等面密度钢/铝组合靶的抗侵彻性能研究

2022-07-03张小萍刘苏苏张福豹仲健林曹岩枫

图学学报 2022年3期

张陈，张小萍，刘苏苏，瞿畅，张福豹，仲健林，曹岩枫

等面密度钢/铝组合靶的抗侵彻性能研究

张陈1，张小萍1，刘苏苏1，瞿畅1，张福豹1，仲健林2，曹岩枫2

(1. 南通大学机械工程学院，江苏南通 226019；2. 南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210019)

金属靶板的抗侵彻性能一直以来都是被重点关注的研究领域。为明确结构参数对钢/铝组合结构抗步枪弹垂直侵彻性能的影响，建立了步枪弹侵彻钢板和铝板的数值计算模型，并通过弹道冲击实验进行了验证；进而基于数值计算模型分析了相同厚度下钢-铝、铝-钢的组合形式、靶板间距对组合靶板抗侵彻性能的影响。仿真结果表明：相同厚度下，钢板在前的组合形式优于铝板在前的靶板，但不同组合形式的层板间距对其抗侵彻性能影响较小；另外，比较了不同初速度下钢-铝厚度比的变化对组合靶板的抗侵彻性能影响，均呈现出随厚度比增加，抗侵彻性能先降低后增加的趋势，最终趋于一个稳定值。变化过程中存在一个抗侵彻性能最差的低点，在结构设计中应尽可能避开。最后，依据R-I公式拟合了仿真数据，得到了步枪弹侵彻钢-铝组合结构的弹道极限公式。研究结果可为组合靶板的抗侵彻性能设计和人员、物资防护提供参考。

钢/铝组合结构；步枪弹；面密度；厚度比；抗侵彻性能

近年来，多层防护结构在军事和民用领域的应用越来越普遍，如营地货物、装甲车辆的车身和防弹车的外部结构。多层目标靶板防护逐渐成为研究的重点，其防护类型主要分为3部分：金属材料组合防护、非金属材料防护[1-2]及复合材料防护[3-5]，虽然对非金属材料和复合材料的相关研究日益增多，但由于非金属材料易粉碎、回收率低，复合材料成本高、不适用于较大范围防护，使其推广应用受到了一定限制。而金属材料则具有重复利用性好、强度高等优势，且不同金属靶板组合结构的使用可以实现不同材料间的优势互补。钢、铝作为应用最广泛的金属材料，其组合结构以其质量轻、强度大、造价低、抗火功能好等优点应用于车辆装甲外壳、船舶装甲板、建筑工程以及航天器等领域，所以对钢铝组合结构相关参数的研究具有重要意义[6-7]。

当前，对于金属靶板的抗侵彻机理研究中，国内外学者多通过实验与数值仿真结合，来描述侵彻的动态过程[8-12]，在获得了较为丰富的试验数据后，结合现有理论或经验公式推导出模型的相关弹道公式[13-16]。在弹体侵彻多层靶板的弹道特性研究中，李金福等[17]发现分层靶的抗侵彻性能与分层结构、破片形状以及侵彻速度有关，当靶板层数大于2时，抗侵彻性能随着层数的增加而减小。袁家俊[18]研究了卵形头弹侵彻双层铝合金靶板，得到组合靶板的间隙对垂直侵彻弹头的抗侵彻性能影响较小，但前后板对子弹的能量耗散与弹速有关。BABAEI等[19]对钢和铝2种不同材料双层靶的抗侵彻性能研究表明，对于相同材料与厚度的双层靶，前板的变形要小于后者，且当钢板作为前板时，双层靶板的吸能效果更好。WANG等[20]进一步研究了不同层数、不同总厚度下钢/铝接触式靶板在球形弹丸撞击下的抗侵彻性能，发现在面密度相同的情况下，2层板的弹道性能要优于单层板。综上所述，当前已经越来越重视组合靶板结构参数对其抗侵彻性能的影响，并从靶板层数、弹头形状等方面进行了研究，但目前，对于面密度相同情况下的组合结构的抗侵彻性能研究较少，其对于防护靶板的轻量化结构设计具有重要指导意义。

为了明确等面密度下结构参数对钢/铝双层组合靶板抗侵彻性能的影响，本文进行了步枪弹垂直侵彻钢、铝单层靶板的试验和数值模拟研究，分析了侵彻过程中弹体速度和靶板形貌变化规律。在此基础上，建立了弹体侵彻钢/铝组合靶板的数值计算模型，系统分析了组合结构形式、靶板间距以及不同厚度比对组合靶板抗侵彻性能的定量影响关系，研究结果为实际工程应用及军事防护面板轻量化设计提供有效的理论支撑。

