0 引言
当前,高速弹丸、破片等撞击物对防弹装甲的撞击问题大多集中在常规弹速范围(0.5～1.3 km/s)[1]。在航天领域中,空间碎片对航天器的超高速撞击速度大多超过3.0 km/s,其平均速度为10 km/s[2]。而对于高弹速(1.3～3.0 km/s)[1]撞击及防护问题,目前研究的相对较少。对于高弹速撞击,压强接近或超过材料强度,撞击体和靶体材料呈现流动性[1]。国内外学者[3-5]通过研究经典Whipple防护结构弹道极限曲线后指出,弹丸高弹速撞击铝合金薄板后只产生极少量的固态碎片。而在Whipple结构的弹道极限曲线中可以明显看出,当撞击速度接近3.0 km/s时,防护能力将下降至最低点,而在3.0 km/s之后,防护能力将再次提高[4]。这样的特点给高弹速撞击防护带来了很大的难度。
超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维是继芳纶之后的新一代轻质、高强度、高模量的高性能纤维,具有优良的耐冲击和抗切割性能,在各种防弹衣和防弹头盔中应用广泛,它具有较高的断裂伸长率(3.7%),比强度是芳纶纤维的1.48倍,具有良好的能量吸收特性。同等面密度下,防弹能力比芳纶纤维复合材料高约25%[6]。由UHMWPE纤维相互正交织成UD布,再由若干层UD布层叠后进行热压,便形成UHMWPE板。由于UHMWPE优良的性能,在高弹速撞击防护中具有很好的应用前景。
周楠等[7]通过弹道侵彻试验方式研究了泡沫铝/UHMWPE纤维夹层复合材料防护性能及破坏模式。冯志威等[8]开展了球形硬质合金破片以不同速度侵彻UHMWPE板实验,获得了侵彻速度高于和等于弹道极限时的破片剩余速度规律与层合板损伤机理。王东哲等[9]研究了由碳化硼(B4C)/碳纤维(CF)/UHMWPE组成的复合装甲对7.62 mm穿甲燃烧弹的抗侵彻性能,并确定了B4C陶瓷面板的最佳厚度。朱德举等[10]模拟犰狳鳞片的排列方式,研究了SiC/UHMWPE抗7.62 mm手枪弹的侵彻能力。Nguyen与Lässig等[11-14]建立了UHMWPE板数值模型,通过实验与数值模拟揭示了其受到常规弹速撞击下的损伤规律与破坏机理。陈成等[15]基于LS-DYNA软件对M80子弹侵彻防弹钢/UHMWPE装甲板进行了仿真。在上述研究中,弹丸的入射速度均小于1.0 km/s。
本文中基于一种“两层铝合金板+防护板”组合靶板结构,对圆柱形铝合金弹丸1.8～2.0 km/s的高弹速撞击防护特性开展了二级轻气炮实验研究,并基于AUTODYN软件,对UHMWPE板建立了一种考虑层间结合力的分层式数值模型,对该圆柱形铝弹丸高弹速撞击组合靶板进行了数值仿真,仿真结果与实验结果具有较好的一致性。
1 弹丸—组合靶板作用系统
综合考虑弹丸撞击速度、飞行中的速度衰减及靶板的防护特性,选取的弹丸为圆柱形铝合金弹丸,直径为10.5 mm,长度为24.7 mm,质量为6 g,材料为超硬铝7075-T6,其撞靶速度控制在1.8 km/s左右。组合靶板如图1所示,其中,前两层铝合金板间隔100 mm,第2层铝合金板与防护板之间间隔40 mm。
图1 组合靶板结构
Fig.1 Composite shields
为了研究在同等面密度下,不同防护板的防护性能,选取3种构型的防护板,并将这3种防护板的面密度均控制在20 kg/m2左右。防护板的构型如表 1所示,其中,Al2O3、B4C分别为氧化铝陶瓷板(体密度3.5 g/cm3)和碳化硼陶瓷板(体密度2.5 g/cm3)。同时,为了减小上述陶瓷板的破碎程度,在二者前方均设置了1.5 mm的芳纶作为止裂层。
2 实验与结果分析
2.1 实验方案
实验采用非火药驱动二级轻气炮对10.5 mm直径圆柱铝弹丸进行驱动,如图2所示。通过控制轻气炮高压气室的压力实现弹丸撞击速度的控制。
图2 二级轻气炮系统
Fig.2 The system of two-stage light gas gun
图3 前两层铝板损伤情况
Fig.3 Damage of the two aluminum plates
实验采用高速摄像对弹丸撞击靶板前的飞行姿态、飞行速度以及弹丸与靶板的撞击过程进行实时监测。所使用的高速摄像机型号为FASTCAM SA5,采用的帧率为50 000 FPS,每20 μs采集1次图像。高速摄像机跟踪弹丸运动过程,获得弹丸运动和着靶姿态,从而通过图像计算弹丸的撞击速度。
2.2 实验结果
针对表1中的不同防护板构型,共开展了13次二级轻气炮高速撞击实验。在实验中,通过压力控制,各发实验弹丸的撞击速度均在1.8～2.0 km/s。表2记录了各次实验弹丸的速度、防护板损伤区域的直径、背凸高度、剩余厚度等实验结果,除防护板构型1的3次实验以及构型3中的第6次、第7次实验靶板被击穿外,其余工况实验靶板均未被击穿。
