蓝王添羽 崔亚男 于俊涛 李久昊 陈曦

摘 要：对弹体侵彻铝合金、混凝土和花岗岩靶体时的损伤模式进行了观察和分析，随着弹体初始速度的不断增加，弹体发生了质量侵蚀、变形、破碎和材料熔融流动损失，在此基础上分析了弹体损伤失效机理，得出弹靶撞击侵彻响应问题的一般性结论：弹体侵彻机制的转变是导致其侵彻性能下降或失效的根本原因。

关键词：弹体;靶体;侵彻;失效

1 绪论

侵彻，是一种具有重要军事应用背景、广泛存在的动力学现象。为了便于研究，常常将实际中战斗部系统的打击问题简化为实验的弹靶撞击问题，目前，对于该问题已有了比较广泛的研究，包括弹体侵彻金属靶体、混凝土介质类靶体、复合材料靶体以及岩石类靶体。弹靶撞击问题的一个研究重点，是如何提高弹体的侵彻性能。从技术可行性角度看，提高弹体侵彻性能最直接的方法就是增加初始撞击速度，弹体在侵彻过程中应尽可能减少变形以保持其结构完整性，从而保证弹体有效的侵彻性能，这是一种理想的侵彻情况。但随着研究重点由较低撞击速度的弹体（初始撞击速度V0<900m/s）向超/高速撞击弹体转移，结果是弹体发生不同程度的质量侵蚀，早期是在Gerlach[1]的相关研究中发现的。随着弹体速度的不断提高，弹体磨蚀而导致质量损失也不断加剧，甚至会发生弹体形态的变化，钱伟长[2]指出一般弹体在侵彻靶体后存在三种形态：完整、变形和破裂。

基于弹体在侵彻过程中存在的各种失效模式，本文针对弹体侵彻铝合金靶体、混凝土靶体和岩石类靶体时的失效机理进行分析，总结出关于弹体失效机理的一般性结论。

2 弹体损伤分析

选用三个不同撞击工况下的实验结果，对弹体的失效模式进行分析，包括Forrestal MJ和Piekutowski AJ[3]利用卵形长杆弹对6061-T6511铝合金靶的侵彻实验结果、Mu Zhongcheng和Zhang Wei[4]利用卵形头弹体撞击混凝土靶体的实验结果和李干、宋春明、邱艳宇[5]等人对花岗岩靶撞击实验结果。

利用X光记录不同速度下弹体侵彻铝合金靶时典型的弹体损伤图，弹体速度范围为600m/s-3000m/s，如图1所示。在较低撞击速度条件下，弹体基本没有发生明显的损伤，而随着弹体撞击速度的不断增大，弹体发生了弯曲变形和不同程度的质量磨蚀，在3075m/s时，弹體发生了明显的材料流动损失，结果导致弹体长度严重减小。

图2为弹体侵彻混凝土靶体工况回收的弹体，从低速到高速，弹体均发生了不同程度的质量侵蚀，弹体头部曲径比CRH（头部曲率半径与直径之比）逐渐减小，从1291m/s到1499m/s弹体头部经历了一个由半球化到锥形化的变化过程，弹体长度减小。

图3为侵彻花岗岩靶工况典型撞击速度下弹体的损伤图，弹体初始撞击速度范围为1000m/s-2000m/s。由图可见，在低速撞击条件下，弹体仅仅发生了质量磨蚀，而随着弹体速度的进一步增大，弹体头部发生了弯曲变形，当速度为1808m/s时，弹体甚至发生了破碎。

总结以上弹体侵彻三种不同材料的靶体时的损伤情况发现，在较低速条件下弹体均发生了不同程度的磨蚀现象，随着弹体速度的不断增大，弹体会发生弹身或弹体头部的变形，甚至发生整体结构的破碎和材料流动损失。

