肖毅華，洪祥富，唐自強(qiáng)

(華東交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，南昌 330013)

陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度和低密度等特性，廣泛應(yīng)用于防彈衣和裝甲車輛等裝備的防護(hù)裝甲。但因其自身高脆性的缺點(diǎn)，往往需要與其他延性材料復(fù)合使用，以更好地發(fā)揮其抗沖擊性能方面的優(yōu)勢(shì)。仿生技術(shù)常被用來(lái)開(kāi)發(fā)新型高性能復(fù)合材料。珍珠母具有復(fù)雜的多級(jí)結(jié)構(gòu)[1-2]，是一種由脆性文石片和軟有機(jī)質(zhì)所組成的復(fù)合材料；在微米尺度上，呈現(xiàn)出“磚-泥”式結(jié)構(gòu)，一般以長(zhǎng)幾微米、厚零點(diǎn)幾微米的脆性文石片為“磚”，以厚幾十納米的軟有機(jī)質(zhì)為“泥”，文石片在層內(nèi)通過(guò)有機(jī)質(zhì)連接，不同層交錯(cuò)排列并通過(guò)有機(jī)質(zhì)連接；從更微觀的層面來(lái)看，文石片表面具有波紋度和納米級(jí)凸起，其內(nèi)部還存在礦物橋結(jié)構(gòu)。珍珠母在保證強(qiáng)度的同時(shí)兼具優(yōu)異的韌性，具有良好的抗沖擊能力。人們對(duì)其增韌和抗沖擊機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了一些重要的增韌和吸能機(jī)制，包括：珍珠母的“磚-泥”式堆垛結(jié)構(gòu)使裂紋偏轉(zhuǎn)；文石片間有機(jī)質(zhì)薄層產(chǎn)生黏性阻尼作用；層間的礦物橋斷裂破環(huán)可以阻礙裂紋擴(kuò)展；層間可以產(chǎn)生互鎖作用；等等。一些研究者采用仿生技術(shù)，以珍珠母的微觀結(jié)構(gòu)為仿生模型，采用不同的材料組合，開(kāi)發(fā)了多種仿珍珠母復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)。模仿珍珠母的微觀結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)仿珍珠母陶瓷復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)，為克服陶瓷材料的缺陷提供了有效的途徑。

