金属蜂窝增强陶瓷复合装甲抗侵彻性能研究*

0 引言

近年来，国内外研究者对提高层叠金属陶瓷复合装甲的抗侵彻性能进行了广泛研究。Kaufman[1]和Asadi[2]发现高硬度的陶瓷材料能提高层叠金属陶瓷复合装甲的抗侵彻性能，而邹磊[3]通过增加陶瓷厚度来提高复合装甲的抗侵彻性能，但这些通过提高夹芯材料的强度来提升复合装甲抗侵彻性能的方法，其成本较高且提升效果不明显。最近一些学者[4-6]发现对陶瓷边界进行约束也可以提高复合装甲的抗侵彻性能，但随着复合装甲尺寸的增大，其约束效能逐渐降低，而Christian[7]利用金字塔型金属骨架对陶瓷进行约束，解决了这种尺寸效应对复合装甲抗侵彻性能的影响，大幅度提高了层叠金属陶瓷复合装甲的抗侵彻性能；在此基础上，张俊和倪长也[8-9]通过添加环

氧树脂胶结剂，靶板结构更加完整，使得复合装甲的抗侵彻性能更加优异，但是对于不同侵彻角度的抗侵彻性能却没有进一步深入研究。

文中采用以点阵结构中的蜂窝结构作为支撑陶瓷的金属骨架，通过在金属蜂窝骨架中加入六棱柱型陶瓷棒，并在其上下表面粘结金属板，利用环氧树脂胶结剂密封注塑，构成了该型金属陶瓷复合靶板。通过数值模拟研究了该型复合靶板在不同侵彻位置和侵彻角度下的抗侵彻性能，并与层叠金属陶瓷复合靶板进行了对比分析，得到了两类靶板各子结构的吸能效果、破坏机理，弹丸速度和加速度等变化规律。

1 金属蜂窝陶瓷复合靶板的结构组成

图1为金属蜂窝陶瓷复合靶板的组成。蜂窝骨架是以蜂窝胞元进行扩展形成的双层结构，在蜂窝骨架的空隙中，加入六棱柱陶瓷棒，并在间隙中添加环氧树脂胶结剂，最后在上下表面粘结金属板，构成了该型金属蜂窝陶瓷复合靶板。蜂窝胞元的梁单元尺寸为1.5 mm×1.5 mm×5 mm，蜂窝高度为10 mm。六棱柱陶瓷棒的底面边长为5 mm。金属板的边长40.6 mm，板厚为1.5 mm。弹丸头部为半球形，直径7.62 mm，圆柱部高15 mm。

图1 金属蜂窝陶瓷复合靶板的结构组成及有限元模型

2 两类复合靶板的抗侵彻性能数值模拟

应用ANSYS/LS-Dyna建立计算模型，弹丸初始速度为800 m/s。弹丸和蜂窝使用高强度钢，密度为7 850 kg/m3，面板和背板材料均采用普通装甲钢，密度为7 830 kg/m3，选用常见的氧化铝陶瓷材料，部分参数见表1，环氧树脂胶合剂的密度为1 190 kg/m3。侵彻过程中金属面板和背板的塑性变形大、局部温度高，从而采用本构模型(Johnson-Cook)进行描述，状态方程采用(Gruneisen)[10]。蜂窝、弹丸和环氧树脂采用随动硬化材料模型(Plastic-Kinematic)[10]进行描述。陶瓷的材料模型采用(Johnson-Holmquist-Ceramics)[10]，各材料的具体参数取值见文献[11]。对靶板边界施加全约束，各子结构的接触方式均采用面对面接触算法，所有结构均被划分为结构化网格。

表1 陶瓷材料参数

2.1 金属蜂窝陶瓷复合靶板

弹丸正侵彻金属蜂窝陶瓷复合靶板时，侵彻位置有以下两种情况：a)正对蜂窝骨架节点(强度最高)；b)正对六棱柱陶瓷棒中心(强度最低)。图2 显示侵彻位置为蜂窝骨架节点时弹靶的Miss应力云图。

图2 弹丸侵彻金属蜂窝骨架陶瓷复合靶板的Mises应力云图

从图2(a)可知，当弹丸撞击复合靶板时，应力首先在撞击点产生，随后向四周传递，近邻撞击点出现应力波，从中心到四周应力波在传播过程中逐渐减小。图2(b)面板上的应力波范围继续扩大，应力波沿着蜂窝骨架传递到背板，弹丸头部的应力波也向弹体后部传播，同时弹丸头部已经墩粗。图2(c)应力在蜂窝骨架上传播，使得蜂窝骨架在弹丸的作用下发生断裂，弹丸到达背板且背板发生较大凸起。图2(d)弹丸已穿透靶板，断裂骨架在弹丸作用下也穿出靶板，应力波传递到结构的边界处并产生回弹现象，边缘应力波出现自由震荡。

