防弹玻璃在子弹冲击下的数值模拟研究.pdf

2017年第 5期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 No.5 2017
总第 356期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.356
文章编号:1004-7182201705-0097-06 DOI:10.7654j.issn.1004-7182.20170524
防弹玻璃在子弹冲击下的数值模拟研究
刘 琥 ,王 玺 ,项大林 ,张 晶 ,何 丽
1. 北京航天发射技术研究所,北京,100076;2. 北京理工大学宇航学院,北京,100081;
3. 中国运载火箭技术研究院,北京,100076
摘要:为研究防弹玻璃对步枪子弹的防护能力,建立了精细化的防弹玻璃数值模拟方法,分析了多层材料层合而成的防
弹玻璃在 7.62mm步枪子弹打击下的动力学响应与毁伤机理;通过子弹打击防弹玻璃的试验获得了防弹玻璃的破坏过程,验证
了防弹玻璃侵彻毁伤及防护机理。研究表明:文章所用数值模拟方法可准确的描述子弹对防弹玻璃的复杂侵彻过程,可在未
来提高防弹玻璃的设计效率。
关键词:防弹玻璃;数值模拟;毁伤;防护
中图分类号:TJ81 0.38 文献标识码:A
0 引 言 璃的动态力学特性,研究玻璃在冲击载荷下的破坏机
目前,由于战场环境的复杂性,对装备防护安全 理和防护机理,提出了单层透明材料较难满足防弹要
的性能要求越来越高,轻型防护的特种车辆需要抵抗 求,必须采取层合的方式。本文通过数值仿真手段对
步枪的射击,因而更需要配备具有步枪防护能力的防 某防弹玻璃的动态侵彻进行分析,并通过试验验证数
弹玻璃,用于确保驾驶人员的安全。某以高强度无机 值分析结果。
玻璃及定向有机玻璃为主要结构的层合式防弹玻璃在
设计过程中辅以数值模拟算法进行精细化设计,改进 1 数值分析模型
某防弹玻璃结构如图 1 所示。建立由外到内按高
了中国采用无机玻璃与聚碳酸酯PC叠加结合的传
统产品及以试验验证为主的传统设计方法 。 强度无机玻璃聚乙烯醇缩丁醛PVB高强度无机玻
针对防弹玻璃的抗侵彻性能,前期的研究通常在 璃聚氨酯PU胶片定向有机玻璃DYB聚氨酯
估算时简化为防弹玻璃在受到静态力时的响应 ;杨 胶片聚碳酸酯相层叠的防弹玻璃模型。参考GB
杰等人 以聚乙烯醇缩丁醛PVB夹层防弹玻璃为 17840-1999 防弹玻璃》中关于考核防弹玻璃力学性能
主要研究对象,以大量的试验结论分析冲击载荷下玻 的要求,建立弹径 7.62 mm、质量 7.91 g 的步枪子弹
收稿日期:2017-01-09;修回日期:2017-08-23
作者简介:刘 琥1986-,男,工程师,主要研究方向为兵器发射理论与技术
2017年第 5期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 No.5 2017
总第 356期 MISSILES AND 导 弹 与 航 SP 天 ACE 运 载 VEHI 技CLES 术 2 Sum No. 0173年 56
1.2.2 Johnson-Holmquist 强化模型
模型,如图 文章编号:10 204- 所示。 7182201 705-0097-06 DOI:10.7654j.issn.1004-7182.20170524
Johnson-Holmquist 强化模型JH模型主要用于
描述如玻璃、陶瓷、混凝土等脆性材料的动态本构模
防弹玻璃在子弹冲击下的数值模拟研究
型,在 JH模型中,材料的强度为条光滑变化的函数
曲线,该函数与屈服强度、断裂强度、应变率以及损
刘 琥 ,王 玺 ,项大林 ,张 晶 ,何 丽
