兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (8): 2487-2496.doi: 10.12382/bgxb.2023.1083
王逸凡1, 李永鹏2, 徐豫新1,3,*(), 刘铁磊1, 焦晓龙1, 王若素1
收稿日期:
2024-11-06
上线日期:
2024-08-01
通讯作者:
基金资助:
WANG Yifan1, LI Yongpeng2, XU Yuxin1,3,*(), LIU Tielei1, JIAO Xiaolong1, WANG Ruosu1
Received:
2024-11-06
Online:
2024-08-01
摘要:
为研究碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Composite, CFRP)包覆碳化硼(B4C)陶瓷在钨球侵彻下的破坏机制与防护性能,开展不同弹靶径厚比D/T(D为钨球直径,T为陶瓷厚度)下钨球对CFRP包覆B4C陶瓷板(下文简称靶板)的侵彻试验和数值仿真研究。通过弹道冲击试验,掌握钨球穿靶后的剩余速度以及靶板破坏形貌,分析钨球以不同速度侵彻靶板后B4C陶瓷和CFRP的破坏特征;构建钨球侵彻靶板的数值仿真模型,通过再现试验结果验证模型准确性,对比分析CFRP对钨球侵彻效果的影响;基于仿真模型计算得到的数值仿真数据建立钨球垂直侵彻靶板的剩余速度计算模型,并通过试验数据验证计算模型的精度。研究结果表明:钨球垂直侵彻下,CFRP迎弹面呈圆形破口,背弹面呈十字形破口,背弹面破坏面积大于迎弹面,且随撞击速度和靶板厚度的增加,背弹面破坏面积的变化幅度大于迎弹面;与单一B4C陶瓷板相比,CFRP包覆B4C陶瓷板的抗侵彻性能提高4.8%;所建立的钨球垂直侵彻靶板的剩余速度计算模型计算结果的相对误差绝对值不大于15%。
中图分类号:
王逸凡, 李永鹏, 徐豫新, 刘铁磊, 焦晓龙, 王若素. 钨球对碳纤维增强复合材料包覆碳化硼陶瓷侵彻效应[J]. 兵工学报, 2024, 45(8): 2487-2496.
WANG Yifan, LI Yongpeng, XU Yuxin, LIU Tielei, JIAO Xiaolong, WANG Ruosu. Penetration Effect of Tungsten Alloy Spherical Projectile on CFRP-coated B4C Ceramics[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(8): 2487-2496.
工况 编号 | 破片 直径 D/mm | 陶瓷 厚度 T/mm | 弹靶 径厚比 D/T | 侵彻 速度v0/ (m·s-1) | 剩余 速度vr/ (m·s-1) |
---|---|---|---|---|---|
1-1 | 7 | 8 | 0.875 | 771 | 396 |
1-2 | 12 | 0.583 | 831 | 228 | |
1-3 | 6 | 1.833 | 528 | 457 | |
1-4 | 6 | 1.833 | 1120 | 1006 | |
1-5 | 11 | 8 | 1.375 | 661 | 519 |
1-6 | 10 | 1.100 | 664 | 440 | |
1-7 | 12 | 0.917 | 658 | 373 |
表1 弹道冲击试验结果
Table 1 Results of ballistic impact test
工况 编号 | 破片 直径 D/mm | 陶瓷 厚度 T/mm | 弹靶 径厚比 D/T | 侵彻 速度v0/ (m·s-1) | 剩余 速度vr/ (m·s-1) |
---|---|---|---|---|---|
1-1 | 7 | 8 | 0.875 | 771 | 396 |
1-2 | 12 | 0.583 | 831 | 228 | |
1-3 | 6 | 1.833 | 528 | 457 | |
1-4 | 6 | 1.833 | 1120 | 1006 | |
1-5 | 11 | 8 | 1.375 | 661 | 519 |
1-6 | 10 | 1.100 | 664 | 440 | |
1-7 | 12 | 0.917 | 658 | 373 |
图6 不同撞击速度和弹靶径厚比下CFRP迎弹面和背弹面破坏面积
Fig.6 Failure areas of CFRP on impact surface and back surface under the conditions of different impact velocities and D/T
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
ρ/(g·cm-3) | 17.6 | Tm/K | 3695 |
G/GPa | 160 | Tr/K | 300 |
a/MPa | 1505.8 | Cp/(J·kg-1·K-1) | 384 |
