Page 106 - 《爆炸与冲击》2026年第9期

第 46 卷 任 杰，等： 不同直径钨纤维增强金属玻璃复合材料长杆弹自锐行为及侵彻/穿甲性能 第 9 期

对应靶板材料高硬度区域范围更宽，进而推知复合材料弹体在侵彻靶板过程中可能持续释放热量。然
而，此前相关研究中的复合材料弹体钨纤维直径比较单一，多为 d=0.3 mm 左右。
钨纤维作为金属玻璃复合材料的主要成分，其性能和几何参数将对弹体侵彻/穿甲行为产生重要影
响，尤其是钨纤维直径将显著影响弹体的密度、整体强度和韧性等。实际工程应用中，对钨纤维增强金
属玻璃复合材料多采用熔渗法来制备 [21] ，制备过程中钨纤维的体积分数和直径等参量均对基体和纤维
之间的界面反应具有显著影响 [22-24] ，且钨纤维越细，基体形成过程的冷却速度将会越小，进而使得界面反
应越剧烈 [25] 。因此，增大钨纤维直径可有效降低复合材料的制备和加工难度。然而纤维直径的增大也
将导致复合材料的力学性能发生改变 [26-29] ，相应复合材料长杆弹侵彻/穿甲能力也可能互不相同 [30-31] ，因
此有必要开展深入分析。近年来 Zhou 等 [19] 、吴烁罡等 [20] 和 Dandliker 等 [21] 开展了针对不同钨纤维直径
复合材料长杆弹的试验研究，并得到丰富的试验结果。但对相关侵彻/穿甲性能随钨纤维直径的变化规
律及其物理机制仍需要进一步深入探究。
在侵彻/穿甲力学领域，有限元模拟已成为一种重要研究手段，可作为相关试验的良好补充和完善。
Li 等 [32-33] 结合纤维增强复合材料的细观结构特征建立了相应的有限元几何模型，并采用力-热-自由体积
耦合本构模型来描述金属玻璃基体的变形和破坏特征，系统开展了针对复合材料静动态拉压试验和高
速冲击试验的有限元模拟研究，详细分析了复合材料的变形和破坏特性，尤其是变形过程中的剪切带行
为，以及剪切行为所导致的弹体自锐特征及其影响因素，包括撞击速度、撞击姿态、弹体构形、靶材强度
等。相关分析显示，纤维增强复合材料的变形和破坏特征同金属玻璃基体剪切带对增强纤维的具体冲
击过程密切相关。Li 等 [34-35] 针对颗粒增强金属玻璃复合材的力学性能开展了类似的系统有限元模拟分
析。陈建良等 [36] 和章浪等 [37] 采用类似有限元模拟方法，进一步分析了钨纤维增强金属玻璃复合材料分
段弹体的侵彻性能以及复合材料长杆弹在斜撞击条件下的弹道行为。任杰等 [38] 则基于系统的有限元模
拟结果，总结了复合材料长杆弹在不同速度下的头形转变规律。
为系统研究不同直径钨纤维增强复合材料长杆弹在穿甲过程中的形变、破坏等特性，本文基于有
限元方法 [32-38] ，开展复合材料长杆弹侵彻/穿甲钢靶的数值模拟，结合相关试验进行验证。此外，进一
步 讨 论 弹 体 自 锐 行 为 及 相 应 穿 甲 性 能 的 异 同 ， 并 分 析 长 杆 弹 在 不 同 撞 击 速 度 下 变 形 和 破 坏 模 式 的
转变。

1 有限元模型

1.1 几何模型
结 合 前 期 开 展 的 穿 甲 试 验 [30-31] 进 行 数 值 模 拟 ， 试 验 采 用 4 种 不 同 直 径 钨 纤 维 (d=0.3, 0.5, 0.7,
v 0 =800～1 600 m/s 速度区间侵彻 厚 钢靶。弹体尺寸为
1.0 mm) 的复合材料长杆弹在 80 mm 30CrMnMo
D=10 mm，L=54 mm，长径比 L/D=5.4，复合材料弹体中的钨纤维体积分数约为 80%，整体密度约为 17 g/cm 。
3
弹体形貌如图 1 所示，4 种钨纤维直径复合材料弹体横截面如图 2 所示，弹体正撞击钢靶有限元模型如
图 3 所示。

D=10 mm

L=54 mm

图 1 长杆弹初始形貌 [30]
Fig. 1 Initial composite long rod [30]

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