英男[11]进行了12.7 mm制式弹侵彻陶瓷复合装甲的试验与数值模拟研究，发现当制式弹弹着点在陶瓷板边缘时，弹体姿态会发生倾斜入射。上述大都是基于中大口径弹丸对陶瓷复合装甲毁伤效应的研究，而对于斜侵彻条件下小口径7.62 mm制式穿甲子弹的侵彻特性研究相对较少。

为此，笔者在开展7.62 mm穿甲子弹斜侵彻陶瓷复合装甲试验的基础上，利用ANSYS/LS-DYNA软件进行了数值模拟，着重分析了陶瓷复合装甲斜置角度对7.62 mm穿甲子弹的破坏形式及其对陶瓷/Q235钢板毁伤效能的影响，并对试验选定的陶瓷复合装甲的防御能力进行了初步测试，以期为深入陶瓷复合靶板防护性能研究提供参考。

1 试验与讨论

1.1 试验条件与方法

对陶瓷复合靶板在不同斜置角度下对7.62 mm子弹的防御能力进行试验研究。试验盖板及背靶分别采用尺寸为150 mm×150 mm×1.2 mm和150 mm×150 mm×6.5 mm 的Q235钢，中间靶采用150 mm×150 mm×5.2 mm的Al2O3陶瓷面板,盖板、陶瓷面板及背靶之间采用纤维层进行粘接。试验器材如图1所示。

试验装置布置如图2所示，主要包括弹丸发射装置、测速装置、靶板和钢制台架等。

1.2 结果与讨论

共进行了12发7.62 mm制式弹侵彻陶瓷复合靶板试验，试验结果如表1所示，部分残余弹丸回收式样及对应背靶出孔图如图3所示。

表1 试验结果

由表1可知：7.62 mm制式弹正侵彻时能穿透复合装甲，靶板斜置角度为15°时，背靶鼓包出现瓣裂型破坏，未能穿透靶板，可见7.62 mm穿甲子弹对该陶瓷复合装甲的弹道极限倾斜角度小于15°。由图3(a)-(c)可知：当复合靶板斜置角度为0°～30°时，并未发生跳弹现象，子弹钢芯发生径向侵蚀破坏，在钢芯径向断裂处可见白色破碎的陶瓷碎渣；靶板斜置角度为15°和30°时，可发现钢芯斜侧方周向断裂，嵌入角度与靶板斜置角度相互对应，其中斜置角度为30°时钢芯斜侧方断裂破坏有发生侧向滑动跳飞的趋势。由图3(d)可以看出：当靶板斜置角度增加到45°时，子弹对靶板作用产生的冲击波应力在靶板法线方向的分量减小，同时受到垂直弹头部的转动力矩增加，弹丸发生跳弹现象，钢芯在盖板和陶瓷面板的作用下受到剪切破坏。

2 数值模拟

2.1 模型建立与参数选取

基于上述试验研究，数值模拟中的复合靶板采用与试验相同结构的陶瓷复合靶板，定义复合装甲斜置角度θ为子弹轴线方向与靶板法线方向夹角。利用TUREGRID软件建立有限元模型，为节约计算时间，采用 1/2 结构建立三维有限元模型，并在1/2模型的对称面上设置对称约束条件。计算网格均采用Solid164八节点六面体单元，7.62 mm制式弹及复合靶板采用Lagrange算法，二者之间的接触作用采用面-面接触算法，并在模型的边界节点上施加压力流出边界条件，避免压力在边界上的反射。利用ANSYS/LS-DYNA 软件对7.62 mm制式弹侵彻陶瓷复合装甲过程进行数值模拟。图4为有限元网格模型。

本文算例中，制式弹被甲材料采用H90铜，钢芯采用高碳钢，铅套采用金属铅。所有金属材料模型均采用JOHNSON-COOK材料模型和GRUNEISEN状态方程，Al2O3陶瓷面板采用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS材料模型，陶瓷材料参数如表2所示,材料性能参数如表3所示。