1 试验验证

1.1 建立试验平台

试验弹体采用某步枪弹，质量为4.6 g。射击时利用专用夹具将试验用枪安装在射击台上。试验靶板的材料为5A06铝合金/45钢，截面尺寸为150 mm×150 mm，厚度分别为1.5 mm，4.5 mm。通过螺栓，开孔压板固定在靶板夹持装置上，如图1所示。

图1 靶板安装

靶板的侵彻试验在实验室内进行，试验枪固定在射击台上，靶板前后分别设置测速装置，以获取子弹的初始速度与剩余速度，靶板一侧设置有高速摄影系统，用于抓取子弹贯穿靶板时的动态过程。弹丸正入射靶板枪口距靶板为15 m，保证人员射击安全。试验布局如图2所示。试验中，子弹撞击靶板的速度为(930±8) m/s，因而在数值模拟计算中设子弹入射速度为930 m/s。子弹垂直撞击靶板，接通测速系统，进行射击试验；射击结束后，观察靶板破坏情况并拍照，同时记录子弹剩余速度。最后更换另外一种厚度的靶板，进行重复操作。

图2 试验布局

1.2 有限元模型建立

建立模型中，子弹由钢芯、铅套及覆铜被甲组成(图3)，弹体与靶板均采用*MAT_PLASTIC_ KINEMATIC本构模型。材料破坏准则为最大塑性应变失效，其由失效应变控制，主要材料参数见表1和表2。

图3 子弹与靶板有限元模型((a)子弹模型；(b)靶板模型)

表1 子弹主要参数[21-22]

表2 靶板主要参数[23-24]

该模型适用于各项同性硬化与随动硬化塑性的材料响应。模型的本构关系为

其中，E为切线模量；为弹性模量。

在侵彻的过程中，撞击部位为靶板中心区域，故受影响的区域只存在撞击位置较近范围内，其他部分不受影响或仅受较小影响，可忽略不计。弹体模型各部分之间均采用自动单面接触(AUTO- MATIC_SINGLE_SURFACE)算法，弹体与靶板模型之间采用面面侵蚀接触(ERODING_SURFACE _TO_SURFACE)算法，忽略摩擦的作用。由于撞击时间较短，将此过程视为绝热过程。

1.3 有限元模型验证

由图4可以看出，靶板均被穿透，发生穿透部分均表现为剪切冲塞破坏，弹孔出现径向与周向扩展的裂纹，形成了张开的花瓣状薄板，花瓣状弹孔部分区域出现圆形变形带，其原因为弹体和靶板在撞击过程中产生摩擦使局部升温，产生的热量导致变形区域出现热软化现象[25]。表3中分别给出了厚度为1.5 mm与4.5 mm的钢板和铝板的实验与仿真结果对比，从表中可以看出在平均入射速度930 m/s下，实验值与仿真值相对误差最小为0.95%，最大值为3.25%，相对误差在5%合理范围内，综上所述，试验与模拟结果基本一致，且实验与仿真数据均在合理的误差范围内，进一步验证了模型和材料参数的有效性。

图4 靶板破坏形貌的仿真(左)与试验(右)对比图((a) 1.5 mm钢；(b) 1.5 mm铝；(c) 4.5 mm钢；(d) 4.5 mm铝)

表3 弹体剩余速度试验与仿真结果对比

2 不同结构参数对组合结构的抗侵彻性能影响

2.1 靶板间距对组合结构抗侵彻性能的影响

本文探究了不同组合形式下，靶板间隔距离对钢/铝间隔板的抗侵彻性能影响。利用LS-DYNA建立了前、后板等厚度4.5 mm的模型(图5)，其组合形式分别为钢-铝(G-Lv)与铝-钢(Lv-G)(其中当靶板间距为0时，靶板间采用面面侵彻接触，但未考虑间隔板之间的接触关系)，仿真了靶板模型在不同间距下的冲击过程。依据仿真结果，表4给出了弹体出靶后的剩余速度，图6为弹体撞击钢/铝不同组合靶板的速度-位移关系。从弹体撞击不同组合结构的速度变化曲线中可以看出，在相同初速度的冲击下，2种组合方式均表现为随着靶板间距的增加，靶板速度逐渐降低。从图6可以看出：钢-铝靶板对子弹速度衰减程度要好于铝-钢靶板，随着间距的增加，速度曲线会出现分段现象。由于钢的材料强度大于铝材料，在冲击过程中，靶板对子弹的冲击阻滞作用不同，从而导致子弹速度变化产生差异。并且从表中可以看出，子弹在穿透前板时的剩余速度几乎相同，而在穿透第2块板时子弹的剩余速度发生较小的变化，这是由于在一定间隙范围内，枪弹在侵彻后板时，仍有部分弹体在前板孔内，靶板间隙大小会影响子弹在侵彻后板过程中的变形过程。

