兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (9): 240807-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0807
霍子怡1, 何成龙1,2,*(), 贾松1, 杨可谞1, 毛翔1, 黄治镡1, 蒲彦蓉1
收稿日期:
2024-09-06
上线日期:
2025-09-24
通讯作者:
基金资助:
HUO Ziyi1, HE Chenglong1,2,*(), JIA Song1, YANG Kexu1, MAO Xiang1, HUANG Zhixin1, PU Yanrong1
Received:
2024-09-06
Online:
2025-09-24
摘要:
陶瓷/纤维防弹板广泛应用于单兵防护装备,研究其抗多发冲击性能对于减少士兵伤亡有重要意义。以Al2O3/超高分子量聚乙烯拼接防弹板为研究对象,针对弹着点不同位置开展了数值模拟,并与实验结果进行对比分析,验证数值模拟结果的可靠性。基于陶瓷和纤维破坏结果得出防弹板吸能与损伤特征的关系,有效计算下一次冲击的穿透概率。研究结果表明:第1发弹着点位于陶瓷片中心、两片接缝或四角拼接时,防弹板的破坏模式大致相同,接缝处陶瓷层抗冲击性能降低;第1发弹着点位于陶瓷片中心时,第2发子弹在两片接缝处穿透防弹板;随着两发弹着点距离越近陶瓷层吸收的能量越少,纤维层吸收能量越多;两发弹着点位于平行相隔和对角相隔时,中间陶瓷片未产生宏观破坏;当第1发弹着点位于陶瓷片中心时,第2次冲击的穿透概率为1.04%;当前第1发弹着点位于陶瓷片中心时,第2次冲击分别位于水平相邻中心、四角拼接、对角相邻中心时,第3次冲击防弹板穿透概率分别为5.45%、7.35%、5.05%;该方法可快速评估受损装备的抗多发侵彻能。
中图分类号:
霍子怡, 何成龙, 贾松, 杨可谞, 毛翔, 黄治镡, 蒲彦蓉. 陶瓷/纤维防弹板在多发冲击下能量耗散和损伤评估[J]. 兵工学报, 2025, 46(9): 240807-.
HUO Ziyi, HE Chenglong, JIA Song, YANG Kexu, MAO Xiang, HUANG Zhixin, PU Yanrong. Energy Dissipation and Damage Assessment of Ceramic/fiber Ballistic Plate under Multi-impacts[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(9): 240807-.
序号 | 实验工况 | 速度/(m·s-1) | 防弹板被侵彻深度/mm |
---|---|---|---|
1 | 单发子弹 | 806.5 | 20.0 |
2 | 单发子弹 | 807.5 | 20.1 |
3 | 第1发子弹 | 806.2 | 20.2 |
第2发子弹 | 802.0 | 21.1 | |
4 | 第1发子弹 | 803.0 | 20.0 |
第2发子弹 | 807.5 | 21.0 | |
5 | 第1发子弹 | 805.3 | 20.5 |
第2发子弹 | 805.1 | 21.5 |
表1 子弹侵彻防弹板实验结果
Table 1 Experimental results of ballistic plates
序号 | 实验工况 | 速度/(m·s-1) | 防弹板被侵彻深度/mm |
---|---|---|---|
1 | 单发子弹 | 806.5 | 20.0 |
2 | 单发子弹 | 807.5 | 20.1 |
3 | 第1发子弹 | 806.2 | 20.2 |
第2发子弹 | 802.0 | 21.1 | |
4 | 第1发子弹 | 803.0 | 20.0 |
第2发子弹 | 807.5 | 21.0 | |
5 | 第1发子弹 | 805.3 | 20.5 |
第2发子弹 | 805.1 | 21.5 |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
ρ/(g·cm-3) | 3.8 | T/MPa | 262 |
G/GPa | 263 | pHEL/MPa | 1460 |
A | 0.93 | D1 | 0.05 |
B | 0.31 | D2 | 1 |
C | 0.007 | K1/GPa | 193 |
M | 0.6 | K2/GPa | 424 |
N1 | 0.64 | K3/GPa | 436 |
表2 Al2O3材料模型参数[23]
Table 2 Al2O3 ceramic material parameters [23]
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