b/MPa | 176.5 | Cv /(m·s-1) | 4046 |
n | 0.12 | S1 | 1.268 |
c | 0.016 | γ0 | 1.58 |
m | 1.0 | α0 | 0.46 |
/s-1 | 1×10-6 |
表3 93W的材料模型参数[20]
Table 3 Material model parameters of 93W[20]
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
ρ/(g·cm-3) | 17.6 | Tm/K | 3695 |
G/GPa | 160 | Tr/K | 300 |
a/MPa | 1505.8 | Cp/(J·kg-1·K-1) | 384 |
b/MPa | 176.5 | Cv /(m·s-1) | 4046 |
n | 0.12 | S1 | 1.268 |
c | 0.016 | γ0 | 1.58 |
m | 1.0 | α0 | 0.46 |
/s-1 | 1×10-6 |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
ρ/(g·cm-3) | 2.51 | B | 0.7311 |
K1/GPa | 233 | M | 0.85 |
K2/GPa | -593 | /s-1 | 1.0 |
K3/GPa | 2800 | T/GPa | 0.26 |
β | 1.0 | SFMAX | 0.2 |
G/GPa | 197 | HEL/GPa | 19.0 |
A | 0.9637 | PHEL/GPa | 8.71 |
N | 0.67 | D1 | 0.001 |
c | 0.005 | D2 | 0.50 |
表4 B4C陶瓷的材料模型参数[22-23]
Table 4 Material model parameters of B4C ceramics[22-23]
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
ρ/(g·cm-3) | 2.51 | B | 0.7311 |
K1/GPa | 233 | M | 0.85 |
K2/GPa | -593 | /s-1 | 1.0 |
K3/GPa | 2800 | T/GPa | 0.26 |
β | 1.0 | SFMAX | 0.2 |
G/GPa | 197 | HEL/GPa | 19.0 |
A | 0.9637 | PHEL/GPa | 8.71 |
N | 0.67 | D1 | 0.001 |
c | 0.005 | D2 | 0.50 |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
ρ/(g·cm-3) | 1.81 | Gbc/GPa | 3.43 |
Ea/GPa | 60 | Gca/GPa | 3.43 |
Eb/GPa | 60 | XC/MPa | 2150 |
Ec/GPa | 12.3 | XT/MPa | 2150 |
υba | 0.051 | YC/MPa | 199.8 |
υca | 0.21 | YT/MPa | 62.3 |
υcb | 0.21 | Sc/MPa | 81.5 |
Gab/GPa | 12 |
表5 CFRP的材料模型参数[25⇓-27]
Table 5 Material model parameters of CFRP[25⇓-27]
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
ρ/(g·cm-3) | 1.81 | Gbc/GPa | 3.43 |
Ea/GPa | 60 | Gca/GPa | 3.43 |
Eb/GPa | 60 | XC/MPa | 2150 |
Ec/GPa | 12.3 | XT/MPa | 2150 |
υba | 0.051 | YC/MPa | 199.8 |
υca | 0.21 | YT/MPa | 62.3 |
υcb | 0.21 | Sc/MPa | 81.5 |
Gab/GPa | 12 |
工况 编号 | 试验结果 | 仿真结果 | 误差/ % | ||
---|---|---|---|---|---|
侵彻 结果 | 剩余速度vr/ (m·s-1) | 侵彻 结果 | 剩余速度vr/ (m·s-1) | ||
1-1 | 击穿 | 396 | 击穿 | 469 | 18.43 |
1-2 | 击穿 | 228 | 击穿 | 210 | -7.89 |
1-3 | 击穿 | 457 | 击穿 | 444 | -2.84 |
1-4 | 击穿 | 1 006 | 击穿 | 990 | -1.59 |
表6 数值仿真结果与试验结果对比
Table 6 Comparison between numerical simulated and test results
工况 编号 | 试验结果 | 仿真结果 | 误差/ % | ||
---|---|---|---|---|---|