目前，國(guó)內(nèi)外已有一些研究者對(duì)仿珍珠母復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能進(jìn)行了研究。在低速?zèng)_擊性能方面，Wang等[3]通過(guò)軟質(zhì)膠粘劑粘接建筑用陶瓷馬賽克磚，得到仿珍珠母復(fù)合結(jié)構(gòu)，采用落錘沖擊試驗(yàn)對(duì)其抗沖擊性能進(jìn)行了研究。Yin等[4]通過(guò)激光雕刻在硼硅酸鹽玻璃板上制出小片體的輪廓，再用乙烯-醋酸乙烯酯中間層將雕刻過(guò)的硼硅酸鹽玻璃板進(jìn)行交錯(cuò)層疊組裝，制備出耐沖擊的仿珍珠母透明復(fù)合材料，試驗(yàn)結(jié)果表明其抗沖擊性能比夾層玻璃和鋼化玻璃要高2～3倍。Sarvestani等[5]通過(guò)激光雕刻的方法制備了由陶瓷片和乙烯-醋酸乙烯酯構(gòu)成的仿珍珠母復(fù)合板，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)對(duì)其在準(zhǔn)靜態(tài)和低速?zèng)_擊下的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其吸能特性和抗多次沖擊性能的影響。Wu等[6]采用3D打印技術(shù)，制備了由3D打印材料Veromagenta RGD851和Tangblackplus FLX980構(gòu)成的仿珍珠母復(fù)合板，采用落錘沖擊試驗(yàn)和有限元分析研究了其沖擊響應(yīng)。在高速?zèng)_擊性能方面，Knipprath等[7]較早地開(kāi)展了相關(guān)的研究。他們基于LS-DYNA建立剛性半球頭彈高速?zèng)_擊仿珍珠母碳化硼陶瓷/樹脂復(fù)合板的FEM模型，通過(guò)數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)仿珍珠母復(fù)合板具有比純陶瓷板更優(yōu)的抗沖擊性能。Flores-Johnson等[8]基于ABAQUS軟件采用FEM模擬了仿珍珠母AA7075鋁合金/環(huán)氧樹脂復(fù)合板的抗沖擊性能。Grujicic等[9]研究了仿珍珠母碳化硼陶瓷/聚脲復(fù)合材料抗剛性平頭彈沖擊的性能，討論了不同結(jié)構(gòu)特征如表面形貌、相鄰層間的礦物橋等對(duì)其抗沖擊性能的影響。Haynes等[10]建立有限元模型，分析了陶瓷片的大小、形狀等因素對(duì)仿珍珠母陶瓷復(fù)合板的抗沖擊性能的影響，并討論了其制備問(wèn)題。Miao等[11]將AA7075-T651鋁合金片通過(guò)環(huán)氧樹脂粘接，制備了面向彈道沖擊防護(hù)應(yīng)用的仿珍珠母復(fù)合板，開(kāi)展了不同層數(shù)的仿珍珠母復(fù)合板和整塊鋁合金板的彈道沖擊測(cè)試。從上述已有研究來(lái)看，仿珍珠母復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)對(duì)于沖擊載荷具有良好的適應(yīng)性，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)可以獲得優(yōu)于其組分材料的抗沖擊性能。目前，盡管陶瓷與延性金屬組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能得到了廣泛的研究和應(yīng)用，但現(xiàn)有的研究主要考慮整塊陶瓷與金屬以比較簡(jiǎn)單的層疊型式復(fù)合使用，而模仿珍珠母復(fù)雜多級(jí)結(jié)構(gòu)的陶瓷/金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，具有復(fù)雜內(nèi)部特征的陶瓷/金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的制造變得更加容易。特別是適用于仿生設(shè)計(jì)的陶瓷/金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的增材制造技術(shù)的發(fā)展[12]，將有效地促進(jìn)模仿珍珠母等天然生物材料微觀結(jié)構(gòu)的陶瓷/金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用。

本文以脆性陶瓷和延性金屬為組分材料，模仿珍珠母的“磚-泥”式微觀結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了仿珍珠母陶瓷/金屬?gòu)?fù)合板(以下稱仿珍珠母復(fù)合板)。與傳統(tǒng)的陶瓷/金屬?gòu)?fù)合板不同，仿珍珠母復(fù)合板參照珍珠母的“磚-泥”式結(jié)構(gòu)，以規(guī)則陶瓷小片和金屬組成陶瓷/金屬?gòu)?fù)合單層，各單層再交錯(cuò)層疊并以層間金屬為連接形成多級(jí)結(jié)構(gòu)；而常見(jiàn)的陶瓷/金屬?gòu)?fù)合板多以整塊陶瓷板為基礎(chǔ)，采用面板+背板、“三明治”等結(jié)構(gòu)型式與金屬層組成相對(duì)簡(jiǎn)單的復(fù)合結(jié)構(gòu)。針對(duì)仿珍珠母復(fù)合板，基于數(shù)值模擬評(píng)估其抗沖擊性能，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其抗沖擊性能的影響，并將其與陶瓷板以及常見(jiàn)的陶瓷/金屬層疊復(fù)合板(以下稱層疊板)對(duì)比，分析它們?cè)诳箾_擊性能以及變形和失效模式方面的差異。文中還探討了進(jìn)一步提高仿珍珠母復(fù)合板抗沖擊性能的有效措施。

