高速侵徹混凝土彈體頭部侵蝕終點(diǎn)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

武海軍，黃風(fēng)雷，王一楠，段卓平，皮愛(ài)國(guó)

(北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

0 引言

高速侵徹是一種廣泛存在的力學(xué)現(xiàn)象，它既有重要的軍事應(yīng)用背景，又有許多非軍事的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)高速侵徹混凝土等巖土材料現(xiàn)象的研究一直是眾多力學(xué)工作者重點(diǎn)研究的課題。理論與實(shí)驗(yàn)均表明，高速情況下的彈靶響應(yīng)與低速下有很大的不同，當(dāng)彈體撞擊混凝土速度增加到1 000～2 000 m/s 之間時(shí)，侵徹過(guò)程必須考慮彈體的強(qiáng)度，不能作為剛體處理。在彈體高速侵徹混凝土實(shí)驗(yàn)研究方面，F(xiàn)orrestal 和Frew 等人［1－4］使用長(zhǎng)桿實(shí)心彈體對(duì)不同骨料混凝土靶板在400～1 700 m/s 的彈體初速度范圍內(nèi)進(jìn)行侵徹實(shí)驗(yàn)，為更好地了解動(dòng)能彈侵徹混凝土的侵徹機(jī)理提供了有力的實(shí)驗(yàn)支撐。對(duì)于高速侵徹下的頭部侵蝕問(wèn)題，Silling 和Forrestal［5］(2007)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得到了彈體頭部質(zhì)量侵蝕率模型，將該模型應(yīng)用于CTH 程序［6］，計(jì)算彈體侵徹后的頭部形狀變化和質(zhì)量損失。陳小偉，李慶明［7］對(duì)處于不同速度范圍的彈體，研究了其隨著侵徹速度增加，侵徹機(jī)理由剛性彈體侵徹向半流體動(dòng)力學(xué)侵徹的轉(zhuǎn)變。武海軍、王一楠和黃風(fēng)雷等人［8－9］通過(guò)3 種結(jié)構(gòu)的彈體高速侵徹混凝土靶實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，帶有刻槽的圓錐形彈體具有較好的侵徹性能，同時(shí)討論了彈體剛性侵徹特性。何翔、徐翔云等［10］進(jìn)行了不同條件下彈體高速侵徹混凝土系列實(shí)驗(yàn)，探討了高速撞擊條件下彈體侵徹能力、彈體侵徹穩(wěn)定性、彈體變形和破壞等問(wèn)題。但是，相比于低速侵徹，高速侵徹終點(diǎn)效應(yīng)問(wèn)題研究的仍然比較少，本文通過(guò)采用高速?gòu)椀琅诎l(fā)射、彈體飛行姿態(tài)觀測(cè)技術(shù)、彈體回收技術(shù)，進(jìn)行了不同結(jié)構(gòu)、不同材料彈體高速侵徹不同骨料混凝土靶實(shí)驗(yàn)研究，分析了回收彈的質(zhì)量損失量與彈體初動(dòng)量的關(guān)系以及骨料對(duì)侵蝕的影響，闡述了彈體頭部變形侵蝕機(jī)理。

1 侵徹實(shí)驗(yàn)

1.1 侵徹彈體

彈體結(jié)構(gòu)如圖1所示，彈體頭部系數(shù)為CRH =3.0，長(zhǎng)徑比L/d=7，直徑d =15 mm，A、D 類型彈體的壁厚是3.5 mm，A2、D2 類型彈體的壁厚是2.5 mm，由于空心結(jié)構(gòu)彈體在高速侵徹下會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)彎曲、彈體破裂現(xiàn)象，為了研究高速侵徹條件下的頭部侵蝕問(wèn)題，采用抗彎曲能力較強(qiáng)的實(shí)心結(jié)構(gòu)彈體(A1 型)，圖1為彈體實(shí)物照片。采用的彈體材料有30CrMnSiNi2A、30CrMnSi、45 號(hào)鋼、Q235、HPb59－1 等5 種金屬材料，其力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1.