2.2 层叠金属陶瓷复合靶板

层叠金属陶瓷复合靶板是由面板、背板和陶瓷组成的三明治结构，其结构尺寸，材料模型参数和状态方程参数均保持不变，各材料之间均采用面对面接触，对靶板边界施加全约束。图3表示弹丸正侵彻层叠金属陶瓷复合靶板过程中弹靶的Mises应力云图。

图3 弹丸侵彻层叠金属陶瓷复合靶板的Mises应力云图

图3(a)应力波在弹丸与面板的接触位置产生并向四周扩散，底板产生少许应力波，中间陶瓷未产生应力波，此时弹丸的能量主要由面板吸收。图3(b)弹丸击穿面板，由应力图可以看出，在弹丸头部出现陶瓷碎片，底板的应力波扩大，此时弹丸能量的作用形式是陶瓷破裂。图3(c)弹丸在穿透背板的临界点，弹道周围出现大量陶瓷碎片并产生较大的弹孔。此时陶瓷对弹丸基本无阻碍作用，弹丸的能量转化为背板的变形。图3(d)弹丸击穿背板，背板形成较大孔洞，由于弹丸不再对背板发生冲击作用，背板逐渐恢复变形，穿孔呈现梭型且不再增大。

3 结果分析与讨论

3.1 两类复合靶板各子结构的吸能表现

图4为两类靶板各子结构的能量变化图。图4(a)表示侵彻位置为金属蜂窝骨架节点时靶板各子结构的能量变化曲线。图4(b)表示侵彻层叠金属陶瓷复合靶板时靶板各子结构的能量变化曲线。

图4 两类靶板各子结构的能量吸收图

图4可以发现背板吸收的能量均比面板高，这是由于弹丸作用面板时，弹丸形态完整且速度较高，与面板的作用时间短，而作用背板时，弹丸头部已经墩粗，速度变低，其对背板的作用时间长，从图2和图3中可以看出背板的变形比面板的变形更加明显，说明面板和背板主要靠塑性变形吸收弹丸能量。图4(a)骨架几乎作用整个侵彻时间段，作用力使得骨架整体结构变形较大，同时发现部分骨架结构伴随着弹丸的穿出而脱离靶板，说明骨架出现断裂，变形和断裂吸收了弹丸大量能量。陶瓷属于脆性材料，在弹丸侵彻过程中其主要作用是墩粗弹丸，并通过破碎吸收弹丸能量，层叠金属陶瓷复合靶板中陶瓷破碎的区域大于金属蜂窝陶瓷复合靶板，但两类靶板中陶瓷吸收的弹丸能量相差不大，这是因为在金属蜂窝陶瓷复合靶板中，金属蜂窝骨架和环氧树脂具有良好的抗弯曲特性，且在陶瓷受到弹丸的压缩剪切破坏和背板的拉伸破坏而裂开时，会对陶瓷进行约束使得裂开的陶瓷紧紧的挤压在一起，不会发生崩落，从而提高了陶瓷对弹丸的作用力。弹丸贯穿靶板后，金属蜂窝陶瓷复合靶板吸收的总能量大于层叠金属陶瓷复合靶板，说明了金属蜂窝陶瓷复合靶板的抗侵彻性能强于层叠金属陶瓷复合靶板。

3.2 弹丸侵彻靶板过程中的速度和加速度分析

通过研究靶板各子结构的吸能表现，分析靶板的破坏机理，但对靶板具体抗侵彻性能，还需要研究弹丸侵彻过程中速度和加速度的变化规律。图5和图6分别为弹丸侵彻两类靶板过程中速度和加速度的变化规律。

图5 弹丸的加速度变化规律

图6 弹丸的速度变化规律

图5的结果表明：弹丸接触靶板时，加速度急剧增大，这是因为靶板的形态完整，且具有较高的硬度和刚度，当弹丸接触靶板瞬间，在其表面形成强力的压缩波，从而使得弹丸和靶板之间的压应力迅速增大；从12 μs到弹丸贯穿靶板这段时间，加速度整体趋于减少，偶尔有几段小的上升，这是由于各子结构的材料不同，对弹丸的作用力不同，出现转折点表示弹丸开始侵彻该子结构；图2的计算结果可以发现，12 μs时陶瓷出现破碎，随后弹丸的加速度也快速减少，说明陶瓷在抗侵彻过程中具有重要作用，12 μs后弹丸侵彻金属蜂窝陶瓷复合靶板的加速度仍大于层叠金属陶瓷复合靶板，因为破碎的陶瓷在蜂窝骨架和环氧树脂的约束下仍然对弹丸有较大的作用力。图6结果表明：弹丸贯穿层叠金属陶瓷复合靶板所需的时间最短为64 μs，而贯穿金属蜂窝陶瓷复合靶板所需的时间分别为90 μs和72 μs，相对于层叠金属陶瓷复合靶板，弹丸更难贯穿金属蜂窝陶瓷复合靶板。弹丸贯穿层叠金属陶瓷复合靶板后的剩余速度为456 m/s，抗侵彻性能最弱；侵彻位置正对金属蜂窝陶瓷复合靶板节点时，弹丸贯穿靶板后的剩余速度为276 m/s，抗侵彻性能最强；侵彻位置正对六棱柱陶瓷棒中心时，弹丸贯穿靶板后的剩余速度为372 m/s，其抗侵彻性能居上述两者之间。

