第41卷增刊2 2020年6月兵工学报
ACTA ARMAMENTARII
Vol.41Suppl.2
马铃薯曲奇
Jun.2020
孙启添，田超，孙昕，叶坪，董永香
(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081)
摘要：陶瓷/金属复合结构抗侵彻性能优异，在轻质装甲领域有广泛的应用前景。结合实验数据和数值模拟开展封装陶瓷柱形状对复合结构抗侵彻性能的影响规律研究。结果表明：陶瓷形状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；梯形截面陶瓷能增大结构受载荷的面积，增加背板的塑性变形，以吸收更多的弾丸能量，结构最终呈现出的破坏模式为韧性破坏；倒梯形截面陶瓷则在受到弹丸侵彻时，对相邻的陶瓷柱体产生挤压作用，使得载荷发生横向传播，结构内部的陶瓷发生大范围损伤，背板隆起高度较小，结构总体呈现冲塞破坏；陶瓷柱形状通过影响载荷分布与能量传输方式，进而影响复合结构抗弹丸侵彻的能力。 关键词：金属封装陶瓷；复合结构；抗侵彻性能；动态响应
中图分类号：TJ012.4文献标志码：A文章编号：1000-1093(2020)S2-0083-06
DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2020.S2.011
Effect of the Shape of Ceramics on the Anti-penetration Performance of
Compound Structure
SUN Qitian,TIAN Chao,SUN Xin,YE Ping,DONG Yongxiang (State Key Laboratory of Explosion Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing100081,China)
Abstract:Ceramic/metal corrugated compound structures have excellent anti-penetration performance and wide application prospects in the field of light armor.The influence of the shape of embedded ceramic column on the anti-penetration performance of compound structure is studied through experiments and numerical simulation.The results show that the shape of ceramics affects the energy absorption and failure mode of structure,affecting the anti-penetration performance of compound structure.The trapezoidal ceramic can increase the loaded area of structure,thus making the back plate of structure absorb more energy of a projectile through plastic deformation.The failure
mode of structure is ductile failure.Inverted trapezoidal ceramics penetrated by projectiles exert a squeezing effect on adjacent ceramic pillars,causing the load to propagate laterally.Ceramics inside the structure undergo large-scale damage.Protrusion of back plate is lower in this situation.And the failure mode of compound structure is erosion failure.The ceramics with different shapes improve the ability of compound structure to resist projectile penetration by changing the dynamic response mode of compound structure.
Keywords:metal encapsulating ceramic;compound structure;anti-penetration performance;dynamic response
收稿日期：2020-03-10
基金项目：爆炸科学与技术国家重点实验室基金项目(YBKT20-20)
作者简介：孙启添(1995—)，男，博士研究生。E-mail：827768552@qq
通信作者：董永香(1973—)，女，教授，博士生导师。E-mail:*****************
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兵工学报第41卷
0引言
