宋庆军 李文平 张林阳 王吉洋

（中国第一汽车股份有限公司材料与轻量化研究院，长春 130011）

1 前言

军用车、安保车等特种车辆均需具备一定的抗弹、抗爆炸冲击的能力[1]，同时在保证特种车防弹防爆性能的前提下，还需减轻防弹装置的总质量，以提高整车的操控性能和机动性能，因此对特种车进行轻量化处理也尤为重要[2]，分析不同厚度特种钢板在给定工况下的防弹防爆性能，从而优选出材料的最佳板厚，可显著减轻整车质量，提升轻量化水平。然而特种钢板材料的研发费用较高，需添加多种合金元素以保证超高强度，同时其热处理及轧制成本相比普通钢板也显著提升，因此针对特种钢板无法对多种厚度进行逐一研发、生产及防弹防爆性能测试，基于此，利用有限元模拟的方法分析不同厚度特种钢板的防弹防爆性能已经成为特种钢开发的主要内容之一。

采用Abaqus有限元分析软件，在给定工况下分析板厚对特种钢板防弹防爆性能的影响规律，并结合具体试验验证模拟结构的准确性，最终选择出本工况下的最佳板厚，为超高强度特种钢开发提供理论支撑。

2 防弹性能模拟

2.1 有限元模型

子弹侵彻钢板是一个高速撞击问题，伴随着大应变、高应变率、高温等高速冲击特性[3]，Johnson-Cook材料模型能很好地描述金属材料的应变强化效应和失效断裂行为，采用该模型模拟特种钢板的力学本构关系，其流动应力σ和失效应变εf的表达式如下。

式中，A、B、C、m、n为材料参数；ε*=ε/ε0为无量纲系数，ε为有效塑性应变率，ε0为参考塑性应变率；Tm=(T-Tr)(Tm-Tr)为无量纲系数，Tm、Tr分别为材料的熔点温度与参考温度；D1～D5为失效参数；σ*为应力三轴度。

Johnson-Cook材料模型采用累计损伤描述材料的失效断裂，其表达式如下。

式中，D为累计损伤系数；Δεp为等效塑性应变增量；εf为失效应变。当0＜D＜1时材料发生损伤，当D=1时材料断裂失效，本研究采用的Johnson-Cook模型参数如表1所示。

表1 Johnson-Cook模型参数

对于特种钢板防弹性能模拟，采用钢板尺寸为300 mm×300 mm，厚度分别为4.5 mm、4.8 mm、5.0 mm、5.5 mm，利用79式狙击步枪发射53式7.62 mm普通钢芯尖头弹，射击距离10 m，子弹初速度为820 mm/s，相对钢板的入射角分别为45°和90°，子弹与钢板间的摩擦系数为0.3，钢板四周完全固定约束，仿真几何模型如图1所示。

图1 不同子弹入射角几何模型

2.2 子弹与钢板作用过程

在本研究给定的防弹工况下，子弹与钢板的作用过程如图2所示，首先子弹以820 mm/s的速度轰击钢板并与钢板接触，接着子弹开始向钢板内部充塞，期间钢板由于受到很大的冲击载荷而发生失效断裂，子弹也会产生很大的塑性变形，其速度逐渐降低，能量由着弹点位置向四周辐射，最终子弹的速度降为0，完全镶嵌在钢板内部，而当子弹速度过快，钢板强度过低或厚度过小时，也会存在子弹完全击穿钢板的可能。由子弹与钢板的作用过程可知，钢板的强度、冲击韧性和板厚都是影响其防弹性能的重要指标，较高的强度、冲击韧性及合适的板厚都有助于提升其防弹性能，因此当给定了材料种类时，选择合适的板厚可有效提升特种钢板防弹性能，并提升其轻量化水平。

图2 子弹与钢板作用过程

2.3 仿真模拟结果

2.3.1 子弹45°入射

子弹以820 mm/s的速度、45°入射角射入钢板，在钢板厚度为4.5 mm、4.8 mm、5.0 mm、5.5 mm的条件下，其击穿情况如图3所示，可以看出当厚度为4.5 mm时，钢板被子弹击穿，而当厚度为4.8 mm、5.0 mm、5.5 mm时，钢板均未被击穿，在钢板表面形成了明显的弹痕，其对应的弹坑深度及弹痕直径如表2所示，随着钢板厚度的增加，弹坑深度和弹痕直径均呈明显的下降趋势，其防弹性能明显增强。

表2 45°入射对应的弹坑深度及弹痕直径 mm

图3 45°入射时的钢板击穿情况

2.3.2 子弹垂直入射

子弹以820 mm/s的速度、垂直射入钢板，在钢板厚度为4.5 mm、4.8 mm、5.0 mm、5.5 mm的条件下，其击穿情况如图4所示，与45°入射的结果相似，当厚度为4.5 mm时，钢板同样被子弹击穿，而当厚度为4.8 mm、5.0 mm、5.5 mm时，钢板均未被击穿，其对应的弹坑深度及弹痕直径如表3所示，可见随着钢板厚度的增加，弹坑深度和弹痕直径也均呈明显的下降趋势，其防弹性能明显增强。