圖1 實(shí)驗(yàn)彈體實(shí)物照片F(xiàn)ig.1 Experimental projectiles

表1 彈體材料力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of projectile materials

1.2 實(shí)驗(yàn)靶板

根據(jù)文獻(xiàn)［1－2］描述，混凝土骨料對(duì)彈體頭部侵蝕量影響顯著，本實(shí)驗(yàn)選用兩種C35 混凝土靶，其骨料分別是石灰石、石英石，混凝土的配合比見(jiàn)表2.考慮到彈體尺寸，混凝土靶板的骨料尺寸嚴(yán)格控制在10～15 mm.混凝土靶板澆注于圓柱形鋼桶內(nèi)，以提供圍壓，消除徑向邊界效應(yīng)。同時(shí)將混凝土靶板尺寸按Φ550 mm×630 mm 尺寸進(jìn)行加工，靶板直徑與彈體直徑比達(dá)到36.7.靶板養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28天，實(shí)驗(yàn)用混凝土靶板如圖2.

表2 混凝土靶板組成配比Tab.2 Ingredient proportion of the concrete targets

1.3 發(fā)射與測(cè)試

圖2 實(shí)驗(yàn)用混凝土靶板照片F(xiàn)ig.2 Experimental concrete targets

采用37 mm 口徑彈道炮發(fā)射彈體，通過(guò)發(fā)射藥藥量控制彈體初速度，使用斷通靶與HG 202C 測(cè)試儀獲取彈體飛行速度，斷通靶由木制框架和鋁膜制成。實(shí)驗(yàn)保證了彈體垂直撞擊靶板，同時(shí)為保證實(shí)驗(yàn)安全，阻擋混凝土的崩落及彈體偏轉(zhuǎn)等因素導(dǎo)致的彈體偏出靶板引起安全事故，將混凝土靶板置于鋼板加工的靶箱內(nèi)。

2 侵徹實(shí)驗(yàn)結(jié)果與回收彈體情況

表3為全部侵徹實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中，30A 表示30CrMnSiNi2A 合金鋼，45 表示45 號(hào)鋼，30 表示30CrMnSi 合金鋼，Q235 表示碳素鋼，HPb 表示HPb59－1 銅合金。表中的質(zhì)量損傷百分比定義為彈體減少的質(zhì)量除以彈體原來(lái)質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。圖3是彈體侵徹混凝土靶板端面照片，具有典型的高速撞擊表面漏斗開(kāi)坑形狀。

表3 彈體侵徹混凝土實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results of penetration into concrete

圖3 混凝土靶板端面破壞照片F(xiàn)ig.3 The front surface of impacted concrete targets

2.1 D 型Q235 材料彈體

Q235 是適用于鑄造和沖壓加工的較低強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度σs=235 MPa)鋼材，用Q235 作為彈體材料是為了放大高速下彈體頭部侵蝕和彈體結(jié)構(gòu)破壞等現(xiàn)象。由于Q235 材料強(qiáng)度較低，當(dāng)彈體初速度超過(guò)800 m/s，開(kāi)始出現(xiàn)彈身彎曲現(xiàn)象，彈體速度1 097 m/s時(shí)的侵徹深度比996 m/s 時(shí)降低了75 mm，也就是說(shuō)當(dāng)初速度達(dá)到1 000 m/s 左右時(shí)彈體結(jié)構(gòu)完全破壞，失去侵徹能力，侵徹深度不增反降，且趨于一恒定值，表4為回收彈體照片，可以看出，相比于侵徹深度轉(zhuǎn)變前的彈體，轉(zhuǎn)變后的彈體發(fā)生了嚴(yán)重變形和長(zhǎng)度的縮短，這些均為半流體侵徹的特征。同時(shí)由于D 型結(jié)構(gòu)彈體尾部存在一定的錐度，增大了彈體與靶體的接觸面積，提高了侵徹的阻力，導(dǎo)致彈體頭部與彈體尾部受力梯度增加，以致超過(guò)材料的屈服極限，在一定速度范圍出現(xiàn)了彈體中部頸縮的現(xiàn)象。