表2 陶瓷材料参数

表3 材料性能参数

2.2 斜置角度影响分析

调整复合装甲的斜置角度依次为0°、15°、30°、45°、50°、60°、75°，对制式弹以720 m/s速度侵彻复合装甲过程进行数值模拟，并对弹丸剩余质量、速度、动能等性能参数进行分析。7.62 mm子弹对斜置靶板的侵彻结果如表4所示,不同斜置角度下7.62 mm子弹及靶板毁伤形态如图5所示，弹丸剩余质量和背靶侵深随斜置角度变化曲线分别如图6、7所示。

由图5可以看出：随着靶板斜置角度的增大，穿甲子弹经历了贯穿靶板、嵌入靶板、侧滑移乃至跳弹的过程，子弹钢芯也由最初的头部质量侵蚀向斜侧方塑性变形的趋势变化。

表4 7.62 mm子弹对斜置靶板侵彻的结果

由图6和表4可知：随着陶瓷复合靶板斜置角度的增大，穿甲子弹剩余质量逐渐增加。分析其原因为：随着靶板斜置角度的增大，子弹侵彻靶板的等效厚度增大，同时子弹对靶板的冲击应力在垂直弹轴方向发生分解，但碰撞点处弹丸头部所受压力与弹丸速度相关，接近定值，故子弹整体相对于质心所受转动力矩增大，更易发生偏转滑移现象，进而子弹用于垂直侵彻侵蚀自身质量所需要的动能逐渐减小，故子弹剩余质量逐渐增大。

由图7和表4可知：复合装甲背靶侵深随着靶板斜置角度的增大而减小。与上述原因相同，子弹对靶板的冲击应力在垂直弹轴方向发生分解，子弹整体相对于质心所受转动力矩增大，进而子弹用于垂直侵彻的动能分量减小，从而背靶侵深减小。

上述研究规律在0°～45°范围内试验与数值模拟结果虽然存在一定的偏差，但其质量和背靶侵深变化规律相同，说明数值模拟具有一定可靠性。

基于上述数值模拟中复合靶板斜置角度对子弹剩余质量和背靶侵深影响规律的可靠性，笔者通过数值模拟进一步研究了穿甲子弹余速、弹道极限和子弹偏转角度随斜置角度变化的关系，如图8-10所示。

由图8可知：随着靶板斜置角度的增大，弹芯余速先减小后增大，这是因为垂直侵彻时子弹击穿靶有一定的靶后存速，斜置角度为15°时，子弹嵌入靶板并未击穿靶板，速度为0，而靶板斜置角度为30°～75°时，子弹因转动力矩的增大而发生一定速度的跳弹现象，且跳弹速度越来越大。

由图9可知：随着靶板斜置角度的增大，靶板的等效厚度增加，故弹道极限也随之增加，且呈指数型增加。

由图10可知：随着靶板斜置角度的增大，子弹偏转角度先增大后减小，当子弹对靶板斜侵彻时，子弹所受轴向与垂直轴向的阻力迫使子弹在穿甲过程中发生弹轴姿态的偏转；当子弹发生跳弹现象时，子弹入射角度与跳弹的反射角度具有相关性，与光线的平面反射原理近似，靶板斜置角度越大即入射角度越大，反射角度也越大，即偏转角度越小；当靶板斜置角度超过子弹的极限着靶角度时，子弹发生跳弹且此时子弹偏转角度最大，随着靶板斜置角度的增大，子弹偏转角度逐渐减小。

3 结论

1) 本文数值模拟计算结果与试验结果具有较好的一致性，表明本研究所选取的材料参数具有一定的可靠性。

2) 随着靶板斜置角度的增大，7.62 mm穿甲子弹对复合靶板的毁伤威力逐渐降低，弹道极限呈指数型增加，弹道偏转角度先增大后减小，且子弹钢芯的损伤形态由垂直侵蚀向倾斜侵蚀变化。

3) 穿甲子弹对陶瓷复合装甲的极限穿透斜置角度为0°～15°，复合靶板主要以背板鼓包的变形方式对其进行有效防御。