陶瓷橡胶复合靶板抗射流侵彻仿真研究
- 格式：pdf
- 大小：233.59 KB
- 文档页数：4
第３３卷第６期 四川兵工学报 ２０１２年６月
【武器装备理论与技术】
陶瓷橡胶复合靶板抗射流侵彻仿真研究
言克斌，夏振友
（解放军陆军军官学院，合肥２３００３１）
摘要：运用非线性动力学有限元软件ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ建立了对聚能装药射流侵彻陶瓷橡胶复合靶板的３Ｄ有限元
模型。分析了在不同倾角下，不同厚度橡胶夹层构成的陶瓷橡胶复合靶板对射流能量吸收的影响。结合质量防护
系数、空间防护系数和差分防护系数对复合靶板的防护效能进行了分析。结果表明：倾角的变化对陶瓷橡胶复合靶
板抗射流侵彻性能影响较大，而橡胶夹层厚度的变化对复合靶板抗射流侵彻性能影响较小。随着倾角的增加，复合
靶板的防护性能增加，在６０。～６８。范围内，复合靶板的防护性能基本不变。
关键词：陶瓷橡胶复合靶板；射流；侵彻；剩余穿深
中图分类号：ＴＪ０６ 文献标识码：Ａ
陶瓷因具有２个主要特点：高强度和低密度，自Ｗｉｌｋｉｕｓ
・Ｍ・Ｌ…等在１９７１年报道了陶瓷复合装甲的应用后，在过
去被广泛应用于坦克、步兵战车、装甲车辆等军用车辆的装
甲防护中，且该防护技术在航天、航空和舰船结构等装甲防
护领域也得到了推广 。一些研究结果表明 ，陶瓷材料
具有较强的抗射流侵彻的能力，其主要原因是由于陶瓷的抗
拉强度很低，侵彻弹道在应力卸载时，反射的拉伸波使弹道
周围的陶瓷破碎，后续射流受到破碎坍塌陶瓷颗粒的干扰，
最终导致射流侵彻能力显著下降。国内，徐学华 对射流侵
彻陶瓷靶板进行了理论计算和试验研究，指出了陶瓷靶板在
射流侵彻作用下的破坏过程，并对断裂射流侵彻陶瓷靶板的
过程进行了理论分析。黄正祥 利用ｘ光观察射流对多层
陶瓷的侵彻情况，并进行了陶瓷复合装甲在大倾角条件下的
抗射流侵彻实验，实验结果表明大倾角条件下陶瓷复合装甲
对射流的横向和纵向都有干扰。然而，目前对射流侵彻陶瓷
橡胶复合靶板的研究相对较少，开展对陶瓷橡胶复合靶板抗 射流侵彻性能的研究成为亟待解决的问题。
本文利用有限元软件ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ对不同倾角、
不同橡胶厚度的陶瓷橡胶复合靶板抗射流侵彻的作用过程
进行了仿真分析。通过数值计算分析了射流侵彻陶瓷橡胶
复合装甲后的能量变化情况，通过对防护系数的计算分析了
复合靶板的最佳防护效能。
１ 仿真模型及材料模型
１．１数值求解方法 为了使研究的射流具有普遍性，聚能装药采用基准弹聚
能装药，起爆方式为中心点起爆。基准弹的形状和基本尺寸
如图１所示。由于聚能装药为圆柱体对称结构，为了简化计 ’ 文章编号：１００６—０７０７（２０１２）０６—００１６—０４
算模型，建模过程中采用１／２模型。基准弹仿真模型由炸
药、药型罩和空气域３部分组成，整个射流部分采用欧拉网
格建模，单元使用多物质ＡＬＥ算法。整个对称面施加滑移
约束，夹层靶和后效靶边界处施加全约束，空气域边界设置