表1 不同防护板构型
Table 1 Different schemes of the front shield
构型防护板面密度/(kg·m-2)厚度/mm数量11.5 mm芳纶+3 mmAl2O3+10 mm UHMWPE21.6215.2321.5 mm芳纶+4 mmB4C+8 mm UHMWPE19.4613.63321 mm UHMWPE20.6321.76
表2 实验结果
Table 2 Test results
工况速度/(km·s-1)防护板迎弹面损伤区域直径/mm背凸高度/mm剩余厚度/mm1-11.81537穿透1-21.84568穿透1-31.89558穿透2-11.931061282-21.971091372-31.99110147
续表(表1)
工况速度/(km·s-1)防护板迎弹面损伤区域直径/mm背凸高度/mm剩余厚度/mm3-11.817222123-21.847125113-31.897125103-41.92703293-51.95713593-61.977039穿透3-72.107325穿透
2.3 结果分析
在上述各实验工况下,前两层铝合金板的损伤状态较为接近,以工况3-3中的铝合金板损伤情况为例进行分析,如图 3所示。在圆柱形弹丸1.8～2.0 km/s打击速度范围内,第1层铝合金板的撞击部位形成了圆形剪切孔,其直径与弹丸直径较为接近。第2层铝合金板相同的位置则形成了明显扩大的弹孔,其边缘出现撕裂,附近只有少量飞溅的小尺度碎屑形成的损伤。这说明弹丸在贯穿第1层铝合金板后,只有少量部分发生了破碎,其主体部分仍集中了较大的动能并继续撞击第2层铝合金板。
根据表2中的实验结果可以看出,当弹丸的撞击速度分别为1.81、1.84、1.89 km/s时,以Al2O3+UHMWPE作为防护板的组合靶板被弹丸击穿。而在相同的撞击速度下,当防护板为同等面密度下单一的UHMWPE板时,组合靶板却能够防住入射弹丸。而防护板采用同等面密度下的B4C+UHMWPE构型时,组合靶板能防住以更高速度(近2.0 km/s)撞击的入射弹丸。图4—图5列出了部分试验工况的防护板损伤状态。
图4 部分工况防护板损伤情况
Fig.4 Damage of the shield plate in partial cases
图5 部分工况UHMWPE板背凸情况
Fig.5 Deformation of the UHMWPE plate in partial cases
从各工况防护板损伤情况可以看出,对于构型1和构型2,在其防住入射弹丸的同时,Al2O3和B4C陶瓷板均发生了破碎,UHMWPE板通过变形吸收弹丸的剩余动能。而对于构型3,当弹丸垂直撞击时,沿单一UHMWPE板厚度方向的前半部分首先发生纤维剪切冲塞及断裂破坏,弹丸动能逐渐降低,后半部分则通过变形吸收弹丸的剩余动能。
根据工况2-1—工况2-3以及工况3-1—工况3-3还可发现,防护板采用构型2时尽管能够防住弹丸更高的撞击速度,但B4C的破坏范围达到了110 mm,此范围内的后续防护能力将明显下降。而构型3中,单一UHMWPE板的损伤范围虽然也达到71 mm,但表面穿孔部分只有约25 mm,孔周围的纤维及少量UD布由于撞击烧蚀和反射波的作用出现断裂,内层UD布断裂位置向外翻折并围绕弹孔形成若干近似同心圆。尽管形成了上述损伤,但该部分区域并没有出现大面积的材料脱落,因此仍具有一定的后续防护能力。因此,一旦需要考虑多次撞击防护,单一UHMWPE构型比B4C+UHMWPE构型具有更好的应用前景。
2.4 UHMWPE板穿透损伤特性分析
在工况3-4中,UHMWPE板背部通过面内拉伸形成了鼓包,以此吸收弹丸的剩余动能。在工况3-5中,撞击速度达到1.95 km/s,此时UHMWPE板背部在形成鼓包的过程中,由于面内拉伸导致纤维剥离从而使背部出现裂纹,如图6所示,但组合靶板仍没有被弹丸击穿。而在工况3-6中,撞击速度达到1.97 km/s,组合靶板被弹丸击穿,此时UHMWPE板背部出现了剪切冲塞破坏,局部失效的若干层UD布向外翻折,冲塞孔呈矩形,其边缘与纤维横、纵2个方向较为一致,孔的包络范围与弹丸直径相比有所扩大,这可能是由于弹丸的穿透速度较低,在穿透过程中的姿态出现了一定的翻转所致,而其鼓包直径范围与工况3-4相比有所缩小,如图4(e)所示。
图6 1.95 km/s撞击下UHMWPE板损伤情况
Fig.6 The damage of UHMWPE plate (1.95 km/s)
