金属封装陶瓷复合装甲抗弹性能研究

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第４期王曙光。等金属封装陶瓷复合装甲抗弹性能研究６９

面处存在较大的阻抗差别。而入射的压力波在这种界面处主要分解为３部分：纵向的透射波、反射波以及横向的剪切波，而纵向的反射波和横向的剪切波都是破坏装甲结构完整性的主要因素，不仅导致陶瓷面板的进一步破裂，而且在复合装甲面板和背板的粘结处会出现较大区域的开裂和分层现象，导致复合装甲在更大面积区域内失去继续抗弹的能力，从而大大影响了复合装甲的抗弹能力．

１．２金属封装结构

金属封装陶瓷复合装甲通常由金属面板、金属背板、金属框以及被封装在里面的陶瓷块组成，其显著特点是陶瓷块被封装在金属面板、金属背板和金属框里面，陶瓷块在各个方向均受到金属的约束，如图１所示．

图１金属封装陶瓷复合装甲剖面不意图

在陶瓷复合装甲中，对陶瓷加以边界约束是提高复合装甲抗弹能力的重要措施¨“ｊ．由于陶瓷靶板外加约束，即使在高冲击压缩应力波和拉伸应力波作用下发生了断裂，陶瓷仍被紧密挤压，只有裂纹而无扩容．当弹丸进一步侵彻陶瓷时。没有空间为弹丸让道，于是弹丸需要耗散更多的能量来继续粉碎前端的陶瓷，这种反复粉碎直至弹丸前端陶瓷形成粉化区域后，弹丸还需将粉体沿侵彻的相反方向挤出后才能前进，粉化区域还受到径向流动的推动，这使得粉化陶瓷流体内存在非常大的阻尼力，而且粉粒陶瓷与弹丸的相向运动会磨蚀弹丸的质量．因此改变传统的简单粘结而成的层叠复合装甲，将陶瓷包裹在背衬材料做成的包套内制成金属封装陶瓷复合装甲，陶瓷会得到来自各个方向的最大程度的约束，从而有利于陶瓷复合装甲抗弹能力的提高拉］．

２数值模拟

在弹丸冲击下，要完全描述陶瓷材料抗冲击响应过程必须考虑弹丸和靶体的几何特征、材料的力学特征、冲击波的传播、材料的动态损伤特性、热学和摩擦效应、材料失效的产生和传播等众多因素的影响，这使得解析求解非常困难．因此。对材料的抗冲击响应特性进行数值模拟显得非常重要［７碍］．本文采用动力学仿真软件ＬＳ－ＤＹＮＡ对层叠结构和封装结构的陶瓷复合装甲抗弹丸冲击进行了数值模拟．

２．１有限元模型及材料参数

为了分析陶瓷与金属板不同组合方式对其抗弹性能的影响，对陶瓷在下、陶瓷在上和封装结构３类复合装甲进行了仿真．３种结构中，陶瓷厚度均为８ｍｍ；金属板和金属框采用相同的材料，金属板厚度２ｍｍ，金属框宽度４ｍｍ．为了保证穿靶厚度一致，封装结构中金属面板上预留了与弹体直径同样大小的网孔，即金属面板仅起阻碍陶瓷粉末运动的封装作用，不直接参与抗弹体侵彻．弹体是直径为８ｍｍ、长径比为３的圆柱体．弹靶结构关系如图２所示．由于侵彻具有对称性，计算模型采用原始模型的１／４，在对称面上施加对称约束，在周边施加固定边界约束．有限元模型采用八结点六面体单元，弹靶在各个方向上的网格尺寸均为０．５ｍｍ．

（ａ）陶瓷在下（ｂ）陶瓷在上（ｃ）封装结构

图２弹体侵彻３种不ｌ司结构陶瓷复合靶板弹靶关系罔

计算时弹体、金属面板、金属背板以及金属框均采用Ｊｏｈｎｓｏｎ—Ｃｏｏｋ材料模型和Ｇｒｕｎｅｉｓｅｎ状态方程共同描述［９］，该模型能描述与材料应变、应变率以及温度效应相关的强度变化；陶瓷材料采用Ｊｏｈｎ—ｓｏｎ—Ｈｏｌｍｑｕｉｓｔ—Ｃｅｒａｍｉｃｓ模型Ｌ９Ｊ．弹体和靶板之间采用Ｅｒｏｄｉｎｇ—Ｓｕｒｆａｃｅ—Ｔｏ—Ｓｕｒｆａｃｅ的接触方式，而陶瓷与金属板、金属框之间均采用Ａｕｔｏｍａｔｉｃ—Ｓｕｒ—ｆａｃｅ—Ｔｏ—Ｓｕｒｆａｃｅ的接触方式［９］．表１给出了计算时各材料的主要参数，表中ＩＤ为密度，Ｅ为弹性模量，岸为泊松比，盯Ｐ为剪切模量。１０］．