1 仿珍珠母陶瓷/金屬?gòu)?fù)合板設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了三種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿珍珠母復(fù)合板，通過(guò)數(shù)值模擬研究其抗沖擊性能，并將其與純陶瓷板和層疊板對(duì)比。仿珍珠母復(fù)合板的結(jié)構(gòu)型式如圖1(a)所示。它模仿珍珠母的“磚-泥”式多級(jí)結(jié)構(gòu)，由多層交錯(cuò)鋪設(shè)的陶瓷片和鑲嵌于陶瓷片間的金屬構(gòu)成。每層包含多個(gè)陶瓷片，陶瓷片的橫截面形狀為正方形，正方形邊長(zhǎng)為a，陶瓷片的厚度為h。層內(nèi)陶瓷片間金屬的厚度和層間金屬的厚度相等，厚度值為g。三種仿珍珠母復(fù)合板的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。它們的總體結(jié)構(gòu)尺寸一致，總長(zhǎng)為101.6 mm、總寬為101.6 mm、總厚為12.7 mm。在仿珍珠母復(fù)合板中，陶瓷材料采用氧化鋁，金屬材料采用Weldox 460E鋼。彈體為鎢合金平頭彈，以903.9 m/s的初始速度正撞擊靶板。彈體的尺寸參數(shù)為直徑6.14 mm、長(zhǎng)度20.86 mm。

Nemat-Nasser等[13]通過(guò)試驗(yàn)研究了同樣尺寸(101.6 mm×101.6 mm×12.7 mm)的氧化鋁陶瓷板在相同彈體沖擊下的性能。該氧化鋁陶瓷板的抗沖擊性能用于參考和對(duì)比。同時(shí)，還設(shè)計(jì)了圖1(b)所示的層疊板。層疊板的總體尺寸也為101.6 mm×101.6 mm×12.7 mm。在層疊板中，陶瓷層為面板，金屬層為背板。同樣考慮三種不同陶瓷層和金屬層厚度的組合(見(jiàn)表1)，這些不同厚度組合的層疊板的面密度分別與前述三種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿珍珠母復(fù)合板的相對(duì)應(yīng)，從而方便層疊板和仿珍珠母復(fù)合板的抗沖擊性能對(duì)比。

表1 仿珍珠母復(fù)合板和層疊板的結(jié)構(gòu)參數(shù)和面密度

圖1 仿珍珠母復(fù)合板和層疊板的結(jié)構(gòu)示意圖

表1中仿珍珠母復(fù)合板內(nèi)陶瓷和金屬的有效厚度tc和tm分別定義為

tc=mc/(ρcS)

(1)

tm=mm/(ρmS)

(2)

式中：mc為陶瓷材料的總質(zhì)量；mm為金屬材料的總質(zhì)量；S為板的橫截面積。層疊板內(nèi)陶瓷和金屬的有效厚度tc和tm為陶瓷層和金屬層的實(shí)際厚度。仿珍珠母復(fù)合板和層疊板的面密度按式(3)計(jì)算得到

d=ρctc+ρmtm

(3)

式中，ρc和ρm分別為靶板中陶瓷材料和金屬材料的密度。

2 計(jì)算模型和參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

陶瓷是脆性材料，在受到撞擊時(shí)會(huì)發(fā)生破裂和飛濺，且破裂的陶瓷片在約束情況下仍能對(duì)彈體進(jìn)一步提供沖擊阻抗。彈體在撞擊過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象。為了穩(wěn)定、準(zhǔn)確地模擬彈體撞擊陶瓷和陶瓷/金屬?gòu)?fù)合板的過(guò)程，采用無(wú)網(wǎng)格光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(smoothed particle hydrodynamics, SPH)法進(jìn)行建模?；贚S-DYNA建立了彈體撞擊前述仿珍珠母復(fù)合板、層疊板和純陶瓷板的計(jì)算模型。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 彈體撞擊不同類型靶板的計(jì)算模型