为非反射边界。
图１ 基准弹结构及基本尺寸
１．２材料模型及参数
基准弹内的装药为ＪＨ一２炸药，对炸药起爆采用ＪｗＬ
ｐ Ａ（１一 ）ｅ一 ＋Ｂ（１一 ）ｅ ＋ｏ）ｒｌｐ。ｅ（１）
其中：ｒ／：ｐ／ｐ０；ｅ为比动能；ｅ。为初始比动能；ｐ为总体材料
平均密度； 为参考密度；Ｄ为爆速； ，Ｂ， ， 。及 为常 数。ＪＨ一２炸药的Ｃ—Ｊ参数和ＪｗＬ状态方程参数在表１和
表２中列出。
表１ ＪＨ一２炸药的Ｃ—Ｊ参数
收稿日期：２０１２—０３—２４ 作者简介：言克斌（１９６３一），男，副教授，主要从事弹药威力与目标防护、军用标准化研究。
言克斌，等：陶瓷橡胶复合靶板抗射流侵彻仿真研究 １７
表２ ＪＨ一２炸药的ＪｗＬ状态方程参数
天然橡胶采用Ｏｇｄｅｎ模型，Ｏｇｄｅｎ应变能以３个主伸长
率Ａ。，Ａ ，Ａ 为变量。应变能密度函数为
ＩＶ（，１，，２，１３）＝∑ ，（，１—３） （，２—３） （／２—３） （２） Ｐｔｑ，，＝０ 式中：ｐ，ｑ，ｒ分别为０，ｌ，２；／ｘｐ。 是与变形无关的材料常数；ｌｌ（ｉ
＝１，２，３）为左Ｃａｕｅｈｙ—Ｇｒｅｅｎ变形张量的不变量。
为了能很好地控制橡胶在射流侵彻过程中的失效，仿真
中利用ＬＳ—ＤＹＮＡ提供的９个相互独立的失效判据中的最大
主应变失效。
陶瓷橡胶复合靶板各层材料参数分别如表３和表４
所示。
表３橡胶材料参数
１．３仿真模型
陶瓷橡胶复合靶板的结构示意图如图２所示，其中靶板
面板和背板的尺寸为：长３００ ｍｍ，宽１５０ ｍｍ，上层靶板为陶
瓷材料，厚度为５ｍｍ；下层靶板为Ｑ２３５钢板，厚度为３ ｍｍ；
中间为橡胶夹层，厚度为４ ｍｍ。Ｑ２３５钢板经过喷砂处理后
与橡胶夹层通过黏合剂黏合在一起。
ｃｅｒａｍｉｃ Ｎａｔｕｒｅ Ｒｕｂｂｅｒ Ｕ２０４５２ ／｝ 厂
矿／／／／／｝／／／／／／ ／／／／／
＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼ ＼＼＼＼＼＼＼
图２陶瓷橡胶复合靶板结构
弹靶作用关系位置图如图３所示，炸高为８０ ｍｍ，复合
靶板距离后效靶的距离为２５０ ｍｍ。聚能装药与橡胶复合靶
板的仿真模型见图４。
１．４数值仿真方案
对橡胶夹层厚度分别在３，４，５ ｍｍ时，射流以几种常用
的倾角侵彻陶瓷橡胶复合靶板时可能出现的各种情况进行 了仿真，仿真方案如表５所示。表５中ｈ为橡胶夹层厚度。
倾角０是指射流轴向与复合靶板法向的夹角（如图４所示）。
图３ 弹靶作用关系图
图４仿真模型
表５数值仿真方案
２数值仿真结构及分析
现对数值计算结果进行射流侵彻靶板损失能量分析、射
流侵彻复合靶板射流头部速度损失及射流侵彻靶板后继续
侵彻能力分析，并根据倾角效应以及陶瓷背板和橡胶夹层对
射流的影响，分析射流在侵彻靶板时消耗能量变化和射流继
续侵彻能力变化的原因。
２．１ 射流侵彻靶板损失能量分析
射流侵彻复合靶板时射流的能量随着倾角及橡胶夹层
厚度的变化情况分别如图５～图７所示。
７５
６０
４５
３０
１ ５
０ ５Ｏ ｌＯ０ ｌ ５０ ２００ ｆ／ｕＳ