随着反装甲武器技术的高速发展，针对不同战略、战术和战场环境的需要，出现了功能各不相同、种类繁多的反装甲武器。如何提高轻型装甲的抗侵彻性能、赋予装甲目标更顽强的战场生命力，是现代武器防护研究工作者迫切需要解决的难题［1-2］O 陶瓷自问世以来就因其极高的抗压强度和硬度受到了学者的广泛关注。早在1918年就有人发现在装甲表面涂覆一层较厚的瓷釉，能够大大提升装甲的防护性能⑶。但陶瓷的抗拉强度很低，使得陶瓷在受到冲击时会表现出脆性易碎的特点。为了克服这一材料缺陷，国内外学者将陶瓷与金属材料在空间上进行耦合、形成了陶瓷复合结构［4-5］，这种复合结构可以有效地改善陶瓷易碎的缺点，将陶瓷的抗压性能与金属的吸能性能发挥到极致。
传统的陶瓷层状复合结构是将陶瓷与其他材料以平面方式进行叠加［5-7］，这种结构的抗侵彻性能在很大程度上取决于材料的性能，材料之间的耦合方式单一、可设计性差，抗侵彻性能难以得到进一步提升，且该结构抗多发打击的能力较弱⑻。通过将特定尺寸的陶瓷柱体嵌入到有对应波纹孔的金属框架中，形成的纹孔三明治复合结构具有较强的抗侵彻性能［9-10］o在这种结构下，金属框架对陶瓷提供了更强的支撑作用和约束作用，改善了陶瓷受到冲击时出现的大规模碎裂失效现象口0-12］，使得结构的抗侵彻性能进一步提高。
本文选用比强度较高的钛合金和抗弹性能优异的碳化硅陶瓷设计了相应的波纹孔三明治复合结构，该
复合结构在面密度为7.34g/cm2的条件下，可有效抵抗30g弹丸820m/s速度下的垂直冲击，具有优异的抗侵彻性能［13］o为进一步研究该结构的抗侵彻机理，结合实验数据和数值模拟进一步开展陶瓷形状对复合结构抗侵彻性能研究，分析不同内部封装陶瓷块对陶瓷复合靶载荷分布、能量吸收等方面的影响规律，发现陶瓷柱形状决定了复合靶板的内部结构，陶瓷柱形状影响了复合结构的冲击响应与吸能方式。本文成果可为后续陶瓷复合结构抗弹丸分析与设计提供参考依据。
1数值仿真校验
1.1仿真模型的建立
为校验数值模拟的可行性,Tian等开展了相关实验对仿真模型进行校验〔⑷。实验采用的弹丸尺寸为准10.8mmx52mm，质量为30g，材料为T12A钢，弹丸速度为820m/s；靶板采用由钛合金金属框架和碳化硅陶瓷组成的陶瓷波纹复合结构，尺寸为120mm X100mm X19mm，其中面板厚度3mm，背板厚度6mm，陶瓷柱体尺寸为16mm X100mm X 19mm.
本文基于ANSYS/LS-DYNA软件建立相应的仿真模型，为保证仿真的准确性，采用与实验尺寸1：1的等比例全模型建模，具体模型如图1所示。
图1仿真模型
Fig.1Simulation model
采用高应变率下适用的Johnson-Cook(J-C)材料模型和Gruneisen状态方程，定义弹丸与金属框架的材料特性；使用Johnson-Holmquist-Ceramics模型来表征陶瓷的材料性能，材料参数如表1〜表3所示。表1、表2中：：籽为材料密度；G为剪切模量;A为材料屈服应力常数;B为应变硬化系数;n为应变表1弹丸J-C模型主要材料参数
Tab.1Main material parameters of projectile in
J-C model
p/(g・c m-3)G/GPa A/GPa B/G Pa n
7.8577 1.540.4770.26
C M t/K t m/K D1
0 1.02981763 2.0
D2D3D4D5
0000
表2框架材料J-C模型主要参数
Tab.2Main material parameters of metal
frame in J-C model
"(gym-3)G/GPa A/GPa B/GPa n
4.4541.9 1.01 1.090.84
C M皿t m/K D1
0.0160.75329819510.05
D2D3D4^5
0.27-0.480.014 3.
8
增刊 2封装陶瓷形状对复合结构抗侵彻性能的影响
85
in JH-2 model
表3 SiC 陶瓷材料主要参数
Tab. 3 Main material parameters of SiC ceramic
p/( g ・cm _3 )
G/GPa
A/GPa B/ G Pa n 3. 21830. 960. 35
0. 65C
M T/GPa
P hel
D 1
0. 004 5 1.00. 7514. 570. 48
D 2
K/GPa
©GPa
Kg/GPa
0. 48217. 20
硬化指数；C 为应变率相关系数;M 为浊度相关系
数；t o 为室温;t m 为材料熔化温度;D 1 ~。5为累计失
效参数。表3中：T 为材料最大拉伸强度;p H EL 为材
偏心轮机构
料Hugoniot 弹性极限压力；D 1 ^D 2为损伤系数;< ~ K 为压力系数，其余参数同表1.弹丸、金属框架及
陶瓷之间采用 * CONTARCT_ERODING_SURFACE_
TO_SURFACE 的接触方式。
考虑到侵彻过程中结构会发生较大的变形，设
置了材料的自身接触。使用关键字* CONTARCT_ TIED_SURFACE _TO _SURFACE _FAILURE 模拟框架
与陶瓷之间的粘结作用。根据实验的固定方案，在 仿真模型中施加了相应的固定约束。
1.2仿真结果与实验数据的对比
图2为弹丸侵彻靶板的仿真结果与实验数据的
对比。实验时弹丸以820 m/s 的速度垂直侵彻复合
内德滋结构，弹丸未能穿透靶板，通过靶板正面的扩孔可发
现弹丸发生了明显偏转（见图3），仿真结果结构面
板呈现的破坏形态以及弹丸的弹道偏转均与实验结
果相符。
图2仿真结果与实验面板穿孔结果对比