在彈體撞擊仿珍珠母復(fù)合板的模型中，彈體、陶瓷和金屬材料均采用SPH粒子離散。為了較好地模擬仿珍珠母復(fù)合板中的薄層金屬，同時(shí)保證計(jì)算規(guī)模和費(fèi)用不致過(guò)大，粒子間距取為0.3 mm。粒子的光滑長(zhǎng)度系數(shù)CSLH設(shè)為1.2，允許光滑長(zhǎng)度隨時(shí)間和空間變化，保證每個(gè)粒子具有相對(duì)穩(wěn)定的相鄰粒子數(shù)目，提高計(jì)算精度。選用Monaghan型人工黏性，即取IAVIS參數(shù)為0。人工黏性中的線性和二次黏性系數(shù)為與問(wèn)題相關(guān)的系數(shù)，對(duì)于高速?zèng)_擊問(wèn)題一般取值在1的量級(jí)[14]，本文分別取為2.5和1.0；文獻(xiàn)[15]表明二次系數(shù)對(duì)彈體沖擊陶瓷的模擬影響很小，線性系數(shù)的影響相對(duì)較大，本文通過(guò)使純陶瓷板的模擬和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好確定其為前述值。Xiao等發(fā)現(xiàn)：對(duì)于彈體高速?zèng)_擊陶瓷板的模擬，當(dāng)采用粒子近似計(jì)算和粒子接觸算法處理彈體與靶板間的接觸時(shí)，計(jì)算結(jié)果差異不大，故彈體與靶板間的接觸采用計(jì)算相對(duì)比較簡(jiǎn)單和穩(wěn)定的粒子近似進(jìn)行處理。對(duì)于不同的制造方法，復(fù)合板內(nèi)陶瓷與金屬間的界面強(qiáng)度將不同。在本文中，假設(shè)界面的強(qiáng)度足夠高，陶瓷與金屬交界面處的破壞主要是界面附近的陶瓷或金屬發(fā)生內(nèi)聚破壞。因此，復(fù)合板中陶瓷與金屬間的相互作用直接通過(guò)SPH中的粒子近似計(jì)算進(jìn)行處理。在彈體撞擊層疊板和純陶瓷板的模型中，粒子間距、光滑長(zhǎng)度、人工黏性的設(shè)置和彈靶間的接觸處理都與前述模型相同。層疊板中陶瓷與金屬部分的界面模擬方式與仿珍珠母復(fù)合板中的界面模擬方式相同。

2.2 本構(gòu)模型和材料參數(shù)

采用Johnson-Cook模型和Grüneisen狀態(tài)方程描述彈體材料-鎢合金的材料特性，分別通過(guò)關(guān)鍵字*MAT_JOHNSON_COOK和*EOS_GRUNEISEN定義其材料屬性。彈體的密度為17 162 kg/m3，剪切模量為124 GPa，其余材料參數(shù)見(jiàn)表2。采用JH-2模型描述靶板中氧化鋁陶瓷的材料特性，通過(guò)關(guān)鍵字*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS定義其材料屬性。氧化鋁陶瓷的密度為3 921 kg/m3，剪切模量為90.16 GPa，材料參數(shù)見(jiàn)表3。采用B?rvik等[16]提出的黏-彈塑性模型描述靶板中鋼的材料特性，通過(guò)關(guān)鍵字*MAT_MODIFIED_JOHNSON_COOK定義其材料屬性。鋼的材料模型參數(shù)見(jiàn)表4。上述模型和參數(shù)在單一的氧化鋁陶瓷板和Weldox 460E鋼板[17]抗沖擊性能模擬中得到應(yīng)用和驗(yàn)證。

表2 彈體的材料模型參數(shù)[18-19]

表3 靶板中陶瓷的材料模型參數(shù)[20]

表4 靶板中鋼的材料模型參數(shù)[21]

3 計(jì)算結(jié)果分析與討論

3.1 彈體剩余速度和速度歷程

不同配置型式的仿珍珠母復(fù)合板雖然幾何尺寸相同，但其質(zhì)量和面密度不同。為了便于對(duì)比其抗沖擊性能，采用單位面密度的彈體速度降η[22-23]來(lái)表征靶板的抗沖擊性能。η的計(jì)算式為

η=(vi-vr)/d

(4)