图5 不同间距的组合靶板有限元模型(a为前板，b为后板)

表4 数值模拟中不同靶板间距下弹体侵彻钢/铝组合靶后的剩余速度(m/s)

基于上述模拟结果，绘制了弹体出靶速度与靶板间距的关系图(图7)。当目标靶板为不同材料时，随着靶板间距的增加，子弹的剩余速度也逐渐降低。侯飞等[26]对弹丸侵彻双层不同材料靶板进行研究，得出双层靶板组合的抗侵彻能力与靶板排列顺序有关，双层有间隔组合比无间隔组合的抗侵彻性能要好。由图7可以看出，在相同间距条件下，以间距10 mm为例，侵彻钢-铝组合结构的步枪弹剩余速度为882 m/s，而侵彻铝-钢组合结构的步枪弹剩余速度为860 m/s，钢-铝组合结构的剩余速度明显高于铝-钢组合，因而钢-铝组合形式的靶板抗侵彻性能要好于铝-钢组合；另随着靶板间距的增加，钢-铝组合结构的速度变化率为1.12%，铝-钢组合结构的速度变化率为0.95%，速度变化率很小，所以结构间隙对组合靶板的抗侵彻影响较小，这与文献[16]的结论相同。

图7 数值模拟下钢/铝组合靶板不同间距与剩余速度关系

2.2 钢/铝厚度比对组合结构抗侵彻性能的影响

2.2.1 厚度比对剩余速度的影响

由于靶板间隙对组合靶板的抗侵彻影响很小，故在保证靶板面密度不变的同时，选取定靶板间距0为设定条件，探究了厚度比对钢-铝组合板的抗侵彻性能影响，建立了不同厚度比的组合靶板有限元模型，即a为钢板、b为铝板，见图8所示。

图8 不同厚度比的组合靶板有限元模型

表5 数值模拟中不同入射速度下弹体侵彻钢/铝组合靶的剩余速度(m/s)

图9给出了不同厚度比下弹体以不同初速侵彻钢-铝组合结构的速度历程，从图中可以看出，随着厚度比变化，不同入射速度下弹体速度衰减趋势相同，入射速度越高，穿透不同厚度比的靶板后的剩余速度分布越分散；入射速度越低，其剩余速度分布越集中，且在3种不同初速下，厚度比为0.188的速度衰减曲线均位于整体曲线最上方。

图10 (a)为步枪弹侵彻某一厚度比下组合结构的过程图像，图10 (b)给出了3种初速下步枪弹正侵彻组合结构的穿孔大小模拟图像，靶板主要失效模式为背弹面成花瓣状隆起。可以发现，在侵彻过程中，穿孔四周发生应力变形，并逐渐向四周扩散。从图中可以看出：不同撞击速度下，速度越大，撞击产生的孔径也就越大；同一速度下，随着厚度比的增加，撞击产生的孔径也逐渐增大，这是由于厚度比的变化使得前板的厚度增加，弹体在侵彻前板时产生的变形也就越大，从而使得组合靶板最终孔径产生变化。

2.2.2 厚度比对靶板抗侵彻性能的影响

依据数值模拟，图11给出了不同初速下子弹穿透靶板后的耗散能变化图，表6为不同初速下弹体侵彻钢-铝不同组合靶板的耗散能百分比。从表中可以看出，在相同厚度比下，入射速度越高，组合结构对弹体的耗散能百分比也越就大(个别值除外)；在相同速度下，随着组合结构厚度比的变化，耗散能均表现为先减小后增加的趋势。

图10 不同初速下步枪弹正侵彻组合结构的数值模拟图像((a)侵彻历程：(b)弹孔直径)

图11 仿真计算下侵彻不同厚度比的弹体耗散能变化图

2.3 弹体初速度变化对组合结构抗侵彻性能的影响

2.3.1 初速度变化对剩余速度的影响

对于给定的弹靶组合，弹道极限定义为最低的完全侵彻的弹体初速度。利用文献[27]提出的R-I公式拟合弹体的入射速度-剩余速度关系，并得到组合靶板的弹道极限，即

其中：V，V，V分别为弹体的初始速度、剩余速度和弹道极限速度；，与V为待定常数，依据文献[9]取=2，和V可通过数值仿真数据利用最小二乘法拟合得到。图13为拟合曲线，拟合得到了待定系数值与弹道极限V值，由图中可以看出，钢-铝厚度比为0.130和1.244组合结构弹道极限速度分别为759.08 m/s和725.19 m/s。结果表明，不同厚度比的钢-铝组合靶板的弹道极限具有明显的差异。

表6 数值模拟中不同厚度比下弹体侵彻钢/铝组合靶的耗散能(%)

