纤维材料板厚度对破片穿甲效应的影响规律分析

对于有间隔复合结构，将纤维板单独考虑进行仿真；仍然选择第3章破片侵彻合金钢靶板试验中最大质量为10.0 g的破片及本章破片侵彻复合结构中的7.5 g破片结构，进行纤维材料板厚度对破片穿甲效应数值仿真。

4.9.2.1　7.5 g破片穿甲效应仿真

采用上述数值仿真算法、材料模型和参数针对6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm和16 mm共6种厚度，对芳纶纤维和复合纤维进行残余破片和塞块（共7.7 g）侵彻的数值仿真。数值仿真中破片穿透时的图片列于表4.31中。

表4.31　残余破片与塞块（共7.7 g）对不同厚度纤维材料板侵彻的数值仿真

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同样采用两射弹弹道极限速度法，通过数值仿真计算获得残余破片和塞块（共7.7 g）对不同种类纤维材料板的弹道极限速度，列于表4.32中。

表4.32　残余破片和塞块（共7.7 g）对不同种类纤维材料板的弹道极限速度

根据文献［152］，固定质量破片侵彻纤维增强复合材料板的弹道极限速度v50F的工程计算公式可表示为：

式中，SAD为面密度，kg/m2；AF、BF为与弹型、增强材料及基体有关的常数。因材料板的面密度与自身密度及厚度相关，因此，对于确定密度的材料，式（4.25）可写成：

式中，Hf为纤维材料板的厚度，mm。式（4.26）与式（4.19）具有相似性，对于固定质量破片，符合4.5.2节所讨论的分析模型。在此，由表4.32可获得残余破片和塞块（共7.7 g）对纤维材料板的弹道极限速度随纤维材料板厚度的变化曲线，如图4.22所示。

采用式（4.26）的形式可拟合获得残余破片和塞块（共7.7 g）弹道极限速度的计算公式。

图4.22　残余破片和塞块（共7.7 g）对纤维板的弹道极限速度随板厚度的变化

式中，Hfk、Hfh分别为芳纶纤维材料板和复合纤维材料板的厚度，mm。将式（4.27）计算得到的弹道极限速度与仿真值相比，结果列于表4.33中。

表4.33　式（4.27）计算弹道极限速度与仿真值的对比

由表4.33可见，公式计算值与仿真值的相对统计误差均在±12%之内，极差为20.66%，标准化残差值全部落在（-2，2）区间内，表明式（4.27）具有可靠性。

采用式（4.27）与式（3.24）结合就可以计算合金钢和纤维材料有间隔组合形成复合结构最为保守的抗破片侵彻能力。此外，由图4.22可见：

①若不考虑破片的随机翻转，同等厚度条件下，芳纶纤维材料板抗破片侵彻性能要优于混杂纤维，这与上面无间隔复合结构情况相吻合。

②虽为理想条件，但塞块的存在影响了残余破片对纤维材料板的侵彻，如表4.31所列，尤其是对于混杂纤维情况，因此，可以推断在纤维板与合金钢靶板存在大间隔的条件下，侵彻过程具有随机性，这也与试验结果的推论相吻合。根据表4.32所列数据，由式（3.24）可获得完全理想（即破片顶着塞块进行侵彻）条件下，破片完全贯穿4 mm、5 mm合金钢和不同厚度纤维材料板有间隔（间隔不小于2倍板厚）组合形式复合结构的弹道极限速度和比吸收能，列于表4.34中。

表4.34　7.5 g破片完全理想条件下贯穿有间隔复合结构的比吸收能

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4.9.2.2　10.0 g破片穿甲效应仿真

采用上述数值仿真算法、材料模型和参数针对6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm、18 mm和20 mm共8种厚度，芳纶和复合两种材料的纤维板进行残余破片和塞块（共10.0 g）侵彻的数值仿真。数值仿真中破片穿透时的图片列于表4.35中。

表4.35　残余破片与塞块（共10.0 g）对不同厚度纤维材料板侵彻的数值仿真

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同样采用两射弹弹道极限法，通过数值仿真获得残余破片和塞块（共10.0 g）对不同种类纤维材料板的弹道极限速度，列于表4.36中。

表4.36　残余破片和塞块（共10.0 g）对不同种类纤维材料板的弹道极限速度

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由表4.36可获得残余破片和塞块（共10.0 g）对纤维材料板的弹道极限速度随纤维材料板厚度的变化曲线，如图4.23所示。

图4.23　残余破片和塞块（共10.0 g）对纤维板的弹道极限速度随板厚度的变化

采用式（4.26）的形式可拟合获得残余破片和塞块（共10.0 g）弹道极限的计算公式。

式中，Hfk、Hfh分别为芳纶纤维材料板和复合纤维材料板的厚度，mm。

将式（4.28）计算得到的弹道极限速度与仿真值相比较，结果列于表4.37中。由表4.37可见，公式计算值与仿真值的相对统计误差均在±13%之内，极差为20.24%，标准化残差值全部落在（-2，2）区间内，表明式（4.28）具有可靠性。

表4.37　式（4.28）计算弹道极限速度与仿真值的对比

采用式（4.28）与式（3.26）结合，就可以计算合金钢和纤维材料有间隔组合复合结构（理想条件下）的抗破片侵彻能力。此外，由图4.23可见：

①若不考虑破片的随机翻转，同等厚度条件下芳纶纤维材料板抗破片侵彻性能优于复合纤维，这与上面无间隔复合结构情况相吻合。

②虽为理想条件，但塞块的存在影响了残余破片对复合材料板的侵彻，如表4.36所列，尤其是对于复合纤维情况，因此，可以推断在纤维板与合金钢靶板存在大间隔的条件下，侵彻过程具有随机性，这也与试验结果的推论相吻合。

根据表4.36所列数据，由式（3.15）可获得破片完全理想（即破片顶着塞块进行侵彻）条件下，破片完全贯穿4 mm、5 mm两种厚度合金钢板和不同厚度复合材料板有间隔（间隔不小于2倍板厚）组合形式复合结构的弹道极限速度和比吸收能，列于表4.38中。

表4.38　10.0 g破片完全理想条件下贯穿有间隔复合结构的比吸收能

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