王晓东， 徐永杰，2， 董方栋，3， 王昊，3， 郑娜娜

(1.中北大学 机电工程学院， 山西 太原 030051； 2.重庆红宇精密工业集团有限公司， 重庆 402760；3.瞬态冲击技术重点实验室， 北京 102202；4.陆军装备部驻北京地区军事代表局驻长治地区军事代表室， 山西 长治 046000)

0 引言

随着现代战争对人员及装备生存能力要求的日益提高，抵抗子弹、弹片等侵彻体的防护装备的需求日渐凸显，促进了各型复合装甲材料与结构的不断发展。

陶瓷材料具有高硬度、高抗压强度、低密度等特性，在装甲设计领域备受关注。刘迪等、包阔等通过实验和数值模拟分析了带有陶瓷的复合装甲结构防护步枪弹的过程，并讨论了靶板结构、背板材料及其厚度对抗侵彻性能的影响。复合装甲的背板材料及其性能对抗侵彻性能存在影响。余毅磊等分析了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维背板铺层角度对陶瓷/纤维复合装甲抗侵彻性能的影响，并对弹芯、陶瓷面板及纤维背板的破坏失效模式进行了分析。孙素杰等、Batra等、邹有纯等分析了陶瓷与背板的材料对抗侵彻性能的影响，发现当陶瓷与背板间波阻抗差值减小时，可以增强装甲结构的能量吸收能力，进而提高装甲结构的抗侵彻性能。复合装甲的结构组成对抗侵彻性能存在影响。刘润华等通过数值模拟发现陶瓷/钢无间隔时抗侵彻性能更好。张林等、高华等、任文科等通过实验研究及数值模拟发现前置陶瓷板可以降低作为背板材料芳纶的剪切破坏程度，当采用金属作为芳纶的支撑板时，有助于增加弹丸的侵彻阻力；芳纶位于陶瓷板及金属之间，有助于缓解二次冲击对陶瓷的损伤。采用纤维材料约束陶瓷，可使弹丸作用时间更长、陶瓷粉末更细、吸收能量更多，在提高抗侵彻性能的同时，还可使复合装甲具备一定的抗重复打击能力。复合装甲各材料的厚度对抗侵彻性能存在影响。肖文莹等通过数值模拟预测与实验验证相结合，对BC/UHMWPE复合材料靶板的5种结构进行抗侵彻性能仿真预测，发现当BC陶瓷与UHMWPE复合材料厚度比为4∶10时抗弹性能最佳。复合装甲中陶瓷的封装形式对抗侵彻性能存在影响。孙启添等、孙昕等结合实验数据和数值模拟研究发现，封装陶瓷的形状及金属框架的存在影响了结构的吸能方式和破坏模式，进而影响了结构整体的抗侵彻性能。蒋志刚等、Russell等和Wadley等通过实验对陶瓷进行约束，可以改善装甲结构的破坏程度，有助于提高抗弹能力。Guo等通过实验与数值模拟，分析了Kevlar-29复合材料覆盖陶瓷/复合材料装甲结构的抗侵彻行为，发现覆盖层自身的能量耗散及其对陶瓷断裂过程的影响有利于提高结构的抗侵彻性能，且增强界面间的粘结强度有利于增加耗能。数值模拟材料的本构模型对结果存在影响。Shokrieh等、Burger等通过讨论及比较数值预测与实验结果的损伤形状、程度与穿透速度的差别，发现在考虑到陶瓷材料的本构模型及复合材料在不同应变率下的力学特性时数值模拟结果将更加可靠。

为探究Kevlar与AlO陶瓷的复合装甲结构，对抗侵彻性能的影响，本文通过AUTODYN软件对平头弹丸以不同速度侵彻复合装甲的过程进行数值模拟，并与相同情况下弹丸侵彻同等面密度的4340钢的靶后速度、吸收动能情况做进行对比分析。

1 仿真模型的建立

1.1 计算模型与材料参数

目前广泛用于抗侵彻的材料主要有金属、陶瓷以及纤维复合材料三大类。对于金属材料，在侵彻下的变形过程及力学机理相较于陶瓷以及纤维复合材料有较为深入的研究与分析，抗侵彻机理及性能目前已有较为明确的结论与准则；对于陶瓷材料，其虽不具有金属材料的韧性和强度，但陶瓷因其在硬度和密度方面的独到优势，也被广泛应用为抗侵彻材料；对于纤维复合材料，因其在比强度上的巨大优势，至今一直是非常重要的一类工程材料，近几年来，随着新型纤维的不断开发，复合材料强度不断提升，在抗侵彻领域也表现出了巨大的应用潜能。

包裹陶瓷面板的材料为Kevlar-129，状态方程为Puff，强度模型为von Mises，失效及侵蚀均为Plastic Strain，具体参数如表1所示。

表1 Kevlar-129纤维复合材料参数Table 1 Meterial parameters of Kevlar-129

其余材料均来自AUTODYN材料库，AlO陶瓷面板材料采用Johnson-Holmquist(JH-2)模型描述，主要材料参数如表2所示，以及钢质背板的材料4340钢主要材料如表3所示。