ρ/(g·cm-3) | 3.8 | T/MPa | 262 |
G/GPa | 263 | pHEL/MPa | 1460 |
A | 0.93 | D1 | 0.05 |
B | 0.31 | D2 | 1 |
C | 0.007 | K1/GPa | 193 |
M | 0.6 | K2/GPa | 424 |
N1 | 0.64 | K3/GPa | 436 |
材料 | ρ/(kg·m-3) | E/GPa | G/GPa | ν | A1/MPa | B1/MPa | n | C1 | /s-1 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
子弹钢芯 | 7850 | 206 | 80 | 0.3 | 1900 | 1100 | 0.065 | 0.05 | 1×10-4 |
子弹铜皮 | 8960 | 124 | 46 | 0.34 | 90 | 292 | 0.31 | 0.025 | 1 |
材料 | Tr/K | Tm/K | m | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | |
子弹钢芯 | 300 | 1800 | 1 | 0.2 | |||||
子弹铜皮 | 300 | 1356 | 1.09 | 0.54 | 4.89 | -3.03 | 0.014 | 1.12 |
表3 7.62mm子弹材料参数[24]
Table 3 Material parameters for type 7.62mm bullet [24]
材料 | ρ/(kg·m-3) | E/GPa | G/GPa | ν | A1/MPa | B1/MPa | n | C1 | /s-1 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
子弹钢芯 | 7850 | 206 | 80 | 0.3 | 1900 | 1100 | 0.065 | 0.05 | 1×10-4 |
子弹铜皮 | 8960 | 124 | 46 | 0.34 | 90 | 292 | 0.31 | 0.025 | 1 |
材料 | Tr/K | Tm/K | m | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | |
子弹钢芯 | 300 | 1800 | 1 | 0.2 | |||||
子弹铜皮 | 300 | 1356 | 1.09 | 0.54 | 4.89 | -3.03 | 0.014 | 1.12 |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
ρ/(kg·m-3) | 960 | G23/GPa | 3.6 |
E1/GPa | 153 | Xt/MPa | 2537 |
E2/GPa | 153 | Xc/MPa | 1580 |
E3/GPa | 113 | Yt/MPa | 2537 |
ν12 | 0.3 | Yc/MPa | 1580 |
ν13 | 0.3 | Zt/MPa | 340 |
ν23 | 0.4 | Zc/MPa | 180 |
G12/GPa | 6 | SC/MPa | 130 |
G13/GPa | 6 | ST/MPa | 130 |
表4 UHMWPE材料参数[25]
Table 4 Material parameters of UHMWPE fiber laminates [25]
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
ρ/(kg·m-3) | 960 | G23/GPa | 3.6 |
E1/GPa | 153 | Xt/MPa | 2537 |
E2/GPa | 153 | Xc/MPa | 1580 |
E3/GPa | 113 | Yt/MPa | 2537 |
ν12 | 0.3 | Yc/MPa | 1580 |
ν13 | 0.3 | Zt/MPa | 340 |
ν23 | 0.4 | Zc/MPa | 180 |
G12/GPa | 6 | SC/MPa | 130 |
G13/GPa | 6 | ST/MPa | 130 |
参数 | 数值 |
---|---|
K/(MPa·mm-1) | 106 |
Nn/MPa | 30 |
Ss/MPa | 80 |
Tt/MPa | 80 |
GI/(kJ·mm-2) | 0.31 |
GII/(kJ·mm-2) | 0.63 |
GIII/(kJ·mm-2) | 0.63 |
表5 Cohesive 单元材料参数[26]
Table 5 Material parameters of Cohesive elements[26]