表4 D 型Q235 材料彈體侵徹C35 石灰石骨料混凝土靶板回收彈體照片Tab.4 D type Q235 projectiles into C35 limestone concrete targets

2.2 D2、A2 型30CrMnSiNi2A 材料彈體

30CrMnSiNi2A 是一種低合金超高強(qiáng)度鋼材，被廣泛應(yīng)用于加工航空器、航天器中的受力結(jié)構(gòu)件，更可用于制作攻擊堅(jiān)固目標(biāo)的侵徹彈體。表5為實(shí)驗(yàn)回收彈體照片，可以看出相比于Q235 材料，彈體頭部的侵蝕減弱。D2 與A2 結(jié)構(gòu)彈體壁厚較薄，高速條件下也發(fā)生了彈體彎曲與斷裂。對(duì)比D 型和A型回收彈體結(jié)構(gòu)，再次說(shuō)明了尾部錐體在提高彈體穩(wěn)定的同時(shí)，對(duì)彈體結(jié)構(gòu)破壞的影響。同時(shí)作為彈體材料30CrMnSiNi2A 的高強(qiáng)度和高硬度，彈體頭部都基本保持了原有的卵形頭部形貌。同時(shí)由于部分彈體由于彈道偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致彈體飛出靶板，撞擊鋼質(zhì)靶箱，彈體結(jié)構(gòu)破壞，未能實(shí)現(xiàn)其侵徹/貫穿能力，說(shuō)明了彈體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和彈道穩(wěn)定對(duì)實(shí)現(xiàn)彈體侵徹能力的重要性。

表5 D2、A2 型30CrMnSiNi2A 材料彈體侵徹C35 石灰石骨料混凝土靶板回收彈體照片Tab.5 D2 and A2 type 30CrMnSiNi2A into C35 limestone concrete targets

2.3 D 型HPb59－1 材料彈體

HPb59－1 是強(qiáng)度較低的銅合金，表6給出了回收的侵徹靶板后的彈體照片。由于彈體材料強(qiáng)度較低，在602 m/s 的速度下彈身就發(fā)生了彎曲，因?yàn)閺楏w初速度不夠高(602 m/s)，所以沒(méi)能從靶板側(cè)向穿出，可以看出彈體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會(huì)影響彈體侵入靶板的路徑，因此彈體侵徹靶板時(shí)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性十分重要。

2.4 A 型30CrMnSiNi2A 材料彈體

采用石英石骨料混凝土，彈體材料為高強(qiáng)度30CrMnSiNi2A 合金鋼，表7是回收彈體照片，相比于表5實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相同材料彈體的頭部侵蝕加劇，說(shuō)明相比于石灰石骨料，石英石骨料對(duì)彈體頭部的侵蝕作用更明顯，導(dǎo)致了更嚴(yán)重的彈道不穩(wěn)定，彈道更彎曲。

表6 D 型HPb59－1 材料彈體侵徹C35 石灰石骨料混凝土靶板回收彈體照片Tab.6 D type HPb59－1 projectiles into C35 limestone concrete targets

表7 A 型30CrMnSiNi2A 材料彈體侵徹C35 石英石骨料混凝土靶板回收彈體照片Tab.7 A type 30CrMnSiNi2A projectiles into C35 quartz concrete targets