表2 Al2O3陶瓷材料参数Table 2 Material parameters of Al2O3 ceramic material

表3 4340钢材料参数Table 3 Material parameters of steel 4340

凯夫拉(Kevlar)包覆陶瓷复合装甲结构如图1所示。

图1 弹丸侵彻Kevlar包覆陶瓷复合结构示意图Fig.1 Schematic diagram of a projectile penetrating a Kevlar and ceramics composite structure

图1中，为复合装甲长度，=100 mm；为复合装甲块厚度，=10 mm；为陶瓷面板厚度，=6 mm；为钢质背板厚度，=2 mm；陶瓷面板被厚度为1 mm的Kevlar材料包裹，侵彻体为圆柱平头弹丸，长度为24 mm，半径为3 mm，材料为4340钢，各层材料之间使用AUTODYN软件功能Joins连接。

1.2 复合装甲工况设计

对复合装甲的结构参数及平头弹丸的速度进行调整，对侵彻过程进行数值模拟，工况如表4所示。

表4 工况设计表Table 4 Project

2 仿真结果与分析

2.1 侵彻过程分析

以1 200 m/s的弹丸侵彻各装甲结构为例，对比不同结构复合装甲及等面密度钢装甲的抗侵彻过程，分析各材料与结构抵抗侵彻的能力。

对于A组的K/A/K/S结构复合装甲，侵彻体首先经过短暂飞行，在0.8 μs接触到外侧的Kevlar包裹层，在0.8～1.5 μs侵彻体不断压缩外侧Kevlar层，并在此过程中头部镦粗，速度下降至1 170 m/s左右；在1.5～11 μs，侵彻体与陶瓷材料相互作用，侵彻体头部呈花瓣装剥落，速度降低至950 m/s左右，在此过程中陶瓷碎裂后抗侵彻能力下降，由于Kevlar包裹层与钢质背板的作用，限制了陶瓷的飞散使其继续能够对侵彻体作用；在15～16 μs，侵彻体穿透Kevlar包裹层内侧，速度由950 m/s下降至920 m/s；此后至27 μs，主要为侵彻体对钢质背板的侵彻，速度下降至815 m/s左右。

对于B组的钢装甲，在侵彻过程中首先在钢靶开坑，此时消耗的动能最大，速度下降最快，在此之后进入稳定侵彻阶段，此时速度下降趋势依旧明显，最后进入到贯穿阶段，靶板材料受到严重侵蚀，对动能的吸收能力不断下降，此时侵彻体速度降低趋势明显放缓，直至侵彻体完全贯穿靶板。

对于C组的A/K/S结构复合装甲，侵彻体最先侵彻陶瓷面板，此时速度下降最为明显，随着侵彻体穿透陶瓷材料，此时弹丸开始侵彻Kevlar层与钢质背板，侵彻体的速度下降趋势逐渐放缓，背板的材料与结构影响到装甲的抗侵彻能力。

对于D组的K/A/S背板结构复合装甲，侵彻过程接近于A组，在侵彻贯穿靶板的最后阶段，由于 D组仅有钢背板，速度下降的趋势更明显。

2.2 侵彻体速度变化

侵彻体速度变化曲线如图2～图4所示。

图2 1 200 m/s侵彻体速度变化Fig.2 Velocity change for a projectile penetrating at 1 200 m/s

图3 1 000 m/s侵彻体速度变化Fig.3 Velocity change for a projectile penetrating at 1 000 m/s

图4 800 m/s侵彻体速度变化Fig.4 Velocity change for a projectile penetrating at 800 m/s

根据弹丸以不同速度侵彻各装甲结构的速度变化图，在弹丸侵彻速度为1 200 m/s时，侵彻体在穿透钢装甲后速度最高，其次为C组结构，A组及 D组结构的剩余速度相当且为最低；在弹丸侵彻速度为1 000 m/s时，对钢装甲的穿透速度依旧为最高，A组穿透速度低于B组及D组，但此时C组结构的剩余速度为最低，而在弹丸侵彻速度为800 m/s时，C组结构的侵彻体穿透速度为最低。根据以上分析可知，A组结构对速度较高的侵彻体时有较好的防护效果，而C组结构在抵抗速度较低的侵彻体时有更好的防护效果。

2.3 复合装甲结构对靶后速度影响

弹丸的侵彻速度与残余速度的变化曲线如图5所示。

图5 侵彻速度与残余速度曲线Fig.5 Curves of penetration velocity and residual velocity

在仿真模拟中，弹丸在500 m/s及以下速度均未穿透复合装甲及等面密度钢装甲，随着侵彻体速度的提高，D组结构的复合装甲最先被穿透，此时侵彻体速度约为500 m/s；弹丸的速度继续提升，接下来为A结构复合装甲被穿透，弹丸速度约为700 m/s；此后弹丸速度进一步提升，B组结构及C组结构被穿透，侵彻体速度约为750 m/s。