参数 | 数值 |
---|---|
K/(MPa·mm-1) | 106 |
Nn/MPa | 30 |
Ss/MPa | 80 |
Tt/MPa | 80 |
GI/(kJ·mm-2) | 0.31 |
GII/(kJ·mm-2) | 0.63 |
GIII/(kJ·mm-2) | 0.63 |
弹着点位置 | 弹着点序号 | 陶瓷锥截面面积/mm2 | 侵彻深度/mm | 弹坑直径/mm | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
实验结果 | 模拟结果 | 误差/% | 实验结果 | 模拟结果 | 误差/% | 实验结果 | 模拟结果 | 误差/% | |||
两发位于相同列 | 1 | 343 | 324 | 5.54 | 11.0 | 10.4 | 5.45 | 22.4 | 22.0 | 1.79 | |
2 | 345 | 325 | 5.80 | 11.1 | 10.8 | 2.70 | 23.0 | 22.0 | 4.35 | ||
两发位于相邻列 | 1 | 340 | 326 | 4.12 | 11.0 | 10.7 | 2.73 | 22.5 | 21.7 | 3.56 | |
2 | 346 | 327 | 5.49 | 11.3 | 10.7 | 5.30 | 22.6 | 22.0 | 2.65 |
表6 实验与数值模拟结果对比
Table 6 Comparison of experimental and numerically simulated results
弹着点位置 | 弹着点序号 | 陶瓷锥截面面积/mm2 | 侵彻深度/mm | 弹坑直径/mm | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
实验结果 | 模拟结果 | 误差/% | 实验结果 | 模拟结果 | 误差/% | 实验结果 | 模拟结果 | 误差/% | |||
两发位于相同列 | 1 | 343 | 324 | 5.54 | 11.0 | 10.4 | 5.45 | 22.4 | 22.0 | 1.79 | |
2 | 345 | 325 | 5.80 | 11.1 | 10.8 | 2.70 | 23.0 | 22.0 | 4.35 | ||
两发位于相邻列 | 1 | 340 | 326 | 4.12 | 11.0 | 10.7 | 2.73 | 22.5 | 21.7 | 3.56 | |
2 | 346 | 327 | 5.49 | 11.3 | 10.7 | 5.30 | 22.6 | 22.0 | 2.65 |
图20 侵彻防弹板过程中动能-材料相对破碎深度关系
Fig.20 Relationship between the kinetic energy of ballostic plate and the material relative crushing depth during penetration process
参数 | 数值 |
---|---|
击中损伤区域概率 | 4.55 |
损伤区域内穿透概率 | 22.78 |
整体穿板概率 | 1.04 |
表7 第2发子弹穿透Al2O3/UHMWPE板概率
Table 7 Probability of the second bullet penetrating into the Al2O3/UHMWPE plate %
参数 | 数值 |
---|---|
击中损伤区域概率 | 4.55 |
损伤区域内穿透概率 | 22.78 |
整体穿板概率 | 1.04 |
参数 | 第3发弹着点位置 | |||
---|---|---|---|---|
O1 | O2 | O3 | O4 | |
击中损伤区域概率 | 9.35 | 11.88 | 8.70 | |
穿透损伤区域概率 | 58.29 | 61.89 | 58.04 | |
整体穿板概率 | 100 | 5.45 | 7.35 | 5.05 |
表8 第3发子弹穿透Al2O3/UHMWPE板概率
Table 8 Probability of the third bullet penetrating into the Al2O3/UHMWPE plate %
参数 | 第3发弹着点位置 | |||
---|---|---|---|---|
O1 | O2 | O3 | O4 | |
击中损伤区域概率 | 9.35 | 11.88 | 8.70 | |
穿透损伤区域概率 | 58.29 | 61.89 | 58.04 | |
整体穿板概率 | 100 | 5.45 | 7.35 | 5.05 |
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