张见升,孙 浩,李 超,2,李 波

(1.中国兵器工业试验测试研究院, 陕西 华阴 714200; 2.南京理工大学 机械工程学院, 南京 210094)

1 引言

随着我国国防工业不断发展,各类新型武器系统不断涌现,战斗部的毁伤威力持续增加,爆炸产生的高速破片杀伤效果较为显著,无论从攻击,还是防护2个方面来看,研究破片的破坏威力和破坏模式具有非常重要的意义。目前人们对于侵彻战斗部侵彻破坏混凝土靶的研究比较多,开展此类研究可为混凝土类结构的毁伤评估和防护提供技术支撑。

近年来,国内外学者对弹丸与钢靶、混凝土靶作用过程中弹丸的动态响应特性进行了大量的试验和理论研究,弹丸的毁伤形式与靶板材料的力学特性密切相关；彭永等开发了混凝土二维细观有限元模拟程序,细观数值实验成功地反映出了侵彻尺寸效应,考虑模拟尺寸效应后的侵彻公式能较好地预测不同尺寸侵彻试验；练兵和蒋建伟利用AUTODYA-2D有限元程序,对着靶速度600～1 200 m/s不同材料、不同质量和不同长径比的长杆弹侵彻混凝土进行了仿真分析计算；吴海军等首先进行了侵彻混凝土试验的分析,根据弹体侵彻混凝土的空腔膨胀理论,提出了侵深的经验公式；刘勇等整理了用于计算钢筋混凝土靶侵彻深度,贯穿剩余速度等参量的经验和半经验公式,梳理了不同算法、建模方式、材料模型等条件下有代表性的钢筋混凝土靶侵彻与贯穿数值模拟工作,大部分都是战斗部对混凝土靶板的毁伤情况的分析,针对爆炸破片对混凝土靶板以及建筑物的毁伤研究较少,为了解决靶场中存在的混凝土目标的毁伤评估和静、动态爆炸试验中混凝土结构试验设施的防护问题,开展不同质量、不同速度条件下的多种工况侵彻混凝土的模拟等效试验,获取了破片对混凝土靶的毁伤情况和破坏模式,得到不同质量、不同形状典型破片在不同速度下侵彻混凝土开孔表面积、体积、孔径和孔深的毁伤破坏规律,为靶场试验终点毁伤建筑物、混凝土掩体的防护提供支撑。

2 等效混凝土靶标设计

试验过程中常用的混凝土靶标尺寸为：3.2 m×3.2 m×3 m,根据相似第二定理,侵彻深度与影响因素的无量纲函数关系为：

(1)

式中,为质量修系数,为弹头形状系数,为弹体长度,为弹体头部长度,为弹体直径,为弹体抗压强度,为弹体密度,为弹体速度,为混凝土抗压强度,混凝土密度。

根据式(1)设计钢筋混凝土缩比模型。原配筋率为0.56%,设计后配筋率为0.52%,满足设计要求。由于单发破片对混凝土侵彻深度不超过150 mm,该厚度小于混凝土钢筋的层间距,因此为了提高靶板的利用率,将靶板设计为六面迎弹面,每个迎弹面的有效强度厚度为300 mm,满足单发破片侵彻要求和目标钢筋混凝土强度要求。根据原目标钢筋混凝土靶结构图,设计的缩比钢筋混凝土靶实物结构如图1所示。

图1 等效混凝土靶标实物结构图Fig.1 Actual structure of the equivalent scaled modelof the concrete target design

靶标配筋：距迎弹面40 mm处布置直径为6 mm,网眼为100 mm×100 mm的钢丝网片。距迎弹面50 mm处布置直径为14 mm,网眼为160 mm×160 mm的螺纹钢。

3 破片等效毁伤试验

3.1 试验概况

试验体系由发射系统、测速系统、防护装置和混凝土靶板组成。保证试验条件(温度、风速、弹体速度区间、弹体及靶板材料和结构等)一致。将破片着速分为3个区段：低速(小于1 000 m/s)、中速(1 000～1 300 m/s)、高速(大于1 300 m/s),每个速度段进行3发试验,结果取平均值。试验工况设计如表1所示。

表1 试验工况Table 1 Test conditions

1) 破片发射系统。发射系统由发射装置、弹托、破片和发射药组成如图2所示。发射装置根据破片口径选用14.5 mm弹道枪。采用尼龙、铝弹托将破片固定在铜质弹壳上,高速破片底部加装铝质底推。发射药选用45火药,破片初速由发射药量控制。破片形状：球体,圆柱体,长方体；破片质量：5 g、10 g、15 g；破片材料：45#钢。

图2 破片发射系统组成图Fig.2 Composition diagram of fragment Launch system

2) 测速系统。测速系统由铝箔靶、多通道记时仪、靶架、高速摄影仪组成如图3所示。其中,铝箔靶尺寸为25 cm×25 cm,用于破片穿过铝箔靶时输出信号,利用多通道记时仪记录存储此信号,由高速摄影仪对破片侵靶过程进行拍摄。通过调整发射药,使破片着靶速度在800～1 500 m/s速度区间内平均分布。

3) 靶板布设。试验测试所用等效靶板配筋混凝土的尺寸为600 mm×600 mm×600 mm,距离弹道枪口5 m,固定在可调节方向的靶架上,通过翻转靶板实现对不同靶板面的打击试验。