Fig. 2 Comparison of experimental and simulated results智能电位器
图4为背板变形仿真结果与实验数据对比。通
过对比图4中金属框架的响应情况可知，实验中金 属框架背板发生了较大的隆起变形，在框架背面中
心处出现了裂纹，表明820 m/s 的侵彻速度已接近
图3仿真中弹丸发生明显弹道偏转
Fig. 3 Obvious ballistic deflection of projectile in simulation
该结构的弹道极限；另外，在背板两侧还出现了两条
较长的裂纹，表明背板除了有局部隆起变形外，还有
整体撕裂变形。从仿真结果的应力云图可观察到在
背板的中心处出现破裂和高应力区，并在背板两侧 与实验靶相应位置处出现应力较为集中区，表明存 在整体撕裂变形的趋势。
(a)仿真中结构框架的应力云图(a) Stree nephogram of frame in simulation
(b)实验条件下结构的破坏模式(b) Failure mode of structure in experiment
(c)背板破坏模式对比(左为仿真结果，右为实验结果)(c) Comparison of backplate failure modes (lift:simulated result;
right:experimental result)
图4仿真与实验结果对比
Fig. 4 Comparison between simulated and experimental results
上述面板、背板的变形与破坏特征对比表明数 值模拟结果与实验数据基本吻合，本文仿真模型能
够较好地模拟复合结构在弹丸垂直侵彻下的结构响
应和破坏模式，后续可依此模型开展进一步的仿真 研究。
2封装陶瓷形状对抗侵彻性的影响
陶瓷是轻型陶瓷复合结构的主要组成部分，掌
握陶瓷形状特征影响复合靶板的载荷传输方式，进
86
兵工学报第41卷而探究陶瓷对陶瓷复合靶抗侵彻性能的影响，具有
重要的意义。下面拟通过数值模拟对比不同形状的
陶瓷对复合结构破坏模式、吸能机制以及抗侵彻性
能的影响规律。
2.1不同陶瓷形状工况的仿真模型建立
为探究陶瓷形状对复合结构抗侵彻性能的影
响，设计如图5所示3种陶瓷柱形状复合靶，其中
A、B1、B2分别为柱形、梯形与侧梯形截面形状的封
装陶瓷复合靶。在3种方案中，主要对比弹丸作用
在截面为柱形、梯形与侧梯形的封装陶瓷复合靶抗
侵彻行为，除了陶瓷形状不同，复合结构的其他参数
（面密度、陶瓷单元间距、面板厚度、背板厚度）均保
持一致。为保证弹丸能够穿透靶板，将弹丸的速度
设定为950m/s.
120mm <---
l!ll ---------->
13mm
V-->li
^18mm w5mmT1mm.
(a)A复合靶
(a)Composite target A
12mm莫氏变径套
-
--------------------------------------------------------------------------------
r\i:：/\/\11
5mml<24mm»J^1mm
w120mm》
(b)Bl复合靶
(b)Composite target B1
120mm
\/w\/
5mml L24mm»J^1mm
11
(c)B2复合靶
(c)Composite target B2
图5不同陶瓷柱形状的仿真模型
Fig.5Design of simulation schemes
2.2仿真结果对比与分析
图6为3种复合靶抗弹丸侵彻的破坏模式。由图6可见,3种复合靶的面板均形成穿孔并在孔周边存在一定范围的凸起,3种靶板的差异主要体现在背板的形变失效破坏,3种复合靶的隆起高度由高到低依次为A复合靶、B1复合靶、B2复合靶。B2复合靶背板的隆起高度明显低于其他两个靶板，且背板穿孔处出现了大量冲塞块，靶板破坏模式为冲塞破坏;A靶板与B1靶板在弹丸作用下，背板有较高的隆起，随后出现裂纹，裂纹逐渐扩展成穿孔，最终靶板的破坏模式为韧性破坏。3种复合靶背板的承载变形范围与背板隆起高度呈现出相反的规律，即B2靶板承载面积最大，B1靶板次之,A靶板最小。由图7所示陶瓷的损伤云图也可发现,B1、B2复合靶中陶瓷的损伤范围更大，且B2靶中除了直接接触弹丸的陶瓷受损伤外，作用区较大范围的陶瓷柱也产生了损伤，由此表明B2靶的陶瓷形状对弹丸载荷具有较强的横向传递能力。
(a)A复合靶
(a)Composite target A
(b)Bl复合靶
(b)Composite target B1
(c)B2复合靶
(c)Composite target B2
冲塞块
图6不同复合靶的破坏情况
Fig.6Failures of compound structures with different
shapes of ceramic columns
(b)Bl复合靶
(b)Composite target B1
(a)A复合靶
(a)Composite target A
(c)B2复合靶
(c)Composite target B2
图7不同复合靶中陶瓷的损伤情况Fig.7Damages of ceramics in different composite targets 图8为弹丸侵彻陶瓷复合靶板时速度随时间的变化曲线。3种方案弹丸的速度变化结果汇总见表4.从弹丸的速度低程度分析可知，B2复合靶抗弹丸侵彻的性能最为优异，其次为A靶板,B1靶板抗侵彻性能再次之。B2靶板较B1靶板从弹丸的速度降低程度来看，抗侵彻性能提高了
21%.