式中：vr和vi分別為彈體的剩余速度和入射速度。η值越大，在相同質(zhì)量的條件下靶板的抗沖擊性能越好。

表5給出了不同靶板的抗沖擊性能計(jì)算結(jié)果。對(duì)于純陶瓷板，模擬得到的彈體剩余速度692.1 m/s與試驗(yàn)結(jié)果682.0 m/s符合較好，誤差為1.5%左右。從表5可以看到，按照N1、N2、N3的順序，仿珍珠母復(fù)合板中金屬和陶瓷的層數(shù)增加，靶板的面密度略有增大，彈體的剩余速度顯著降低，η值逐漸增大，這說(shuō)明抗沖擊性能不斷增強(qiáng)。L1、L2、L3型層疊板的抗沖擊性能也有相同的變化規(guī)律。N1、N2、N3型仿珍珠母復(fù)合板的η值分別比同等面密度的L1、L2、L3型層疊板的η值都大，這說(shuō)明前者的抗沖擊性能優(yōu)于后者；前者的η值相對(duì)于后者最高提高了6.4%。各種型式的仿珍珠母復(fù)合板和層疊板的抗沖擊性能都顯著優(yōu)于純陶瓷板。當(dāng)金屬體積比增加、面密度變大時(shí)，仿珍珠母復(fù)合板與層疊復(fù)合板的抗沖擊性能差距變小。

表5 仿珍珠母復(fù)合板、層疊板和純陶瓷板的抗沖擊性能對(duì)比

圖3給出了彈體穿透仿珍珠母復(fù)合板和層疊板的速度歷程曲線?？梢?jiàn)，對(duì)于面密度相同的仿珍珠母復(fù)合板和層疊板，彈體速度的差別在開(kāi)始時(shí)較小，隨著侵徹的進(jìn)行差別變大，最后又縮小。這是由于：在開(kāi)始階段，彈體接觸的主要都是靶板表層的陶瓷，受到的阻抗力大小相近，故彈體速度變化基本相同；隨著彈體穿入靶板，在仿珍珠母復(fù)合板中，損傷的陶瓷受中間金屬層的約束，可以提供更大的阻抗力，故彈體侵徹仿珍珠母復(fù)合板時(shí)速度衰減比侵徹層疊板時(shí)要快，兩者的速度差變大；在碰撞后期，在仿珍珠母復(fù)合板中，背面的陶瓷層未受約束，容易被噴射出來(lái)，而在層疊板中，金屬背板可以產(chǎn)生很大的塑性變形，并對(duì)陶瓷提供一定的約束，故在碰撞后期層疊板可以提供更大的阻抗力，表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)，從而使速度差變小。