考虑面密度对复合靶板的影响，传统层叠金属陶瓷复合靶板的面密度是60.66 kg/m2，金属蜂窝陶瓷复合靶板的面密度是67.55 kg/m2，面密度增加了11.36%，但弹丸贯穿靶板后的速度降相比传统层叠金属陶瓷复合靶板最低提升了24.42%，最高提升了55.23%，由此可见，金属蜂窝骨架提高了复合靶板单位密度的抗侵彻性能。

3.3 斜侵彻条件下的剩余速度分析

以上分析了弹丸正侵彻条件下靶板的抗侵彻性能，而在实际情况下，弹丸并不是正侵彻，而是以一定的角度侵彻复合靶板，为了研究弹丸斜侵彻情况下靶板的抗侵彻性能，弹丸分别以60°、65°、70°、75°、80°和85°侵彻蜂窝骨架节点和陶瓷棒中心，分析弹丸的剩余速度随角度的变化规律，并与层叠金属陶瓷复合靶板进行对比分析。弹丸侵彻两类靶板后的剩余速度随侵彻角度的变化规律如图7。

图7 子弹的剩余速度随侵彻角度的变化规律

结果表明：随着侵彻角度的减少，弹丸的剩余速度越来越小，这是因为斜侵彻下，弹丸贯穿靶板的厚度相对增加，从而使得两种复合靶板在承受斜侵彻时，抗侵彻性能更好；弹丸正侵彻层叠金属陶瓷复合靶板后的剩余速度是456 m/s，且随着侵彻角度的减少，剩余速度也缓慢减少，在侵彻角度为60°时弹丸的剩余速度是352 m/s，整个过程剩余速度减少了104 m/s，而弹丸正侵彻金属蜂窝陶瓷复合靶板后的剩余速度分别为372 m/s和276 m/s，但随着侵彻角度的减少，弹丸的剩余速度下降较快，特别是侵彻角度由75°到60°，弹丸的剩余速度急剧下降，在侵彻角度为60°时弹丸的剩余速度下降到76 m/s和18 m/s，整个过程弹丸的剩余速度分别减少了296 m/s和258 m/s，其剩余速度变化大于层叠金属陶瓷复合靶板，且弹丸贯穿两类靶板后的剩余速度差由180 m/s逐渐增加到334 m/s，说明金属蜂窝陶瓷复合靶板的抗斜侵彻性能明显优于层叠金属陶瓷复合靶板。

4 结论

文中设计了一种由金属蜂窝骨架、陶瓷、环氧树脂胶结剂及金属板所组成的复合靶板，研究了该金属陶瓷复合靶板在不同位置受弹丸不同角度侵彻时的动力学性能，并与层叠金属陶瓷复合靶板进行了对比分析，主要得到以下结论：

1)金属蜂窝骨架对陶瓷材料起到了支撑作用，限制了陶瓷在冲击载荷作用下的碎裂和飞溅，显著提高了复合靶板的抗侵彻性能。

2)正侵彻条件下，弹丸贯穿层叠金属陶瓷复合靶板所需时间最短为64 μs，剩余速度最大为456 m/s，速度降是344 m/s，抗侵彻性能最弱；侵彻位置正对蜂窝骨架节点时，贯穿靶板所需的时间最长为90 μs，剩余速度最小为276 m/s，速度降是524 m/s，抗侵彻性能最强；侵彻位置正对陶瓷棒中心时，贯穿靶板所需的时间、剩余速度、速度降及抗侵彻性能均介于上述两者之间。

3)斜侵彻条件下，随着侵彻角度的减小，弹丸贯穿层叠金属陶瓷复合靶板后的剩余速度由456 m/s缓慢减少到352 m/s，而侵彻位置正对蜂窝骨架节点时，弹丸的剩余速度由276 m/s急剧减少到18 m/s，且整个过程两者的剩余速度差由180 m/s逐渐增加到334 m/s，因此说明了金属蜂窝陶瓷复合靶板在抗斜侵彻方面具有明显的优势。研究结果对于金属陶瓷复合装甲的结构优化设计和抗冲击动力学研究有重要指导意义。