Page 122 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 姚 羿，等： 梯度陶瓷球复合装甲的抗弹性能 第 7 期

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式中：复合靶板的厚度 δ = 58 mm，均质装甲钢的密度 ρ = 7.85 g/cm ，复合装甲的平均密度 ρ = 2.77 g/cm ，
s
c
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弹体在均质装甲钢中的侵彻深度 L = 34.8 mm，L 为弹体在后效板中侵彻深度。通过计算可得该复合靶
c
s
板的防护系数约为 1.60。

854 m/s 854 m/s
512 m/s
512 m/s

(a) Front face of the target (b) Back face of the target

图 3 复合靶板破坏
Fig. 3 Composite target plate damage

2 mm

图 4 后效靶板破坏
Fig. 4 Rear target plate damage

2 数值模拟

2.1 有限元模型
采用 ANSYS/LS-DYNA 有限元软件对子弹侵彻铝合金陶瓷球空腔复合靶板的过程进行数值模拟。
在数值模拟中，采用基于体素的近似方法建立了梯度陶瓷球复合靶板模型。首先，依据靶板实际尺寸建
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立尺寸为 100 mm × 100 mm × 55 mm 的长方体几何模型，通过网格收敛性分析确定网格尺寸为 0.5 mm ，
并选用 Solid164 单元进行划分。随后，确定各陶瓷球的球心坐标，通过筛选算法将体心到球心距离不大
于陶瓷球半径的网格单元赋予陶瓷材料属性，其余单元则赋予金属材料属性。模型中，同层陶瓷球为等
径球体，以六方密排方式分布于金属靶板中（图 5(a)），形成陶瓷球/金属复合结构，该结构设计可将冲击
力沿面内径向分散，使邻近区域的陶瓷球共同参与抵抗弹体侵彻，从而提升靶板的整体抗弹性能。尽管
陶瓷球呈规则排布，其间仍不可避免地存在间隙，这些区域构成了结构中的相对薄弱部位。根据可能的
抗弹性能选取 3 处着弹点，如图 5(a) 所示，其中：位置 1 位于陶瓷球中心，位置 2 位于陶瓷球之间的间隙
处，位置 3 位于距陶瓷球中心半径的二分之一位置。在此排布方式基础上，靶板沿厚度方向（自下而上）
分层排布不同直径的陶瓷球（图 2(b)），包括正梯度和负梯度 2 种形式，其中，正梯度结构各层陶瓷球直径
分别为 10、10、8、8、6 和 6 mm（图 5(b)），而负梯度结构各层陶瓷球直径分布顺序与之相反（图 5(c)）。
在保持面密度相近的前提下，基于弹道试验选取 3 种不同直径（d）（分别为 5.8、8.0 和 9.8 mm）的陶
瓷球，建立了 3 种厚度方向一致的均布陶瓷球金属复合靶板模型，如图 6 所示。其中陶瓷的体积分数均
为 35.8%，复合靶板的平均密度约为 2.92 g/cm ，所有复合靶板厚度相同。
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在侵彻过程中，陶瓷材料通过失效钝化机制耗散弹体动能，其中压缩破坏是主要的能量吸收形式，
而界面滑移和裂纹扩展对整体能量耗散的贡献相对有限。并且在高应变率侵彻载荷作用下，整体结构
响应占主导地位。本文研究重点在于不同陶瓷球结构方案在多次侵彻工况下的相对抗弹性能差异，而
非界面局部失效机理。鉴于陶瓷球与金属基体接触界面的耦合效应较复杂，若全面考虑其相互作用将

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