侵彻 结果 | 剩余速度vr/ (m·s-1) | 侵彻 结果 | 剩余速度vr/ (m·s-1) | ||
1-1 | 击穿 | 396 | 击穿 | 469 | 18.43 |
1-2 | 击穿 | 228 | 击穿 | 210 | -7.89 |
1-3 | 击穿 | 457 | 击穿 | 444 | -2.84 |
1-4 | 击穿 | 1 006 | 击穿 | 990 | -1.59 |
v0/ (m·s-1) | D/T | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
0.583 | 0.700 | 0.875 | 1.080 | 1.167 | 1.300 | 1.630 | 2.170 | |
900 | 294 | 469 | 590 | 735 | 692 | 751 | 817 | 831 |
950 | 345 | 521 | 621 | 737 | 736 | 804 | 844 | 886 |
1000 | 400 | 557 | 654 | 780 | 773 | 854 | 890 | 924 |
1050 | 420 | 606 | 686 | 824 | 821 | 896 | 955 | 971 |
1100 | 427 | 639 | 731 | 874 | 866 | 928 | 995 | 1 020 |
1150 | 464 | 673 | 772 | 919 | 907 | 978 | 1030 | 1070 |
1200 | 547 | 696 | 829 | 961 | 947 | 1010 | 1070 | 1100 |
表7 剩余速度仿真结果
Table 7 Simulated results of residual velocitym/s
v0/ (m·s-1) | D/T | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
0.583 | 0.700 | 0.875 | 1.080 | 1.167 | 1.300 | 1.630 | 2.170 | |
900 | 294 | 469 | 590 | 735 | 692 | 751 | 817 | 831 |
950 | 345 | 521 | 621 | 737 | 736 | 804 | 844 | 886 |
1000 | 400 | 557 | 654 | 780 | 773 | 854 | 890 | 924 |
1050 | 420 | 606 | 686 | 824 | 821 | 896 | 955 | 971 |
1100 | 427 | 639 | 731 | 874 | 866 | 928 | 995 | 1 020 |
1150 | 464 | 673 | 772 | 919 | 907 | 978 | 1030 | 1070 |
1200 | 547 | 696 | 829 | 961 | 947 | 1010 | 1070 | 1100 |
工况 编号 | D/T | v0/ (m·s-1) | vr/(m·s-1) | 误差/ % | |
---|---|---|---|---|---|
试验值 | 计算值 | ||||
1-1 | 0.875 | 771 | 396 | 455 | 14.78 |
1-2 | 0.583 | 831 | 228 | 220 | -3.67 |
1-3 | 1.833 | 528 | 457 | 468 | 2.50 |
1-4 | 1.833 | 1120 | 1006 | 1001 | -0.48 |
1-5 | 1.375 | 661 | 519 | 531 | 2.34 |
1-6 | 1.100 | 664 | 440 | 469 | 6.53 |
1-7 | 0.917 | 658 | 373 | 388 | 4.08 |
表8 试验值与计算值对照
Table 8 Comparison of test and theoretical values
工况 编号 | D/T | v0/ (m·s-1) | vr/(m·s-1) | 误差/ % | |
---|---|---|---|---|---|
试验值 | 计算值 | ||||
1-1 | 0.875 | 771 | 396 | 455 | 14.78 |
1-2 | 0.583 | 831 | 228 | 220 | -3.67 |
1-3 | 1.833 | 528 | 457 | 468 | 2.50 |
1-4 | 1.833 | 1120 | 1006 | 1001 | -0.48 |
1-5 | 1.375 | 661 | 519 | 531 | 2.34 |
1-6 | 1.100 | 664 | 440 | 469 | 6.53 |
1-7 | 0.917 | 658 | 373 | 388 | 4.08 |
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