现代战争中，随着材料技术的发展，士兵的防护装备得到了极大的发展，尤其是凯夫拉材料在单兵防具领域得到大量应用之后，反步兵装备面临着巨大的挑战[1]。对此，国内学者也进行了大量研究，例如邹渝等[2]采用美军标MiL-P- 46593A-2破片，研究了单兵防弹衣对穿甲破片的防护效应；王轩等[3]采用数值模拟和弹道枪试验，研究了不同强度铝合金靶板对立方体破片的防护性能；Jolly等[4]采用质量为12.44 g的某制式枪弹，模拟了在不同弹速下不同复合防弹衣的防护效应。以上研究均采用大尺寸破片或制式枪弹为研究对象，关于单兵防具对小尺寸钨合金破片对防护能力，国内外少有研究。
基于前期大量的7.62 mm制式枪弹对制式防弹衣以及不同厚度的Q235钢板的弹道枪试验，得出了制式防弹衣的等效Q235厚度为3 mm。本文通过数值模拟和试验的方法，研究了尺寸为3 mm的立方块钨合金破片在不同着靶姿态下，侵彻制式军用防弹衣和3 mm Q235钢板的弹道极限，为小口径反单兵武器战斗部设计及应用提供依据。
1 计算模型及材料参数
采用TrueGrid软件进行有限元模型的构建，所划分的有限元单元均为8节点实体单元Solid164，为了便于观察破片的侵彻过程，有限元模型采用二分之一模型，其有限元模型如图1所示。破片侵彻靶板是一种高速冲击过程，对待这种问题在仿真计算时一般采用计算精度高、速度快的Lagrange算法[5]。钨块与靶板的接触采用CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE，破片采用节点施加速度载荷方式来获得破片的初始速度，在侵彻过程中，靶板的整体移动将严重影响到破片的侵彻深度，在本文中通过在靶板四周边界施加载荷的方式来防止靶板的整体移动。
图1 有限元模型
进行侵彻的破片要求密度高，高速撞击下不易破碎，鉴于国内外常用的材料，现将破片的材料采用93 W，破片材料用随动硬化弹塑性响应，材料类型为*MAT_PLAS -TIC_KINEMATIC，材料参数见表1所示。靶板材料采用Q235合金钢，选用Johson-cook本构模型，其状态方程为Grun eisen形式[6-7]，材料参数见表2所示。
表1 钨合金的材料参数
名称ρ/(g·cm-3)E/GPaμσy/GPafs钨块17.83570.31.2751.2
表2 Q235钢的材料参数
ρ/(g·cm-3)E/GPaυTr/KTm/K7.82000.332931795ε0/s-1χcp/(J·kg-1·K-1)A/MPaB/MPa2.1×10-30.9469293.8230.2nCm1m2m0.5780.065211.2780.706
2 数值模拟
弹道极限的计算参照弹道枪枪击试验方法进行，当穿透和未穿透的速度差≤5 m/s时停止计算，经过反复“折半”数值模拟后，得出了尺寸为3 mm的钨块侵彻3 mm Q235钢板的v50\值。
当钨块正面垂直着靶时仿真结果速度云图如图2所示，当v=518 m/s时，靶板形成冲塞，并且钨块速度降为2 m/s；当v=514 m/s时，钨块完全嵌入靶板，靶板背面形成鼓包但未形成冲塞，并且速度降为0。根据仿真结果计算可得，尺寸为3 mm的钨块侵彻3 mm Q235钢板弹道极限v50=516 m/s。
图2 侵彻仿真结果速度云图
由于弹道枪试验过程中无法控制钨块侵彻钢靶时的着靶姿态，因此通过数值模拟的方法研究尺寸为3 mm的钨块在不同着靶姿态的情况下对3 mm Q235钢靶的弹道极限。
选取钨块倾斜角为30°、45°、60°进行数值模拟，结果如图3所示，根据仿真结果计算得出尺寸为3 mm的钨块侵彻3 mm Q235钢板当钨块倾斜角为30°时道极限为509 m/s；当钨块倾斜角为45°时弹道极限为497 m/s，当钨块倾斜角为60°时弹道极限为507 m/s。
图3 钨块不同着靶姿态侵彻Q235钢靶数值模拟结果
3 试验验证
试验采用口径为12.7 mm的滑膛弹道枪，发射尺寸为3 mm的93 W立方块破片，分别对3 mm Q235钢板和制式军用防弹衣进行枪击试验。试验场地及装置布置如图4所示,图4(a)为试验所用的12.7 mm滑膛弹道枪，图4(b)为NLG202-Z型六通道测速仪，测试精度为0.1 μs，图4(c)为制式军用防弹衣的等效靶板3 mm Q235钢板的试验布置图，图4(d)为制式军用防弹衣的布置图，防弹衣材料为凯夫拉。
图4 试验装置及布置
1)3 mm钨块侵彻3 mm Q235钢板试验结果
尺寸为3 mm钨块对3 mm Q235钢板侵彻试验一共进行10发，试验结果如图5所示，试验数据见表3。
图5 侵彻3 mm Q235钢板试验结果
表3 侵彻3 mm Q235钢板试验结果
序号着靶速度/(m·s-1)试验结果1409靶板背面鼓包2481靶板背面鼓包3554穿透4581穿透5552穿透6547穿透7458靶板背面鼓包8566穿透9530穿透10499穿透
通过试验我们发现当钨块速度小于481 m/s时，钨块嵌入靶板，靶板背面均为鼓包；当钨块速度大于499 m/s时，钨块均穿透靶板。由此可见，尺寸为3 mm的钨块对3 mm Q235钢板的弹道极限介于481 m/s到499 m/s之间，通过计算钨块对3 mm钢靶的最小穿透速度和最大嵌入速度的平均值[8-10]，我们可以得出尺寸为3 mm的钨块对3 mm Q235钢板的弹道极限v50\=490 m/s，与仿真计算结果相差不大。
2)3 mm钨块侵彻军用防弹衣试验结果
尺寸为3 mm钨块对军用防弹衣侵彻试验一共进行6发，试验结果如图6所示，试验数据见表4。通过试验我们发现当钨块速度小于492 m/s时，钨块嵌入防弹衣，并且防弹衣背面无明显凸起；当钨块速度大于506 m/s时，钨块均穿透防弹衣。由此可见，尺寸为3 mm的钨块对军用防弹衣的弹道极限介于492 m/s到506 m/s之间，取其平均值，可以得出弹道极限为499 m/s。
图6 侵彻制式防弹衣试验结果
表4 侵彻防弹衣试验结果
序号着靶速度度/(m·s-1)试验结果1526穿透2506穿透3492嵌入4462嵌入5452嵌入6488嵌入
4 结论
1)当尺寸为3 mm的钨块正面垂直着靶、钨块倾斜角为30°、45°、60°时对3 mm Q235钢靶的弹道极限分别为516 m/s、509 m/s、v50\=497 m/s、507 m/s。
2)尺寸为3 mm的钨块对3 mm Q235的弹道极限v50\=490 m/s，对制式军用防弹衣的弹道极限v50\=499 m/s。
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