图4 垂直入射时的钢板击穿情况

表3 垂直入射对应的弹坑深度及弹痕直径 mm

综合上述45°入射和垂直入射的仿真结果，当厚度为4.5 mm时，钢板均被击穿；厚度为4.8 mm、5.0 mm、5.5 mm时，钢板均未被击穿，可以起到防弹作用。综上，选择厚度为4.8 mm的特种钢板进行抗弹试验，验证上述仿真结果，并基于防弹性能和轻量化效果对钢板厚度进行优化。

2.4 试验验证

选择厚度为4.8 mm的高强特种钢板，在前文所述的防弹工况下分别进行45°射击和垂直射击，得到的试验结果如图5所示，可以看出两种工况下钢板均未被击穿，也未产生明显的冲击裂纹，其表面形貌与仿真结果接近，2种工况下的弹坑深度和弹痕直径如表4所示，可见试验值与模拟值相当，两者误差在10%以内。综上，本文选择的有限元模型可以较好地模拟钢板防弹过程，4.8 mm的板厚是防弹工况下的最佳板厚。

图5 两种射击角度下钢板的防弹情况

表4 两种射击角度对应的弹坑深度及弹痕直径

3 防爆性能模拟

3.1 有限元模型

在防弹性能模拟的基础上，本研究选择厚度分别为4.8 mm和5.0 mm的钢板进行防爆性能模拟，其几何模型如图6所示，将尺寸为500 mm×500 mm的钢板放置于4根高度为200 mm的支撑筒上，钢板正下方的地面上放置2枚82-2手雷，其TNT当量为62 g，爆炸载荷采用Abaqus软件自带的CONWEP算法进行模拟，该算法相对于ALE算法的优点是不必定义炸药方程来模拟爆炸压力，也不必构建空气模型来模拟爆炸冲击波在空气中的传播过程，计算成本低，适用于远距离爆炸的仿真[4]。钢板的失效断裂行为仍采用Johnson-Cook材料模型来描述，其模型参数如表1所示，爆炸过程仿真时间3 ms，通过钢板的弯曲变形、表面是否破裂及中部拱起量指标来评价钢板的防爆性能。

图6 钢板防爆性能模拟几何模型

3.2 仿真模拟结果

在本研究防爆工况下，4.8 mm和5.0 mm厚度的钢板经爆炸后的变形云图如图7所示，可以看出钢板表面均未产生破裂现象，但受到爆炸冲击波的影响，钢板均产生了一定的弯曲变形，具体表现为四周变形量小、中部变形量大，具有明显的中部拱起特征，其拱起量如表5所示，4.8 mm和5.0 mm厚度的钢板中部拱起量分别为18.06 mm和16.95 mm，两者相差约为1 mm，均满足拱起量小于20 mm的设计目标。综上，4.8mm和5.0 mm厚度的特种钢板均可满足本研究的防爆性能指标。

图7 两种厚度钢板经爆炸后的变形云图

表5 钢板爆炸变形后的中部拱起量 mm

3.3 试验验证

基于轻量化的考虑，选择4.8 mm厚度的特种钢板进行防爆试验，试验装置及爆炸工况与仿真模型相同，如图8所示，爆炸后钢板的宏观变形和迎爆面的表面状态分别如图9和图10所示，可以看出钢板受爆炸冲击波的影响产生了一定的弯曲变形，表面分布大量的钢珠弹痕，但不存在裂纹及穿透现象，对变形后的钢板进行测量，其中部拱起高度为17.49 mm，与模拟的18.06 mm拱起量相当。综上，利用上述防爆试验验证了4.8 mm厚度的钢板具有本试验工况下优良的防爆性能。

图8 防爆试验装置

图9 爆炸后钢板宏观变形

图10 钢板迎爆面表面状态

4 结论

以Abaqus有限元分析软件为平台，对某超高强度特种钢板防弹及防爆性能进行模拟及试验研究，得出如下结论。

a.利用Johnson-Cook材料模型和CONWEP算法可以很好地描述材料的失效断裂行为和爆炸冲击行为，仿真结果与试验结果基本相当。

b.本研究防弹工况下，4.5 mm厚度的钢板被击穿，4.8 mm、5.0 mm和5.5 mm厚度的钢板未被击穿，且随着板厚的增加，弹坑深度和弹痕直径呈减小趋势，其防弹性能随之增强。

c.本研究防爆工况下，4.8 mm和5.0 mm厚度的钢板均未产生表面裂纹及穿透现象，中部拱起量均小于20 mm，满足设计指标要求。

d.基于轻量化及防弹防爆性能考虑，本研究试验条件下的特种钢板最佳厚度为4.8 mm。