观察侵彻速度与残余速度的变化趋势，对于 B组的钢装甲，在弹丸侵彻速度在850 m/s以上时，残余速度均高于其他3组的复合装甲，在850 m/s以下时优于D组复合装甲，在800 m/s以下时优于 A组复合装甲；对于A、C、D 3组复合装甲，在1 050 m/s以上时残余速度区别并不明显，但A组存在微弱优势，在1 050 m/s以下时D组侵彻体的残余速度最高，A组其次，C组侵彻体的残余速度最低。

2.4 复合装甲结构对侵彻体动能影响

不同结构复合装甲与等面密度钢装甲对侵彻体动能的吸收量如图6所示。

图6 对侵彻体动能吸收量图Fig.6 Kinetic energy absorption of the projectile

由图6中数据可以直观分析出，C组结构复合装甲吸收侵彻体动能的总量高于其他3组的平均水平，随着侵彻体速度的降低，C组对侵彻体吸收的动能量逐渐高于其他3种结构装甲，A组结构对 1 200 m/s 侵彻体动能的吸收量高于其他3组，但随侵彻速度的降低吸收动能越来越低，而D组结构则在复合装甲中吸收动能最少。

不同结构复合装甲中各材料的能量变化趋势如图7～图9所示。由图7～图9可见：在A组及D组中，Kevlar材料被置于装甲表面，侵彻初期能量在短时间内出现峰值，而C组则因为Kevlar材料全部作为夹层能量曲线无较大波动；A组中除表面的Kevlar层外还存在Kevlar夹层，使其在侵彻过程中得以继续吸收侵彻体动能；D组在侵彻体穿透表面的Kevlar层后，不再直接吸收侵彻体的动能，因此在此之后能量无较大变化；C组的Kevlar材料均被置于夹层中，其能量变化趋势保持缓慢增长。同时各材料能量曲线波动的原因，主要在于靶板各材料之间的相互作用，以及材料的破坏与失效。

图7 A组各材料能量曲线(侵彻速度1 200 m/s)Fig.7 Energy curves of group A materials (penetration speed at 1 200 m/s)

图8 C组各材料能量曲线(侵彻速度1 200 m/s)Fig.8 Energy curves of group C materials (penetration speed at 1 200 m/s)

图9 D组各材料能量曲线(侵彻速度1 200 m/s)Fig.9 Energy curves of group D materials (penetration speed at 1 200 m/s)

综合来看，不同结构复合装甲中各材料能量变化的趋势大致相同，由于结构变化导致侵彻体接触材料的时间不同，能量曲线存在时间上的偏移，但在各材料能量曲线的稳定值存在区别，在A组的Kevlar包覆陶瓷结构中，Kevlar与钢背板均能有效吸收侵彻体动能，此结构对侵彻体的动能吸收情况更优。

2.5 复合装甲防护性能分析

在降低侵彻体速度的方面，各结构复合装甲在抵抗高速侵彻体时均表现良好，当侵彻体速度逐渐下降至800 m/s及以下时，D组结构复合装甲性能最差，A组与C组均表现良好。

在吸收侵彻体动能的方面，各结构复合装甲均相较于钢装甲有更高的动能吸收量，但在800 m/s时仅有C组结构复合装甲的吸能能力最好，唯一超过了钢装甲的吸能能力。在3组复合装甲中由于结构的不同，导致各材料的吸能能力有所不同，C组中Kevlar吸能水平最优，D组中钢质背板的吸能水平最优，而A组虽不能大幅超越C组与D组，但其钢质背板及Kevlar夹层均能够比较有效地吸收侵彻体动能。

根据仿真模拟的结果，对侵彻体的速度与动能以及靶板对动能的吸收情况进行分析。其中A组的K/A/K/S结构复合装甲，对1 200 m/s的侵彻体时有较好的防护性能；C组的A/K/S结构复合装甲对不同速度的侵彻体的防护性能均表现优秀，其主要原因在于陶瓷与钢背板中有更厚的Kevlar夹层，可以吸收更多侵彻体的动能；D组的K/A/S结构复合装甲，表面的Kevlar材料在侵彻初期便被穿透，由此造成对侵彻体动能的吸收能力不足，抗侵彻性能不佳。

3 结论

本文对不同速度平头弹丸侵彻复合装甲与同等面密度钢装甲的过程进行了数值模拟研究，分析了侵彻体速度变化、靶后速度、动能吸收量、各材料吸收能量情况。得出主要结论如下：

1)Kevlar包覆AlO陶瓷的复合装甲结构，可以比较有效地吸收高速侵彻体的动能，其Kevlar夹层起到了主要的吸能作用。

2)将Kevlar材料作为陶瓷与钢质背板的夹层材料时，复合装甲具有更高的动能吸收能力，以及更低的靶后速度。

3)本文研究的Kevlar与AlO陶瓷的复合装甲结构可以更好地抵抗侵彻，Kevlar夹层的位置对抗侵彻能力有较大影响。