半球形头弹斜撞击下铝合金薄板的失效仿真分析

胡静 吕瑜晗

摘要：为分析斜撞击下撞击角度对6061-T651铝合金板失效特性的影响，首先用一级轻气炮发射半球形头弹正撞击铝合金靶板，得到试验数据。其次根据试验工况建立弹靶模型并验证模型的有效性，得到数值模拟结果，不仅能很好地预测靶体的弹道极限速度，还能够较好地分析弹体初始速度—剩余速度变化趋势。最后建立5种不同撞击角度下的弹靶模型，分析撞击角度对靶体失效特性的影响。结果表明，弹体的弹道极限随其撞击角度的增大先减小后增大，15°时弹道极限最小。靶板主要失效模式也由刚开始的花瓣开裂逐步变为撕裂拉伸破坏，且撞击速度也对靶板失效有较大的影响。

关键词：撞击速度；撞击角度；6061-T651铝合金板；失效模式；半球形头弹

中图分类号：O385文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.04.006

弹靶撞击问题一直是研究热点，影响靶板失效的因素很多，如撞击角度、靶板材料、撞击速度等。研究结论常用来应用于民航工程中防护结构的优化设计与材料选取，以减小外来物撞击对机体外壳的损伤。半球形头弹冲击金属靶板的研究较多，真实情况下，弹体正撞击接触并穿透靶板的情况只是在理想状态下会发生，大部分弹靶撞击接触初始，弹体就已经偏离了靶板的法线，因此更为重要的是斜撞击的研究。6061系列铝合金延展性强，强度介于2A12系列与7075系列之间，且在航空器外部蒙皮及内部零件等方面使用广泛。

M.A.Iqbal等[1]使用三维方法研究了锥形弹撞击12mm厚钢靶和卵形弹撞击1mm厚铝靶，着角为0°、15°、30°、45°和60°。发现钢靶和铝靶发生跳弹的角度随撞击速度增加而增加，失效模式都是延性扩孔。张宇[2]等还研究了V形铝合金靶板在高速射弹下的损伤失效状态，发现子弹剩余速度会随射弹角度的减小而减小。邓放等[3]通过数值模拟研究了超声速射流与同向超声速流动的相互作用，观察到了次声射流现象，且呈一定的周期性。R. Ansari[4]等研究了锥形弹以着角0°、30°、45°和60°撞击薄铝板。发现蝶形变形随着角度和弹体速度增加而减小，弹体剩余速度和靶板弹道极限都随着板厚和着角增加而减小，靶板耗能随着板厚和着角的增加而增加。B.Su[5]使用有限元分析来研究泡沫芯型夹心壳在弹道冲击下的冲击性能。结果表明，增大弹体、增加弹体撞击速度和增厚面板可以提高靶板的抗冲击性能，着角增大会使弹体产生更大的偏转且使速度曲线差异性变大。张铁纯等[6]进行了半球形弹以斜撞击和偏航撞击两种模式冲击2mm 2A12薄铝靶的数值仿真研究，发现靶板失效模式及靶板功耗等都与角度大小有紧密的联系。王瀚艺[7]进行了平头弹斜撞击45钢的数值仿真研究，发现靶板的损伤情况及弹体弹道极限等都受到了斜侵彻角度大小的影响。郭子涛等[8]针对斜撞击问题对Q235钢进行了仿真计算，得到了角度与速度等对靶板失效模式的影响，并提出了一种角度偏转模型。汤雪志等[9]进行了子弹斜撞击不同结构间隔板的仿真研究，发现迎角的不同会对子弹穿孔及质量消耗产生影响。齐文龙[10]探究了半穿甲戰斗部斜撞击下厚靶板的失效机理，总结了弹丸的弹道极限和运动姿态的影响。刘坚成等[11]进行了反弹道斜撞击试验，探究了在非正侵彻过程中的结构响应。祝家奇[12]研究了斜撞击下双层铝合金板在平头弹下的失效机理。由于金属材料的不断更迭，斜撞击下的数据系统需进一步更进，且仿真计算中的本构模型也需修改，来模拟不同金属板的试验工况。

本文使用ABAQUS等有限元软件，采用Johnson-Cook本构关系，建立了半球形头弹斜撞击6061-T651模型，探究了撞击角度及撞击速度对靶板失效的影响。为优化弹靶装配提供参考依据。

1试验分析

如图1所示，冲击试验在一级轻气炮上进行，图2为正撞击下靶板的装夹示意图。所用靶体为正方形匀质板，靶体材料为6061-T651铝合金，弹体材质为38CrSi合金钢，试验所用弹体与靶板的几何形状如图3所示。试验用半球形头弹进行了7次有效冲击，试验结果见表1。