表１弹体和靶板材料参数

２．２数值模拟结果．

弹体以１０００ｍ／ｓ的初始速度垂直撞击３类不同结构的陶瓷复合靶板，靶板破坏情况如图３所示，

弹体速度和弹体质量随侵彻时间变化曲线如图４和

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７０弹道学报第２ｌ卷

图５所示，图中，ｕ为弹体剩余速度，ｍ为弹体剩余质量，ｔ为弹靶作用时间．

（ａ）陶瓷在下（ｂ）陶瓷在上Ｄ）封装结构

ｔ／ｇｓ

图４弹体侵彻不同结构陶瓷复合装甲弹体速度变化曲线

∞

基

图５弹体侵彻不ｌ司结构陶瓷复合装甲弹体质量变化曲线

由图３～图５可以看出，就３类陶瓷复合靶而言，金属板在上、陶瓷在下结构抗弹性能最差，陶瓷破碎程度最严重，同时弹体剩余速度和剩余质量最大，即弹体侵彻靶板消耗能量最少；金属板在下、陶瓷在上结构抗弹性能次之，金属封装结构抗弹性能最好．

３机理分析

３．１层叠结构防弹机理分析

陶瓷复合装甲中陶瓷面板的主要作用是钝化、侵蚀和碎裂侵彻体，以及传递冲击载荷．碎裂是陶瓷的主要破坏模式，陶瓷材料碎裂后碎片和粉末在冲击载荷作用下，将产生横向和反冲击方向流动．数值模拟结果显示，一旦弹体前面的陶瓷碎裂了，弹体的作用主要是推动它而不是侵彻它．

当高速弹丸撞击陶瓷复合靶时，由于陶瓷材料的非均匀性和第二相的存在，在微孔洞、杂质、玻璃相、晶界、三叉点等处冲击压缩诱发微裂纹形成，随后的持续压缩致使材料损伤，材料强度特别是抗拉强度降低；当压缩波从陶瓷复合靶边界反射为拉伸波时，造成微裂纹生长和连通，进而发生宏观断裂，导致陶瓷复合靶失效‘１１｜．因此金属板在上、陶瓷在下的结构抗弹体冲击时，一旦压缩应力波到达陶瓷背面发生反射，在拉伸应力波的作用下，陶瓷背面材料很容易崩落，弹体在进一步侵彻过程中不再受到陶瓷的磨蚀，从而削弱了复合靶板的整体抗弹能力．当弹体冲击陶瓷复合装甲靶板时，在陶瓷面板中产生一个压缩波，压缩波在面板／背板界面上发生反射和折射，反射和折射波的大小和性质取决于面板和背板的波阻抗．由于陶瓷材料的抗拉强度小，反射拉伸波极易使陶瓷面板在面板／背板界面上产生拉伸失效．理想的背板应能够延迟陶瓷拉伸失效的产生，从而使弹体充分侵蚀．此外，背板还有为陶瓷面板提供支撑以及吸收弹体和陶瓷碎片动能的作用．

作为面板的陶瓷在受到弹丸冲击后，陶瓷面板中形成了破碎锥体，但是由于韧性金属背板的存在，破碎锥体不能脱落，仍粘附于背板上，使得弹体在进一步侵彻过程中受到陶瓷碎块的进一步磨蚀而消耗动能，并且其头部形状变钝。同时弹体动能将通过锥体底面这样一个比弹体横截面大得多的区域传给背板，然后背板通过被压缩、剪切及弯曲等形式吸收能量，由此提高了靶板的抗侵彻能力．

但是，由于陶瓷是脆性材料，它的破坏是断裂而非塑性变形．当弹丸高速撞击陶瓷靶时，冲击表面形成破裂锥形体，并延伸到陶瓷靶和背板的界面处．冲击后瞬时，在陶瓷背面轴心上形成裂纹，在冲击中心的背板上出现最大应力，也正是在这里出现了最大压缩．背板受压缩松弛了对陶瓷靶的支承，这使陶瓷中应力变为张应力．轴心裂纹继续朝弹丸冲击方向发展，随裂纹聚结在锥形体内的陶瓷最后出现全面破碎．若不加约束，应力波传播速度和裂纹扩展速度都远大于弹丸的侵彻速度，以致当弹丸尚未到达陶瓷靶背面，陶瓷靶已全面破碎而飞溅散开，不能对弹丸起进一步的阻挡作用，丧失了防护能力．这说明，陶瓷靶只有保持完整和减少扩容作用才能发挥其防护能力，而这只有通过紧约束才能实现．

３．２封装结构约束效应分析

在封装结构抗弹丸冲击时，由于陶瓷材料通常只能承受非常小的塑性变形，加之陶瓷四周有很强的约束作用，陶瓷碎粒和粉末只能沿弹丸侵彻形成的狭窄通道反向运动并挤压盖板，盖板的破坏程度不仅与弹丸速度有关，更主要是与陶瓷片的厚度有密切关

系Ｊ１｜．当碰撞速度相同时，陶瓷片越厚，盖板破坏越　万方数据