弹道侵彻模式的分析和优化

弹丸侵彻靶板的过程十分复杂，靶板材料、靶板厚度、弹丸材料、碰撞速度等因素，均显著影响弹丸侵彻靶板行为及弹道侵彻模式。

按厚度，靶板主要分为薄靶、中厚靶、厚靶、半无限靶四种类型。弹体侵彻过程中，薄靶中应力和应变沿靶板厚方向无显著梯度分布。侵彻中厚靶过程中，侵彻行为受靶板背面边界稀疏波影响显著。侵彻厚靶过程中，弹体侵入一定深度时，靶板背面边界稀疏波对侵彻过程的影响才得以体现。而侵彻半无限靶板时，则不需考虑靶板背面边界稀疏波影响。

侵彻作用下，不同厚度靶板破坏模式不同，主要包括脆性破坏、延性穿孔、花瓣形破坏、冲塞破坏、崩落破坏、成坑破坏等类型。

脆性破坏一般出现于靶板材料拉伸强度明显低于压缩强度时。侵彻过程中，弹丸撞击产生的压缩应力超过靶板材料抗压强度，穿孔处将产生大量向外延伸的径向裂纹，典型脆性破坏毁伤模式如图2.1（a）所示。

锥形或卵形头部弹丸侵彻延性靶时，由于弹丸挤压，靶板穿孔处产生剧烈膨胀，靶板材料轴向和径向塑性变形，被挤向穿孔入口和出口处，并随弹丸贯穿过程将孔口扩大，在靶板上形成延性穿孔，如图2.1（b）所示。

外形变化很大的弹丸侵彻延性薄靶时，首先引起沿穿孔的星形径向破坏。弹丸继续侵彻时，星形裂纹向整个靶板厚度和径向扩展，裂纹间角料转折成花瓣状，在靶板上形成花瓣形穿孔，如图2.1（c）所示。

柱形或钝头弹侵彻刚性薄靶或中厚靶时，在弹丸挤压作用下，弹靶接触位置环形截面处产生显著剪切效应，并同时产生热量。由于侵彻过程速度较高，产生的热量无法及时传导，剪应力聚集区域温升显著，导致靶板局部抗剪强度降低，随弹丸侵彻产生柱状塞块，即为冲塞破坏，如图2.1（d）所示。

钝头弹侵彻强度较低中厚靶时，由于弹丸撞击，靶板受到强烈冲击，靶内产生压缩应力波。压缩应力波传到靶板背面发生发射，形成一道自靶板背面与反射应力波传播方向相反的拉伸波。入射压缩波与反射拉伸波相互干涉，在靶内一定厚度处出现拉伸应力并超过靶板抗拉强度，靶板背面产生崩落碎片，导致靶板产生崩落破坏，如图2.1（e）所示。

图2.1　典型靶板破坏模式(www.xing528.com)

弹丸侵彻半无限厚靶板时，由于不需考虑背面边界稀疏波效应，靶板典型破坏模式为成坑破坏。碰撞速度不同，弹坑形状不同。低速时，弹坑呈柱形孔，横截面和弹丸横截面衔接紧密。中高速时，弹坑纵向剖面呈不规则的锥形或钟形，口部直径大于弹丸直径。超高速时，弹坑则呈杯形，如图2.2所示。

图2.2　典型半无限靶板破坏模式

球形弹丸侵彻薄靶形成花瓣形破坏过程如图2.3所示。碰撞瞬间，弹靶中均产生较高压力，造成靶板迎弹位置初始变形。由于靶板较薄，弹丸碰撞靶板快速产生穿孔。随弹丸继续运动，靶板材料沿弹丸表面被挤向四周，穿孔逐步扩大，同时产生径向裂纹并向外扩展，最终在靶板背面形成花瓣形穿孔。

图2.3　球形弹丸侵彻薄靶过程

球形弹丸侵彻厚靶形成冲塞破坏过程如图2.4所示。破坏过程分为三个典型阶段。第一阶段为初始压缩阶段，在该阶段，球形弹丸仅受惯性力和压缩力作用。由于碰撞作用，在弹靶接触面，产生强压缩应力，当应力值达到弹丸材料屈服极限时，球体发生塑性变形和墩粗现象。与此同时，靶板内传播的压缩波到达靶板背面时，发生反射形成拉伸波，并反向传播。拉伸波与压缩波相遇后，压缩应力迅速降低，弹丸塑性变形停止，造成弹丸的局部墩粗现象。对应的弹丸接触面边界受拉应力作用，使球体周围产生明显裂纹。当弹丸初速v0达到一定值时，拉应力将大于弹丸动态抗拉强度极限，导致弹丸破碎。

图2.4　球形弹丸侵彻厚靶过程

第二阶段为惯性压缩阶段。部分靶板材料受球形弹丸碰撞后，获得与弹丸相同的速度，附加在弹丸一侧形成组合体，相邻部分靶板速度较小导致侵彻方向出现速度梯度，形成了剪切力。该剪切力仅导致靶板发生塑性变形。组合体质量随时间不断增大，直至延伸到靶板背面，第二阶段结束。

第三阶段为绝热剪切阶段，弹丸在剪切力作用下继续侵彻靶板，受剪靶板和弹丸构成一个封闭区间，形成绝热剪切带。当绝热剪切带延伸至靶板背面时，塞块脱离靶板，侵彻过程结束，弹丸与塞块以相同速度从靶后抛出。