图4给出了半球形头弹分别以低速和高速撞击靶体的典型图像。可以看出不论撞击速度的高低，子弹贯穿靶板的过程中运动姿态并没有发生较大摆动。首先在子弹的冲击作用下，靶板局部凹陷产生蝶形变形，随着子弹的向前运动产生接触区域，随之变薄，弯曲拉伸，在拉伸到一定程度时靶板背面产生的拉伸应力超过材料的拉伸强度，靶板沿弹体头部四周产生开裂，形成帽状冲塞。随着撞击速度的不断增大，对比发现高速下弹体穿过靶板时带出的金属碎末更多，冲塞更早地形成并脱离靶板。还可以发现各个速度下产生的冲塞形状接近圆形，直径接近弹体直径。当弹体完全穿过靶板后，靶板有收缩回弹的动作发生，明显观察到穿孔四周的隆起程度变小。图5为半球形头弹正撞击靶板时的失效模式图，由低速到高速选取了三个撞击速度下的失效状态，对比分析发现正撞击下靶板的失效模式主要是拉伸作用形成的延性扩孔，穿孔处呈花瓣形开裂。撞击速度越大穿孔四周隆起程度越小，花瓣面积越小数量越多，产生的帽状冲塞厚度越小。

2仿真模型的建立

2.1弹靶数学模型

采用经过修正后的Johnson-Cook本构关系及断裂准则。修正后的Johnson-Cook模型MJC模型[13]，如式（1）所示：

2.2弹靶物理模型

经特殊热处理过的6061-T651板，板厚为2mm，有效直径为160mm。半球形弹体材料为38CrSi，直径为12.68mm，质量为34.2g。弹靶的示意图如图3所示。由于在撞击过程中弹体仅发生极其微小的变形，因此设定子弹是刚性的[17]。

在数值模拟过程中，设置靶体的边界为固定边，靶体划分网格时分为内部和外部接触区域，中间用过渡区连接，靶板中心网格尺寸为0.2mm×0.2mm×0.2mm[18]，子弹与靶体间摩擦因数设为0.1[19]。θ为斜撞击角度，vi为子弹初始斜撞击速度，如图6所示。

3数值仿真结果与分析

3.1模型的有效性验证

为保证所建模型的可用性，先通过对比试验与仿真的失效模式，再通过对比试验与仿真的弹道极限验证模型的有效性。图7为几种典型速度下靶板的失效模式。

3.2弹靶斜撞击仿真过程

图9为斜撞击角度为5°、15°、30°、45°和60°的子弹以132.4m/s的初速斜撞击靶板的物理过程，可以看出，靶板形态出现明显的变化。不同角度下弹道姿态不同，子弹穿过靶板时靶板的破坏状態也不尽相同，且在60°下，子弹并没有穿透靶板，反而出现了跳弹现象，可知斜撞击下子弹的撞击角度和撞击速度对靶板的失效有明显的影响，需要对靶板的失效进行深入分析。

3.3撞击速度与撞击角度对靶板失效影响分析

（1）弹体的弹道极限与动能变化分析

通过数值仿真，得到不同撞击角度下的初始速度—剩余速度数据以及弹体动能变化量，分别如图10、图11所示。

利用式（4）整理仿真数据得到了如表4所示不同斜撞击角度条件下所对应弹体的弹道极限和参数取值。

如图12所示，利用式（4）分析仿真结果，得到弹道极限随斜撞击角度变化规律曲线图，可以看出，在0°～15°区间内，弹道极限随撞击角的增大而减小，但在15°～60°区间内随撞击角的增大而增大。在15°角附近，弹道极限会降低到一个最小值，当斜撞击角为60°时，该角度下的弹道极限与0°也就是正撞击靶板时的弹道极限速度相比，增大了1.31倍。由此可知，弹体斜撞击角度变化影响靶板的抗冲击能力，且存在临界角——最易侵彻角，在该角度下弹体能以较大的剩余速度继续飞行。

对图10进行分析发现，随着子弹初速的增加，不同撞击角度下的靶体抗冲击能力也出现了变化。对于撞击角为60°的弹体，其剩余速度在所有类型的撞击下处于最小值，这说明该角度下靶体的抗冲击能力在各个速度下都很强，对于入射倾角为15°和30°的斜撞击，靶板的抗冲击能力则始终较差。

靶体对弹体动能的吸收量通常作为衡量靶体失效特性的重要指标之一，弹体能量变化量越大，说明靶体更能有效吸收能量，其防护性能也就越好。对图11进行分析发现，随着倾角的增大，弹体的动能变化量逐渐增大，当撞击倾角为15°时弹体能够以最平稳的姿态穿透靶体，此时的弹体由于姿态的改变而耗散的动能最少。