3 弹体失效机理分析

由实验后弹体表面损伤可知，弹体和靶体材料间的摩擦作用是导致弹体发生质量侵蚀的主要原因，而弹体变形、破碎和流动损失等现象，弹体热软化现象则是其诱因。弹体侵彻混凝土本质上是一个减速的能量守恒过程，在此过程中，弹体的动能转化为热能，而极短时间的侵彻接触过程可认为是绝热的，所以弹体的温度必然会升高，使得弹体材料出现热软化现象，当速度进一步增大，弹体动能与热能之间的转化将更加迅速，弹体头部温升会更加明显，软化加重。在高温高压作用下，一方面弹体质量侵蚀加重，另一方面，若弹体承受非对称载荷作用，热软化状态的弹体很容易发生变形，短杆弹的变形常常发生于头部，长杆弹易发生于弹身部位，弹体弯曲变形到一定程度便导致其断裂。

在弹靶撞击侵彻问题的研究中，弹体失效，一般指弹体失去对靶体的侵彻性能。本文主要以弹体最终侵彻深度为参量，评估弹体的侵彻性能。图4为三种工况下侵彻深度随初始速度的变化规律，可见，在各工况既定速度范围内侵彻深度均呈现出先增大后减小、之后又略增大的变化趋势，体现出弹体侵彻性能强弱的变化。

由图1-图3可知，当弹体速度较小时，弹体没有发生明显的变形破坏，可认为弹体处于刚性侵彻机制，弹体保持较好的侵彻性能。对于铝合金靶和花岗岩靶体侵彻工况，当弹体速度增大到约1800m/s时，弹体发生了质量流动损失，则是由于弹体在该速度下进入了半流体侵彻机制，在3075m/s时则认为弹体进入了流体侵彻机制，在弹体侵彻的初期弹体具有较好的侵彻性能，随着侵彻的继续进行，进入半流体或流体侵彻机制的弹体的侵彻性能大大降低，可认为弹体完全失效。对于铝合金靶、混凝土靶和花岗岩靶体，发现当速度大概为1037m/s、1291m/s和1654m/s时，侵彻深度突然下降，如图4椭圆标识部分，对应速度下的弹体分别发生了弹身弯曲变形、弹体头部半球化和头部变形，而此速度下弹体既不处于刚性侵彻机制，也不处于半流体侵彻机制，弹体进入了一种介于刚性侵彻机制和半流体侵彻机制之间的“过渡侵彻机制”，并且这种机制仅存在于一段很小的速度范围内，侵彻深度的突然降低可作为进入过渡机制的标志，宏观体现为弹体的变形或头部CRH的减小，导致弹体侵彻性能的降低，这种侵彻机制下的弹体视为处于半失效状态。

总结以上分析结果可知，随着弹体速度的不断增大，弹体经历了由刚性侵彻机制、过渡侵彻机制、半流体侵彻机制到流体侵彻机制的转变，弹体的侵彻性能因此降低直至失效。

4 总结

针对铝合金、混凝土和花岗岩三种不同材料靶体的侵彻工况，分析了弹体的不同损伤模式，在此基础上分析了弹体的损伤和失效机理，主要得出以下结论：

（1）随着弹体速度的不断增大，弹体发生了质量磨蚀、变形、破碎和熔融状态下的流动性质量损失。

（2）弹体的热软化现象是弹体发生结构性损伤的诱因，而弹体侵彻机制的转变则是导致弹体侵彻性能降低或者失效的根本原因。

参考文献：

[1]Gerlach U.Microstructural analysis of residual projectiles-a new method to explain penetration mechanisms[J].Metallurgical and Materials Transactions A，1986，17（3）：435-442.

[2]钱伟长.穿甲力学[M].北京：国防工业出版社，1984.

[3]Forrestal MJ，Piekutowski AJ.Penetration experiments with 6061-T6511 aluminum targets and spherical-nose steel projectiles at striking velocities between 0.5 and 3.0 km/s[J].Int J Impact Eng，2000，24（1）：57-67.

[4]Mu ZC，Zhang W.An investigation on mass loss of ogival projectiles penetrating concrete targets[J].Int J Impact Eng，2011，38（8）：770-778.

[5]李干，宋春，邱艳宇，等.超高速弹对花岗岩侵彻深度逆减现象的理论与实验研究[J].岩石力学与工程学报，2018，37（1）：60-66.

项目来源：天津市级创新训练项目（项目编号：201810059083）

作者简介：崔亚男（1992-），男，河北衡水人，硕士，主要研究方向：冲击动力学。