3.2 试验实施

根据试验设计的内容固定弹道枪、铝箔靶、高速录像以及混凝土靶标,高速摄影拍摄到的某试验过程如图3所示。

图3 试验某过程高速摄影图Fig.3 High-speedphotography image of a testprocess

试验后测量混凝土靶的开孔表面积、体积、孔径和孔深。其中，开孔孔径为混凝土靶外表面过孔中心最大直径与最小直径的平均值；孔深为外表面到孔内最深处距离；开孔面积为外表面毁伤孔面积,将开孔表面正面照片导入制图软件,标定尺寸,采用网格面积补偿法进行面积测算；开孔体积为外表面到孔底的体积,通过排沙法进行测算(将混凝土靶迎弹面水平朝上放置,在刻度容器中储存细沙,用量杯舀取适量细沙填入弹孔期间用水平尺在钢轨外表面将隆起的细沙向孔四周填匀,直至填满,读取并记录从量杯中倒出细沙的总体积。根据破片侵彻混凝土介质特点,将开孔孔型分为以下4类,示意图及记录方式如表2所示,混凝土靶实际毁伤情况如图4所示。

表2 破片侵彻钢筋混凝土开孔类型及参数Table 2 Types and parameters of openings for fragments penetrating reinforced concrete

图4 混凝土靶毁伤情况图Fig.4 The condition of concrete target damage

4 数据分析

4.1 开孔孔型数据结果分析

根据统计数据结果统计出开孔孔型见表3。

表3 不同工况开孔孔型Tab 3 Statistical table of opening hole types under different working conditions

表3为不同工况破片开孔孔型统计表,其中孔型2、3都产生了崩落区,区别在于崩落区占总开孔轴线深度的比例不同,孔型4同时产生了崩落区和破碎区。从表3中可以看出中、低质量条件下的圆柱破片对混凝土靶形成破碎区的比例最大,能够对靶板同时形成轴向和径向毁伤,毁伤效应最强,而当圆柱破片质量提升至15 g时,几乎无法对混凝土靶产生破碎效应。长方体和球形破片也存在类似的规律,低质量破片更利于对靶板形成破碎效应,而中、高质量长方体破片毁伤主要模式为崩落破坏,随着破片质量提高,崩落破坏和无崩落破坏的比例提高。

4.2 毁伤数据分析

1) 不同质量、相同形状的破片对混凝土靶的毁伤分析。不同质量、相同形状的破片对混凝土靶破坏的开孔表面积、体积和孔深随着破片着靶速度的变化情况如图5—图7所示。

图5 不同质量球型、圆柱和长方体破片侵彻深度曲线Fig.5 depth of invaded by different quality of spherical、cylindrical and rectangular fragments

图6 不同质量球型、圆柱和长方体破片开孔面积曲线Fig.6 area of damage hole by different masses of spherical、cylindrical and rectangular fragments

图7 不同质量球型、圆柱和长方体破片开孔体积曲线Fig.7 volume of damage hole by different masses of spherical、cylindrical and rectangular fragments

随着速增加,各项毁伤指标整体呈递增趋势。10 g球形破片对钢筋混凝土靶的侵彻孔深、开孔面积和开孔体积整体上均高于5 g球形破片。圆柱破片中10 g和15 g破片在侵彻孔深上相差无几,均远高于5 g破片,另外5 g与10 g破片在开孔面积和开孔体积两项侵彻指标上数值十分相近,远低于15 g破片,说明提高圆柱型破片的质量可显著增加开孔面积和体积,对侵彻深度影响不大。长方体破片质量随侵彻指标变化趋势与圆柱破片相反,随着提高长方体破片的质量,侵彻深度有所增加,但开孔面积和开孔体积反而降低,在高着速条件下尤为明显,说明单纯提高长方体破片的质量可在一定程度增加轴向毁伤能力,但降低径向毁伤效果。

2) 相同质量、不同形状破片对混凝土靶的毁伤分析。相同质量、不同形状的破片对混凝土靶破坏的开孔表面积、体积和孔深随着破片着靶速度的变化情况如图8—图10所示。

图8 5 g、10 g和15 g质量不同形状破片侵彻深度曲线Fig.8 Depth of invaded by different shapes fragments weighting 5 g、10 g and 15 g

图9 5 g、10 g和15 g质量不同形状破片开孔面积曲线Fig.9 Area of damage hole by different shapes fragments weighting 5 g、10 g and 15 g

图10 5 g、10 g和15 g质量不同形状破片开孔体积曲线Fig.10 volume of damage hole by different shapes fragments weighting 5 g、10 g and 15 g

当破片质量较低时(5 g),侵彻钢筋混凝土靶孔深、开孔面积和开孔体积3项指标相差无几；当破片质量提升至10 g,开孔深度依旧差距不大,开孔面积和体积在高着速时长方体破片明显高于其他2种形状破片；当破片质量取15 g时,圆柱破片在3项侵彻指标上均优于长方体破片。说明不同形状破片在不同的质量区间会呈现不同的毁伤效能。

5 结论

1) 中、低质量条件下的圆柱破片对混凝土靶形成破碎区的比例最大,能够对靶板同时形成轴向和径向毁伤,毁伤效应最强,而当圆柱破片质量提升至15 g时,几乎无法对混凝土靶产生破碎效应。长方体和球形破片也存在类似的规律,低质量破片更利于对靶板形成破碎效应,而中、高质量长方体破片毁伤主要模式为崩落破坏,随着破片质量提高,崩落破坏和无崩落破坏的比例提高。

2) 提高圆柱型破片的质量可显著增加开孔面积和体积,对侵彻深度影响不大。长方体破片质量随侵彻指标变化趋势与圆柱破片相反,随着提高长方体破片的质量,侵彻深度有所增加,但开孔面积和开孔体积反而降低,在高着速条件下尤为明显,说明单纯提高长方体破片的质量可增加轴向毁伤能力,但降低径向毁伤效果。

上述结论一方面可以为攻击钢筋混凝土目标战斗部破片形状的设计提供参考；另一方面可以为靶场针对不同战斗部类型试验终点毁伤建筑物、混凝土掩体的防护提供参考。