圖3 彈體速度歷程圖

3.2 靶板的變形和損傷

圖4給出了彈體沖擊純陶瓷板的模擬結(jié)果及其試驗(yàn)觀察得到的靶板背面位移情況。圖4(a)的云圖表示陶瓷材料的損傷，損傷為1時(shí)，陶瓷已完全損傷和破碎，只能受壓。由圖4可見(jiàn)，靶板背面在10 μs左右時(shí)出現(xiàn)鼓包，背面的鼓包隨彈體的沖擊不斷擴(kuò)大。上述過(guò)程的模擬結(jié)果與相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果基本相符。圖5～圖7對(duì)比了同等面密度的仿珠母復(fù)合板和層疊板的變形和損傷情況。圖中S，T，B分別表示側(cè)視、俯視和底視圖，云圖顯示的均為60 μs時(shí)的陶瓷損傷。為了便于對(duì)比陶瓷的損傷情況，底視圖中移除了層疊板中的金屬背板。從側(cè)視圖可見(jiàn)，仿珍珠母復(fù)合板和層疊板正面都產(chǎn)生了噴射物，前者的噴射物的噴射距離更大，說(shuō)明仿珍珠母復(fù)合板正面噴射物的速度比層疊板的大；仿珍珠母復(fù)合板背面有鼓包，鼓包的直徑較大，且按照N1～N3的順序，背面的彎曲變形越來(lái)越明顯，這說(shuō)明靶板的延性不斷增強(qiáng)；層疊板背面的金屬背板發(fā)生了顯著的彎曲變形，在其中心出現(xiàn)穿孔，有陶瓷材料從孔中噴出。從俯視圖可見(jiàn)，仿珍珠母復(fù)合板特別是N2和N3型仿珍珠母復(fù)合板的正面沒(méi)有明顯的徑向裂紋，盡管從底視圖可以看到徑向裂紋，但這些裂紋沒(méi)有擴(kuò)展到上表面，說(shuō)明裂紋沿厚度方向擴(kuò)展時(shí)受到了金屬層的阻礙、發(fā)生了偏轉(zhuǎn)；相反地，層疊板的正面出現(xiàn)了連續(xù)擴(kuò)展到靶板邊界的裂紋，而且結(jié)合底視圖可知這些裂紋為穿透裂紋，貫穿了陶瓷層的整個(gè)厚度，這說(shuō)明陶瓷層發(fā)生整體性破壞，容易產(chǎn)生大塊的崩落，不利于抗多次沖擊。從底視圖可見(jiàn)，仿珍珠母復(fù)合板背面有徑向裂紋，如前所述，這些裂紋沒(méi)有穿透靶板厚度，在沿徑向擴(kuò)展過(guò)程中也發(fā)生了明顯的偏轉(zhuǎn)，有時(shí)沿界面?zhèn)鞑?，有時(shí)沿陶瓷片內(nèi)部傳播；層疊板中陶瓷層內(nèi)的徑向裂紋穿透了靶板厚度，在徑向沿著連續(xù)的路徑擴(kuò)展到邊界，且受背板的作用，陶瓷層背面出現(xiàn)圓形的完全損傷區(qū)域，陶瓷與金屬出現(xiàn)大范圍的層間開(kāi)裂，陶瓷層損傷范圍隨背板厚度呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，這種陶瓷層背面出現(xiàn)大范圍損傷的主要原因是：在金屬背板彎曲時(shí)，金屬與陶瓷界面處產(chǎn)生了拉伸應(yīng)力，導(dǎo)致陶瓷拉伸損傷和失效。

圖4 鎢合金彈沖擊氧化鋁陶瓷板過(guò)程

圖5 仿珍珠母復(fù)合板與層疊板的對(duì)比

圖6 仿珍珠母復(fù)合板與層疊板的對(duì)比

圖7 仿珍珠母復(fù)合板與層疊板的對(duì)比

3.3 彈體的變形和損傷

圖8給出了彈體沖擊純陶瓷板過(guò)程中彈體的變形情況。彈體的頭部發(fā)生明顯的鐓粗，模擬的情況與試驗(yàn)結(jié)果吻合。圖9給出了彈體侵徹N1和L1型靶板過(guò)程中典型時(shí)刻的彈體損傷云圖。其中，30 μs和60 μs時(shí)刻的損傷云圖進(jìn)行了剖視處理，以便于觀察彈體尾部的損傷情況。當(dāng)損傷達(dá)到1，彈體材料完全失效，不能承受任何應(yīng)力。在6 μs時(shí)，彈體頭部都出現(xiàn)比較明顯的鐓粗現(xiàn)象，形成蘑菇狀頭部；對(duì)于N1和L1型靶板，此時(shí)彈體蘑菇頭的徑向尺寸D分別為9.0 mm和8.6 mm，侵徹N1型靶板時(shí)彈體的鐓粗程度略大。到30 μs時(shí)，彈體頭部有很大部分材料已完全損傷，損傷的彈體材料在靶板的侵徹阻力作用下流向彈尾，彈體被侵蝕，其長(zhǎng)度變短。60 μs時(shí)彈體的損傷情況與30 μs時(shí)的情況相差不大，只是損傷的彈體材料進(jìn)一步流向了彈尾。從最終的彈體損傷圖來(lái)看，對(duì)于仿珍珠母復(fù)合板和層疊板，最終時(shí)刻基本完全損傷(損傷值>0.99)的彈體材料體積分別為256 mm3和244 mm3，損傷值>0.1的彈體材料體積則分別為430 mm3和378 mm3，彈體的最終總長(zhǎng)度L分別為14.3 mm和14.7 mm；因此，相比于層疊板，彈體侵徹仿珍珠母復(fù)合板時(shí)的損傷范圍更大，被侵蝕得更嚴(yán)重。