表7 不同初速下弹体侵彻不同厚度比钢-铝组合靶后的仿真剩余速度(m/s)

图12 不同速度弹体与靶板有限元模型

图13 仿真结果中不同厚度比下的弹体初速和余速关系

2.3.2 初速度变化对靶板抗侵彻性能的影响

图14为子弹穿透靶板后初速-耗能百分比变化关系，从图中可以看出：厚度比不变时，耗散能百分比随着初速的增加而降低，初速越靠近弹道极限，耗散能百分比越大；在不同的厚度比条件下，当初速度小于880 m/s时，厚度比为0.130的组合靶板对弹体的耗散能百分比大于厚度比为1.244的组合靶板；当初速度大于880 m/s时，则表现相反。因而在采用钢-铝组合结构时，对于中低速破片侵彻，采用厚度比为0.130的组合靶板可以达到较好的防护效果；对于高速冲击时，厚度比为1.244的组合靶板的防护效果更好。

图14 仿真结果中不同厚度比下的弹体初速与耗散能百分比的关系

3 结束语

本文通过在专业试验场地进行弹道实验以及数值模拟分析，在验证模型正确的基础上，探究了步枪弹垂直侵彻钢/铝靶板的动态冲击过程，分析了靶板间距、等质量下的不同厚度比和弹体初速度对靶板的抗冲击性能的影响。基于数值模拟仿真，得到以下结论：

(1) 在相同条件下，钢-铝组合板的抗侵彻性能要好于铝-钢组合板，其次，靶板间距的增加对弹体剩余速度变化影响很小，因此对弹体出靶速度影响可以忽略不计。

(2) 在面密度和靶板间距相同条件下，步枪弹以不同初速度垂直穿透钢-铝组合板的出靶速度均随着组合靶板厚度比的增加先增大后减小，耗散能均随着厚度比的增加先减小后增加。当厚度比为0.188时，出靶速度达到最大值，而耗散能达到最小值，此点即为组合靶板抗侵彻性能最差的拐点，因而在设计防护中尽可能避免。但对于厚度比为0.188时出现拐点变化的定量分析需进一步研究。

(3) 基于R-I公式拟合了弹体初速和余速的仿真数据，得出了钢-铝组合靶板在不同厚度比下的弹道极限。在此基础上，比较了不同厚度比下初速度与耗散能百分比的关系，在中低速冲击时，采用厚度比小的组合结构具有较好的抗侵彻能力；在高速冲击时，采用厚度比大的组合结构具有较好的抗侵彻能力。

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Study on the penetration resistance of steel/aluminum composite target with isoplanar density

ZHANG Chen1, ZHANG Xiao-ping1, LIU Su-su1, QU Chang1, ZHANG Fu-bao1, ZHONG Jian-lin2, CAO Yan-feng2

(1. School of Mechanical Engineering, Nantong University, Nantong Jiangsu 226019, China;2.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing Jiangsu 210019, China)

The anti-penetration performance of metal target plate has always been a focus of research. In order to clarify the influence of structural parameters on the vertical penetration resistance of steel/aluminum composite structures, numerical calculation models of steel and aluminum composite structures were established and verified by ballistic impact tests. Based on the numerical model, the influences of the combination form of steel-aluminum, al-steel and target spacing on the penetration resistance of the composite target with the same thickness were analyzed. The simulation results show that under the same thickness, the combination form of steel plate in front was better than the target plate with aluminum plate in front, but the different combination form of laminar spacing has little influence on its anti-penetration performance. In addition, the influence of the thickness ratio of steel to aluminum on the penetration resistance of the composite target plate at different initial velocities was compared. The penetration resistance of the composite target plate decreases first and then increases with the increase of the thickness ratio, and finally reaches a stable value. There is a low point with the worst penetration resistance during the change process, which should be avoided as much as possible in structural design. Finally, the trajectory limit formula of musketeer projectile penetrating steel-aluminum composite structure was obtained by fitting the simulation data according to THE R-I formula. The research results can provide reference for the design of anti-penetration performance of composite target plate and the protection of personnel and materials.

steel/aluminum composite construction; rifle cartridge; surface density; thickness ratio; penetration resistance

O 385

10.11996/JG.j.2095-302X.2022030513

2095-302X(2022)03-0513-09

2021-10-19；

2021-12-19

19 October，2021；

19 December，2021

南通市基础科学研究项目(JC2021200)；国家自然科学基金项目(11902088)

Basic Science Research Project of Nantong (JC2021200); National Natural Science Foundation of China (11902088)

张陈(1996-)，男，硕士研究生。主要研究方向为结构动力学。E-mail：2382775513@qq.com

ZHANG Chen (1996-), master student. His main research interest covers structural dynamics. E-mail：2382775513@qq.com