伤有关。JH模型可以与线性或能量独立的多线性状态
1. 北京航天发射技术研究所,北京,100076;2. 北京理工大学宇航学院,北京,100081;
3. 中国运载火箭技术研究院,北京, 方程同应用, 100076 JH 模型如图 3 所示。
摘要:为研究防弹玻璃对步枪子弹的防护能力,建立了精细化的防弹玻璃数值模拟方法,分析了多层材料层合而成的防
弹玻璃在 7.62mm步枪子弹打击下的动力学响应与毁伤机理;通过子弹打击防弹玻璃的试验获得了防弹玻璃的破坏过程,验证
图1 防弹玻璃结构示意
了防弹玻璃侵彻毁伤及防护机理。研究表明:文章所用数值模拟方法可准确的描述子弹对防弹玻璃的复杂侵彻过程,可在未
来提高防弹玻璃的设计效率。
关键词:防弹玻璃;数值模拟;毁伤;防护
中图分类号:TJ81 0.38 文献标识码:A
图3 Johnson-Holmquist强化模型
σ 无损伤情况下的无量纲等效压力; σ 有损伤无穿透情况下的无量
纲等效压力; σ 穿透情况下的无量纲等效压力; P 静水压力;
图2 有限元模型
D损伤率;T 温度修正系数; ε 实际应变率与参考应变率;
A无量纲的粘聚强度;B压力强化系数;
1.1 数值模拟算法
m压力硬化指数;C应变率系数
数值模拟方法基于守恒定律和控制方程,在离散
的空间网格和时间点上求出所有控制方程的解,根据
1.3 损伤与失效模型
坐标系选取的不同可以分为 Lagrangian 法、Euler法和
1.3.1 Johnson-cook 失效模型
ALE 法,其中,Lagrangian 法计算结果更为精确,但
bullets hit was analyzed using the numerical simulation method. Penetration在 exp 撞 erim 击动力学 ent of bu数值 lletproof gl 模拟中金属 ass by bu材料 llets hi 应用较 t was carr 多的 ied
计算成本相对较高,且可能由于大变形产生网格畸变
个失效模型是 JC 模型,Westerling 在平板穿甲的数
而使计算终止 。本文根据计算精度需要,选取
值模拟中发展了 JC 损伤模型,并在 12 mm 钢板穿甲
Lagrangian 算法,通过严格控制网格质量避免计算终
问题的分析中应用了这个模型,本研究中将其应用于
止情况发生。
子弹材料本构中。
模型网格划分如图 2 所示。防弹玻璃的有限元模
1.3.2 Johnson-Holmquist 失效模型
型为 400 mm400 mm29 mm的三维实体结构,利用
Johnson-Holmquist 失效模型在 JH 强化模型的基
六面体网格对模型进行离散,昀小单元尺寸为
0 引 言 璃的动态力学特性,研究玻璃在冲击载荷下的破坏机
础上提出,具体描述如图 4 所示。
0.5 mm0.5 mm0.5 mm,厚度方向昀多为 24 层。
目前,由于战场环境的复杂性,对装备防护安全 理和防护机理,提出了单层透明材料较难满足防弹要
1.2 材料强化模型
的性能要求越来越高,轻型防护的特种车辆需要抵抗 求,必须采取层合的方式。本文通过数值仿真手段对
由于子弹高速侵彻防弹玻璃的过程属于高应变的
步枪的射击,因而更需要配备具有步枪防护能力的防 某防弹玻璃的动态侵彻进行分析,并通过试验验证数
动态响应过程,因此材料本构关系将直接影响有限元
弹玻璃,用于确保驾驶人员的安全。某以高强度无机 值分析结果。
仿真结构的可信性与准确性。根据防弹玻璃各组成材
玻璃及定向有机玻璃为主要结构的层合式防弹玻璃在
料的力学特点与目前现有的强化与失效准则模型,可
设计过程中辅以数值模拟算法进行精细化设计,改