2.5 A 型45 號(hào)鋼材料彈體

通過(guò)開(kāi)展45 號(hào)鋼材料彈體侵徹石英石骨料混凝土實(shí)驗(yàn)研究，比較不同強(qiáng)度彈體材料下的頭部侵蝕效應(yīng)，如表8所示，相比于30CrMnSiNi2A 合金鋼，45 號(hào)鋼材料彈體在初速度低于1 000 m/s 時(shí)就出現(xiàn)明顯的頭部侵蝕，且其頭部的卵形形貌已經(jīng)不再存在，而是變?yōu)殁g形頭部，同樣出現(xiàn)的彈道彎曲變得更為嚴(yán)重。

2.6 A1 型30CrMnSi 材料彈體侵徹石英石骨料混凝土實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選用相對(duì)于30CrMnSiNi2A 合金鋼強(qiáng)度略低的30CrMnSi 合金鋼作為彈體材料，同時(shí)彈體結(jié)構(gòu)為抗彎能力更強(qiáng)的實(shí)心彈體結(jié)構(gòu)，因此得到更高的彈體初速度下，侵徹石英石骨料混凝土的彈體頭部侵蝕現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明彈體頭部侵蝕更加明顯，產(chǎn)生了接近平頭的頭部輪廓，如表9所示，呈現(xiàn)出嚴(yán)重的“可變形/頭部侵蝕”的侵徹特征。

表8 A 型45 號(hào)鋼材料彈體侵徹C35 石英石骨料混凝土靶板回收彈體照片Tab.8 A type 45# steel projectiles into C35 quartz concrete targets

表9 A1 型30CrMnSi 材料彈體侵徹C35 石英石骨料混凝土靶板回收彈體照片Tab.9 A1 type 30CrMnSi projectiles into C35 quartz concrete targets

2.7 彈體頭部的質(zhì)量侵蝕分析

彈體頭部侵蝕是彈體高速侵徹混凝土的一個(gè)明顯現(xiàn)象，頭部侵蝕會(huì)改變頭部形狀，增大侵徹阻力，出現(xiàn)彈體結(jié)構(gòu)受力不均，導(dǎo)致彈體彈道穩(wěn)定性變差，在一定程度上影響彈體的侵徹能力。

根據(jù)表3的實(shí)驗(yàn)記錄，可以看出彈體頭部侵蝕量隨彈體的初速度增大而增加。將回收彈的質(zhì)量損失百分比與彈體初速度進(jìn)行繪圖，如圖4所示，圖中m0表示彈體的初始質(zhì)量，Δm 表示彈體質(zhì)量損失量。對(duì)圖4的橫縱坐標(biāo)同時(shí)乘以m0，可以看出，彈體質(zhì)量損失量Δm 與彈體初始動(dòng)量m0vs之間存在與彈體材料強(qiáng)度相關(guān)的近似的線性關(guān)系，即Δm/m0=p1vs+p2，擬合曲線參數(shù)見(jiàn)表10～表11.動(dòng)量在物理意義上表示力的時(shí)間積累效果，對(duì)于彈體侵徹混凝土過(guò)程而言，彈體的動(dòng)量是侵徹阻力對(duì)彈體作用的時(shí)間積累，彈體初速度越高，侵徹時(shí)間越長(zhǎng)，彈體頭部表面材料由于侵徹阻力作用侵蝕越多。

表10 不同材料彈體侵徹石灰石混凝土擬合參數(shù)Tab.10 Linear fitting parameters of projectiles into limestone concrete targets

表11 不同材料彈體侵徹石英石混凝土擬合參數(shù)Tab.11 Linear fitting Parameters of projectiles into quartz concrete targets

圖4(c)給出了彈體高速侵徹不同骨料混凝土靶的質(zhì)量損失數(shù)據(jù)，這與Forrestal 等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［1－2］都表明骨料對(duì)彈體的侵蝕作用明顯。侵徹石英石混凝土的彈體比侵徹石灰石混凝土的彈體侵蝕相對(duì)嚴(yán)重，頭部輪廓變化明顯，初速度較高時(shí)出現(xiàn)了近似于半球形的頭部輪廓，而侵徹石灰石骨料混凝土的彈體頭部基本保持卵形輪廓。