增刊2封装陶瓷形状对复合结构抗侵彻性能的影响87
图83种靶板弹丸速度变化曲线
Fig.8Velocity curves of projectiles
表43种方案弹丸的速度变化结果
图93种靶板中金属框架的吸能比较
Fig.9Energy absorption comparison of metal frames in three target plates
Tab.4Changes of velocities of projectiles in three schemes
复合理弹丸剩余速度
1
v/(m・s)
弹丸速度降
△v/(m•s-1)
A355595 B1390560 B2273677
为分析产生以上结果的原因，对比3种方案中靶板的吸能情况(见图9、图10)，发现B2复合靶板金属框架的能量和陶瓷的内能明显高于其他两个靶板。这是因为B2复合靶中陶瓷的截面形状为倒梯形，陶瓷在受到弹丸侵彻时会对周围其他陶瓷产生挤压作用，从而将弹丸的载荷进行横向传递，增大了整个靶板受载面积。陶瓷大范围地碎裂，背板发生更大面积的塑性形变，吸收了更多弹丸的动能；而在A和B
1复合靶中，由于周围其他陶瓷和金属框的约束作用，陶瓷受到弹丸侵彻时无法将载荷进行横向传递，且由于陶瓷的强度和硬度远高于弹丸，弹丸无法立即穿透陶瓷。在这个过程中弹丸受到陶瓷磨蚀，质量发生削减，弹道发生偏转；但同时弹丸也推动着陶瓷挤压复合靶的金属背板。B1复合靶中陶瓷的界面形状为梯形，相当于增加了弹丸对金属背板的接触面积，导致B1靶的背板相对于A靶板产生了更大范围的塑性变形，因此B1靶板框架的吸能略高于A靶。
分析认为,3种方案中复合靶板在破坏模式表现出的差异与弹丸的载荷施加方式有关。复合靶板中内部封装陶瓷的形状影响了弹丸对复合靶板的载荷作用方式，进而影响了结构的受力方式。传统的A复合靶板由于受载荷范围有限，背板隆起高度较高，最终表现出的破坏模式为韧性破坏;B1复合靶
图103种靶板中陶瓷的内能比较
Fig.10Comparison of internal energies of ceramics in
three kinds of target plates
板中，截面为梯形的陶瓷在弹丸推动下，一起对金属背板进行侵彻作用，梯形的形状增大了背板的受载荷面积；在B2复合靶板中，倒梯形的陶瓷通过挤压临近陶瓷的方式将载荷横向传递，进一步扩大了金属背板的受载面积，减小了复合结构受到的载荷密度，使得结构整体的抗侵彻性能得以提升。
3结论
苯胺类化合物本文通过对弹丸侵彻金属封装陶瓷复合结构的实验与仿真分析，研究了陶瓷形状对复合结构抗侵彻性能的影响。得到主要结论如下：
1)复合靶中的梯形陶瓷可增大金属背板的变形区域、提升框架的吸能特性；倒梯形的封装陶瓷在抗弹丸侵彻时，可通过挤压临近陶瓷进一步扩大结构中的载荷分布，形成较大范围的陶瓷损伤破坏区，从而提升复合结构的抗侵彻性能。
2)通过对比不同封装陶瓷形状复合结构对弹速下降的影响可知，倒梯形的陶瓷复合结构抗侵彻性能相对于梯形陶瓷复合结构提升可达21%.
3)金属封装的陶瓷形状通过影响载荷分布与能量传输方式，使复合结构表现出不同的破坏模
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