圖8 鎢合金彈沖擊氧化鋁陶瓷板過(guò)程中彈體的變形(t=8 μs)

圖9 侵徹不同靶板時(shí)的彈體損傷云圖

4 仿珍珠母復(fù)合板抗沖擊性能的改進(jìn)設(shè)計(jì)

從第3節(jié)的分析發(fā)現(xiàn)，仿珍珠母復(fù)合板的抗沖擊性能總體上優(yōu)于層疊板，其優(yōu)勢(shì)主要來(lái)源于侵徹過(guò)程的中間階段，而到侵徹過(guò)程的后期，彈體接近靶板背面時(shí)，層疊板由于背板的約束作用可以提供更大的阻抗力。根據(jù)上述特點(diǎn)，本節(jié)提出一種改進(jìn)仿珍珠母復(fù)合板抗沖擊性能的設(shè)計(jì)方案，即：以仿珍珠母復(fù)合板作為面板、金屬為背板的混合結(jié)構(gòu)，以期綜合利用仿珍珠母復(fù)合板和金屬背板帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。為了檢驗(yàn)該設(shè)計(jì)的有效性，以N3型仿珍珠母復(fù)合板為原型，在其基礎(chǔ)上分別去除2、4、6層陶瓷及其中間的金屬，并在剩余部分的背面添加與去除部分面密度相等的整體金屬背板，得到三種不同的混合結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地，分別記為H1、H2、H3型混合結(jié)構(gòu)。顯然，它們的面密度都與N3型仿珍珠母復(fù)合板的面密度相同。但是，它們的金屬體積比按H1、H2、H3的順序依次增加。圖10給出了彈體侵徹混合結(jié)構(gòu)的典型計(jì)算模型。

圖10 彈體侵徹仿珍珠母復(fù)合板與金屬板混合結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型

表6給出了三種混合結(jié)構(gòu)及N3型仿珍珠母復(fù)合板的結(jié)構(gòu)參數(shù)和抗沖擊性能計(jì)算結(jié)果?？梢?jiàn)，混合結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能均優(yōu)于仿珍珠母復(fù)合板。在三種混合結(jié)構(gòu)中，H2型混合結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能最高。這說(shuō)明混合結(jié)構(gòu)中的金屬體積比并不是越高越好，而是存在一個(gè)最優(yōu)的金屬體積比。另外，建立了與H2型混合結(jié)構(gòu)面密度相同且金屬體積比也相同的L4型陶瓷/金屬層疊板，其抗沖擊性能計(jì)算結(jié)果也列于表6中。H2型混合結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能也明顯高于L4型層疊板，η值可提高10.7%。