（2）靶板的失效模式与变形模式分析

通过仿真得到撞击后靶体迎弹面和背弹面断口形貌，分析半球形弹斜撞击下的损伤情况，发现子弹的斜撞击角度和初速高低都对靶板的失效状态有明显影响。

当半球形弹以较小的角度（5°、15°）斜撞击靶板时，靶体的情况如图13所示。靶体失效模式表现为花瓣形开裂，随着撞击角度增加，裂纹数量减少。与弹体首先接触的部分由于直接承受冲击荷载的作用，最先发生破坏，初始破坏处产生裂纹并沿弹体头部扩展形成冲塞。子弹初速临近弹道极限时，冲塞未脱离靶板；弹体初速远高于弹道极限时，冲塞随弹体飞出。

当半球形弹以30°角斜撞击靶板时，靶板的失效情况如图14所示。靶板失效单元主要受到弹体的剪切力和膜面的拉伸力。弹体前进过程中，其头部会对靶板一侧产生弯曲应力，裂纹在冲击载荷和弯曲应力的混合作用下，向前形成一个撕裂带并向外翻转。弹体初速临近弹道极限时，撕裂带面积更大且并未脱离靶体；弹体初速远高于弹道极限时，撕裂带随子弹飞出且面积较小。

当半球形弹以较大角度（45°、60°）斜撞击靶板时，靶体的损伤情况如图15所示。弹体初始速度临近弹道极限时，伴随撞击角的增加，弹靶接触面积增大，穿孔四周下凹面积增大，弹体前进过程中沿水平方向产生划痕；弹体初始速度远高于弹道极限时，靶板失效单元沿弹身受到切应力，撞击角度越大，破坏面积越大。

参考表4中的弹道极限，选取三个典型撞击角度5°、30°、60°，得到如图16所示，同一时刻4种撞击速度下靶板的下凹变形量。图中未断开曲线表示弹体未穿透靶板。

根据图16（d）发现同一速度下，随着撞击角度的增大孔口逐渐向右偏移，且下凹变形量越来越大；对比图16（a）与图16（b）发现随撞击速度的变大，5°和30°撞击角下的变形减小，60°下反而增大；对比图16（b）～图16（d）发现5°、30°撞击角下撞击速度对于靶板下凹变形影响不明显，60°下随撞击速度的增大，靶板下凹变形反而减小。

4结论

通过数值模拟研究了6061-T651铝合金板在半球形弹斜撞击下的失效特性，分析了不同撞击角度、不同撞击速度对靶板失效的影响。基于仿真结果，可以发现：

（1）撞击速度一定的条件下，随着撞击角度的增大，靶板的失效模式逐渐从花瓣开裂过渡为拉伸撕裂，靶板下凹变形量也随撞击角度的增大而增大。撞击速度远高于弹道极限时，靶板的下凹变形量受速度的影响较小。

（2）撞击角度一定的条件下，靶板的耗能量随撞击速度的增大先减小后趋于稳定；撞击角度为15°左右时弹体动能变化最稳定，靶板最易被穿透。

参考文献

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（責任编辑余培红）

作者简介

胡静（1972-）女，硕士，教授。主要研究方向：航空材料力学性能。

Tel：18822128295E-mail：1508147529@qq.com

吕瑜晗（1996-）女。主要研究方向：冲击动力学。

Tel：18822128295

E-mail：1628723697@qq.com

Failure Characteristics Analysis on 6061-T651 Aluminum Alloy Sheet Under Oblique Impact

Hu Jing*，Lv YuHan

Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China

Abstract： In order to analyze the influence of impact angle on the failure characteristics of 6061-T651 aluminum alloy plate under oblique impact， a hemispherical projectile was fired by a first-stage light gas gun and hit the aluminum alloy target to obtain the test data.Secondly， according to the test conditions， the missile-target model is established and the validity of the model is verified. The numerical simulation can not only predict the ballistic limit velocity of the target， but also analyze the variation trend of the initial-residual velocity of the missile. Finally， five missile-target models with different impact angles are established to analyze the impact angle on the impact resistance of the target. The results show that the ballistic limit of the projectile decreases first and then increases with the increase of the impact angle， and the ballistic limit is the smallest at 15°.The main failure mode of the target gradually changed from petal cracking at the beginning to tearing and strething damage， and the impact velocity also had a great influence on the failure of the target.

Key Words： impact velocity； impact angle； 6061-T651 aluminum alloy plate； failure mode； hemispherical warheads