为了进一步研究UHMWPE板穿透的损伤情况,开展了弹丸速度2.1 km/s的高速撞击试验,UHMWPE板背部损伤情况如图4(f)所示。此时,冲塞孔与工况3-6相比有明显缩小,形状也更接近于圆形,这说明当弹丸的穿透速度提高时,在穿透过程中的姿态保持相对较好,可以使冲塞孔的形状更接近于弹丸的截面形状。
对于实验所使用的小尺寸UHMWPE板,后半部分由于变形,各边缘中部出现了向内收缩的现象。
3 单一UHMWPE防护板组合靶板数值模拟
3.1 数值模型
基于AUTODYN软件,采用Lagrange方法对构型3的组合靶板进行数值模拟。UHMWPE板为正交各向异性材料,其失效准则采用修正的Hashin准则[12],其表达式为
(1)
式(1)中: σ为应力;S为失效应力;D为损伤系数;i, j, k=1,2,3。式(1)表明,当材料单元在某方向出现失效时,损伤会在其他方向进行累积。由于UHMWPE板在厚度方向的剥离强度明显小于剪切强度,一旦在厚度方向出现剥离失效,则会导致该方向过早的剪切失效。
为了避免这个问题,将UHMWPE板厚度方向的失效应力S11设置为无穷大,同时针对UHMWPE板建立了一种考虑层间结合力的分层式数值模型,如图7所示。
图7 UHMWPE板分层式模型
Fig.7 Sub-laminate model of UHMWPE plate
在图7中,层间相互结合或失效的判定表达式为[12]
(2)
式(2)中,N、S分别表示法向和切向。通过此建模方法,UHMWPE板在厚度方向的失效只发生在层间界面上。
本研究中采用文献[12]中提供的UHMWPE材料参数。需要说明的是,在AUTODYN软件中,采用上述分层式模型必须将网格进行非结构化处理,对于非结构化网格的接触问题,更适合采用Trajectory接触算法[16]。而撞击中由于热量的产生,物体间并不严格满足机械能守恒关系,因此在求解中更适合使用罚函数(penalty function)准则判定接触力。
弹丸、铝合金板采用Johnson-Cook模型结合Gruneisen状态方程来描述撞击过程中材料的力学行为,其材料参数与文献[17]相同。由于在高弹速范围,弹丸穿过第1层铝合金板后会产生少量碎片,这些碎片会继续撞击第2层铝合金板,因此在Autodyn软件中需要开启“Retain inertia of eroded nodes”选项,保留被删除单元的结点质量,从而对碎片撞击第2层铝合金板进行模拟。
所建立的数值模型如图8所示,其中,加密区网格尺寸为1 mm,UHMWPE板划分20层,层间距为0.1 mm。
图8 数值模型
Fig.8 Numerical model
3.2 仿真结果
针对实验工况3-4、工况3-7开展仿真,弹丸撞击速度分别为1.92、2.1 km/s。两层铝合金板仿真结果如图9所示。与图3对比可以看出,当保留了删除节点的质量信息后,可以较好地模拟出第2层铝合金板的面外变形以及撞击处的损伤及撕裂状态。UHMWPE板仿真结果与试验对比如图10所示。
图9 两层铝合金板仿真结果
Fig.9 Result of the two aluminum plates
图10 UHMWPE板仿真结果与试验对比
Fig.10 Simulation and test results of UHMWPE plate
表3给出了仿真与实验得到的鼓包高度、鼓包半径及冲塞段厚度及相对误差。可以看到,采用分层式数值模型获得的UHMWPE板损伤状态与试验结果相比具有较好的一致性,可以较为准确地得到边缘收缩、背部鼓包以及不同破坏阶段分界面。
表3 UHMWPE板损伤数据对比
Table 3 UHMWPE damage data of simulation and test
数据类型工况试验结果仿真结果相对误差/%鼓包高度/mm3-43228.710.33-72521.812.8鼓包半径/mm3-46862.58.13-782758.5冲塞段厚度/mm3-49811.13-7———穿孔直径/mm3-4———3-7192110.5
4 结论
基于一种“两层铝合金+UHMWPE板”组合靶板结构,对圆柱形铝弹丸1.8～2.0 km/s高弹速撞击防护特性进行了研究。获得的主要结论如下:
1) 在组合靶板中,以面密度20 kg/m2的单一UHMWPE板作为防护板,其防护性能好于同等面密度下的Al2O3/UHMWPE防护板。
2) 以面密度20 kg/m2的UHMWPE板作为防护板时,组合靶板对后续二次撞击的防护能力好于同等面密度下的B4C/UHMWPE防护板。
3) 对UHMWPE板建立考虑层间结合力的分层式数值模型可以获得与实验状态较为一致的仿真结果。
通过上述研究,为UHMWPE在后续高弹速多次撞击防护、精细化数值仿真等方面提供了技术支撑,具有一定的参考价值。
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