图５橡胶夹层为３ ｍｍ时射流侵彻复合靶板时
消耗的能量变化 １８ 四川兵工学报 ｈｔｔｐ：／／ｓｃｂｇ．ｊｏｕｒｓｅｒｖ．ｃｏｒｎ／‘
７５
６Ｏ
４５ ＿三 ３Ｏ
１ ５
Ｏ ０ ５０ ｌＯＯ ｌ５Ｏ ２ＯＯ ｔ／ｐｓ
图６橡胶夹层为４ ｍｍ时射流侵彻复合靶板时
消耗的能量变化
７５
６０
娶４５ 芑 三３０
ｌ ５
Ｏ ０ ５０ １００ １ ５０ ２００ ｆ／“Ｓ
图７ 橡胶夹层为５ ｍｍ时射流侵彻复合靶板时
消耗的能量变化
从图５～图７可以看出：射流侵彻靶板时射流的能量随
着侵彻的进行不断减小，射流能量在２０ ｓ左右时达到最大
值，此时射流成型结束，能量达最大值５９．３ ｋＪ，头部速度为
６ ７８７ ｍ／ｓ，开始进行对靶板的侵彻，能量下降。射流侵彻一
段时间后穿出靶板，由于后效靶炸高为３３０ ｍｍ，因此射流穿
出靶板后在空气中飞行，能量相对稳定。某一时刻射流到达
后效靶，继续侵彻，能量下降至结束。不同倾角下射流侵彻
不同橡胶夹层厚度复合靶板时消耗的能量如图８所示。
０ ｌＯ ２０ ３０ ４０ ５０ ６０ ７０ ０１（。）
图８射流侵彻复合靶板时消耗的能量 由图８可知：随着倾角的增加，复合靶板消耗的射流能
量增加明显，而随着橡胶夹层厚度的增加，复合靶板消耗的
射流能量变化较小。根据数值计算结果可以得到，复合靶板
倾角变化对陶瓷橡胶复合靶板抗射流侵彻性能影响较大，而
橡胶夹层厚度的变化对复合靶板抗射流侵彻性能影响较小。
２．２复合靶板防护性能分析
剩余侵彻深度最能直观地反映复合靶板抗射流侵彻性
能的情况，根据数值计算结果可以得到射流侵彻陶瓷橡胶复
合靶板后射流侵彻后效靶的剩余穿深，如图９所示。
吕 目
０／（。）
图９ 剩余穿深随橡胶复合靶板结构变化情况
由图９可知，随着倾角的增大，射流侵彻后效靶穿深降
低，随着橡胶夹层厚度的增加，射流侵彻后效靶深度变化不
是单调的。橡胶夹层厚度为３ ｍｍ时，射流侵彻后效靶的穿
深最小；而橡胶夹层厚度为４ ｍｍ时，射流侵彻后效靶的穿深
最大。
由于橡胶复合靶板状态不同，剩余穿深不能直接作为评
定橡胶复合靶板防护能力的标准，可以采用空间防护系数
Ｅ ，质量防护系数Ｅ 和差分防护系数△ 来表示复合装甲的
防护能力。质量防护系数Ｅ 描述复合靶的整体抗侵彻能
力，空间防护系数Ｅ 描述装甲钢板与橡胶复合靶板的等价
侵彻深度比，差分防护系数△ 描述材料本身所表现出来的
抗侵彻性能，即
Ｅ ＝ Ｐｓ ｔｈｏ ７ （３）
Ｅｓ （４
（５）
式中：Ｐ 为钢的密度；ｐ 为复合靶夹层密度； 为陶瓷背板的
密度； 为ｑｂ５６ｍｍ标准聚能装药基准穿深；ｈ 为射流侵彻
复合靶板后的剩余穿深；６ 为复合靶陶瓷背板厚度；６ 为复
合靶Ｕ２０４５２面板厚度；０为复合靶法向角与标准聚能装药
轴线的夹角；６ 为复合靶夹层厚度。可计算出橡胶复合靶对
射流的质量防护系数Ｅ 、空间防护系数Ｅ和差分防护系
数△
不同橡胶夹层厚度倾角时复合靶板的质量防护系数、空
间防护系数分别如图１０～图１２所示。 一 ，ｆ， ， ●● 一 一 一 …¨＝二＝＝＝＝Ｈ＝＝＝＝＝＝
¨