表6 混合結(jié)構(gòu)與仿珍珠母復(fù)合板的結(jié)構(gòu)參數(shù)和抗沖擊性能對(duì)比

圖11給出了三種混合結(jié)構(gòu)的變形和損傷。從正視圖來(lái)看，H1型混合結(jié)構(gòu)中的金屬背板很薄，產(chǎn)生花瓣形破壞，形成較大的缺口(p1=18.3 mm)，對(duì)完全損傷的陶瓷提供的約束較弱，這導(dǎo)致大量陶瓷碎片從缺口中逸出、不能對(duì)彈體進(jìn)一步提供阻力；H2型混合結(jié)構(gòu)中的金屬背板的厚度適中，產(chǎn)生了較大的彎曲變形但未出現(xiàn)花瓣?duì)钇茐模纬傻娜笨谳^小(p2=12.6 mm)，背板較大的彎曲剛度和較小的缺口使陶瓷碎片受到的約束作用較強(qiáng)，從而對(duì)彈體提供較大的侵徹阻力；H3型混合結(jié)構(gòu)的金屬背板厚度大，出現(xiàn)沖塞破壞，較早地發(fā)生失效。上述背板的變形和失效模式是導(dǎo)致H2型混合結(jié)構(gòu)抗沖擊性能最高的重要原因。從俯視圖來(lái)看，H1、H2、H3型混合結(jié)構(gòu)正面的損傷范圍逐漸變大(即圖中圓或圓弧標(biāo)示區(qū)域的半徑逐漸增大)，這三種混合結(jié)構(gòu)在正面都沒(méi)有擴(kuò)展到靶板邊界的裂紋。從俯視圖來(lái)看，三種混合結(jié)構(gòu)中仿珍珠母復(fù)合板的背面都產(chǎn)生了大范圍的損傷，其產(chǎn)生原因與層疊板中的相同。

圖11 彈體侵徹仿珍珠母復(fù)合板與金屬板混合結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果(t=60 μs)

前述結(jié)果表明H2型混合結(jié)構(gòu)具有最佳的抗沖擊性能。這些結(jié)果是針對(duì)Nemat-Nasser等試驗(yàn)所用的彈體入射速度(903.9 m/s)獲得的。為了考慮彈體速度的影響，進(jìn)一步計(jì)算了彈體入射速度為1 000 m/s和800 m/s的工況。表7給出了不同入射速度下的彈體剩余速度計(jì)算結(jié)果。在這兩種入射速度下，彈體穿透H2型混合結(jié)構(gòu)后的剩余速度都是最低的，這說(shuō)明其抗沖擊性能也優(yōu)于其余兩種復(fù)合板。

表7 不同入射速度下的計(jì)算結(jié)果

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿珍珠母復(fù)合板，基于數(shù)值模擬評(píng)估了其抗沖擊性能，從彈體速度、靶板變形與損傷和彈體變形與損傷三個(gè)方面，將其與陶瓷板、層疊板進(jìn)行了對(duì)比；進(jìn)一步提出了改進(jìn)的仿珍珠母復(fù)合板與金屬背板的混合結(jié)構(gòu)，對(duì)其抗沖擊性能進(jìn)行了計(jì)算評(píng)估，以驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的有效性。主要結(jié)論如下：

(1)仿珍珠母復(fù)合板的抗沖擊性能優(yōu)于同面密度且同金屬、陶瓷體積比的層疊板，相對(duì)于后者最高提高6.4%。

(2)仿珍珠母復(fù)合板的抗多次沖擊能力優(yōu)于層疊板。仿珍珠母復(fù)合板不產(chǎn)生穿透靶板厚度的徑向裂紋。層疊板產(chǎn)生穿透陶瓷層且擴(kuò)展至靶板邊界的徑向裂紋，且陶瓷與金屬層間大范圍開(kāi)裂，容易出現(xiàn)陶瓷大塊崩落。

(3)仿珍珠母復(fù)合板與金屬背板的混合結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步提高抗沖擊性能，其存在一個(gè)合理的金屬體積比使性能最大化。與同面密度且同金屬、陶瓷體積比的層疊板相比，設(shè)計(jì)的混合結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能可提高10.7%。

綜上所述，仿珍珠母陶瓷/金屬?gòu)?fù)合板在抗侵徹能力和抗多次沖擊性能方面比常見(jiàn)的陶瓷/金屬層疊板具有優(yōu)勢(shì)。以其為基礎(chǔ)構(gòu)建混合結(jié)構(gòu)，能獲得更高的抗侵徹能力。仿珍珠母陶瓷/金屬?gòu)?fù)合板為高性能輕質(zhì)陶瓷/金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供了一條新的途徑，在裝甲車輛、直升機(jī)、軍艦等裝備和人體的防護(hù)裝甲以及其他沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)中具有良好的應(yīng)用前景。