進(jìn)一步觀察回收的彈體，可以看到彈體表面沿軸線方向的刻痕，同時(shí)可以看到由于質(zhì)量侵蝕和彈靶相對(duì)運(yùn)動(dòng)，頭部表面的部分金屬材料被輸運(yùn)至彈身留下的痕跡，如圖5所示。因此對(duì)彈體頭部的侵蝕機(jī)理作出如下分析:

圖4 彈體侵徹混凝土質(zhì)量損失Fig.4 Mass loss of penetration projectiles

1)彈體頭部撞擊靶板后沖擊波傳入彈體，出現(xiàn)彈體頭部局部的塑性流動(dòng)。

2)彈體在沿軸線方向運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，與混凝土材料進(jìn)行沖擊與相對(duì)運(yùn)動(dòng)，彈體頭部不斷擠壓混凝土中的水泥砂漿與骨料，硬度較高的骨料在彈體頭部表面產(chǎn)生切削作用。

3)侵徹前端的能量在彈體頭部表面產(chǎn)生局部高溫與高壓，使彈體表面材料出現(xiàn)熱軟化或者融化和塑性變形，骨料與彈體表面材料相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致彈體表面材料被逐漸移除。

圖5 回收彈體表面特征與頭部侵蝕機(jī)理Fig.5 Surface character of recovered projectiles and the nose abrasion mechanism

綜上所述，彈體頭部的侵蝕效應(yīng)是彈體表面材料與混凝土骨料相互作用的一個(gè)復(fù)雜過(guò)程。彈體初速度越高，侵蝕持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，質(zhì)量損失越大;彈體強(qiáng)度越低，彈體表面被移除的越多;混凝土骨料硬度越高，對(duì)彈體的侵蝕作用越明顯。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用37 mm 彈道炮，在500～1 500 m/s 初速度范圍內(nèi)，進(jìn)行了不同強(qiáng)度材料、不同結(jié)構(gòu)的彈體高速侵徹石灰石骨料、石英石骨料兩種混凝土靶實(shí)驗(yàn)，以研究高速侵徹混凝土彈體頭部侵蝕和彈道穩(wěn)定性等終點(diǎn)效應(yīng)問(wèn)題。同時(shí)，為排除高速侵徹條件下彈體結(jié)構(gòu)破壞造成的影響，采用實(shí)心彈體研究頭部侵蝕。結(jié)果表明，在高速侵徹的情況下，彈體質(zhì)量損失量與其初始動(dòng)量之間存在與彈體材料強(qiáng)度相關(guān)的近似的線性關(guān)系，隨著彈體速度的提高，彈體頭部侵蝕加重，彈體結(jié)構(gòu)彎曲破壞，侵徹深度下降且趨于一恒定值。相對(duì)于侵徹石灰石混凝土彈體發(fā)生頭部侵蝕并保持卵形基本形貌特征，彈體高速侵徹石英石混凝土彈體彈體發(fā)生了嚴(yán)重變形和長(zhǎng)度縮短，呈現(xiàn)出嚴(yán)重的“可變形/頭部侵蝕”的侵徹特征。與石灰石混凝土相比，侵徹石英石混凝土的彈體侵蝕更加嚴(yán)重，頭部輪廓變化明顯，對(duì)比分析認(rèn)為彈體頭部侵蝕主要是由混凝土骨料的切削作用引起的。同時(shí)，由于彈體侵蝕及彈體頭部受力不對(duì)稱，導(dǎo)致彈體結(jié)構(gòu)和彈道穩(wěn)定性降低，出現(xiàn)彈體破環(huán)及彈道偏轉(zhuǎn)，影響了彈體侵徹/貫穿能力的發(fā)揮。

致謝:感謝中國(guó)兵器第五二研究所付克勤研究員對(duì)實(shí)驗(yàn)研究的大力支持。

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