混凝土房屋結(jié)構(gòu)靶的超高速撞擊特性研究

牛雯霞, 黃 潔, 柯發(fā)偉, 梁世昌, 簡(jiǎn)和祥, 柳 森

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速所, 四川 綿陽(yáng) 621000)

0 引 言

動(dòng)能彈主要依靠彈體本身的動(dòng)能毀傷目標(biāo)，其主要打擊目標(biāo)之一是堅(jiān)固混凝土結(jié)構(gòu)目標(biāo)。文獻(xiàn)[1]采用數(shù)值手段研究了長(zhǎng)桿彈在0.5～6.0km/s著靶速度下對(duì)半無(wú)限混凝土靶的侵徹毀傷，獲得了侵徹深度、彈坑直徑、沖擊壓力和彈坑容積隨速度的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[2]研究發(fā)現(xiàn)，隨著彈丸撞擊速度增加，彈丸的侵徹深度增加，但撞擊速度超過(guò)2.6km/s后，侵徹深度不再增加。文獻(xiàn)[3]用柱狀鋼彈丸(Φ12mm×24mm)在1.5～3.7km/s范圍內(nèi)對(duì)混凝土靶板進(jìn)行的撞擊試驗(yàn)表明，彈丸撞擊速度為2.5km/s左右時(shí)對(duì)混凝土靶板的破壞最大。

分析認(rèn)為[2-5]，當(dāng)撞擊速度達(dá)到超高速后，動(dòng)能彈的毀傷方式除了彈體貫穿目標(biāo)帶來(lái)的破壞以外，超高速撞擊條件下產(chǎn)生的沖擊波在混凝土內(nèi)部傳播，瞬間壓力較大[6]，形成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的破壞，其二次碎片的破壞作用也不容忽視[7]。針對(duì)動(dòng)能彈的毀傷特點(diǎn)，著重研究彈體超高速撞擊混凝土房屋結(jié)構(gòu)靶后的毀傷情況和碎片特征。

1 研究條件

本試驗(yàn)研究對(duì)象為簡(jiǎn)化的模擬房屋結(jié)構(gòu)的正六面體結(jié)構(gòu)靶和單層靶，獲得彈丸穿透正六面體結(jié)構(gòu)靶頂層板和底層板的穿孔情況以及板后碎片云速度。

正六面體結(jié)構(gòu)靶為房屋的模擬結(jié)構(gòu)，靶壁厚度40mm，為普通建筑物混凝土墻厚度的1/5，結(jié)構(gòu)靶邊長(zhǎng)600mm，厚度40mm；頂層板和底層板內(nèi)部加筋(直徑2.8mm鐵絲，間距為50mm)，四面剪力墻中筋的間距為100mm×120mm；剪力墻相交處分別加三根直徑為4mm的筋模擬受力柱(見(jiàn)圖1(a))。作為對(duì)比，還設(shè)計(jì)了相同尺寸但四面剪力墻不加筋的正六面體結(jié)構(gòu)靶。以上結(jié)構(gòu)靶分別稱為A靶和B靶，其抗壓強(qiáng)度取35MPa。

(a) (b)

為了研究彈丸穿透房屋結(jié)構(gòu)靶頂層板后的碎片速度，對(duì)板后的碎片云拍照，將結(jié)構(gòu)靶簡(jiǎn)化為600mm600mm40mm的方形單層靶(見(jiàn)圖1(b))。靶板分兩種：一種不加筋，一種內(nèi)部加筋(直徑2.8mm鐵絲，間距為50mm)。

試驗(yàn)彈丸為Φ8mm×40mm的鎢合金棒(如圖2所示)，質(zhì)量約35g，撞擊速度2.5km/s。

圖2 彈丸照片

2 數(shù)值仿真

采用AUTODYN軟件進(jìn)行數(shù)值仿真。對(duì)于加筋單層靶，無(wú)法采用二維模型體現(xiàn)筋的存在，故其數(shù)值仿真應(yīng)用AUTODYN-3D軸對(duì)稱的方法建立三維結(jié)構(gòu)模型；對(duì)無(wú)筋單層靶，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，應(yīng)用AUTODYN-2D 軸對(duì)稱的方法建立二維結(jié)構(gòu)模型。靶中的筋采用Lagrange方法；彈丸和混凝土的計(jì)算模型均采用SPH方法，SPH質(zhì)點(diǎn)的光滑長(zhǎng)度為1mm。彈丸采用Johnson-Cook本構(gòu)模型和Mie-Gruneisen物態(tài)方程；混凝土選用的是RHT本構(gòu)模型和P-α物態(tài)方程。材料模型數(shù)據(jù)來(lái)源于AUTODYN自帶數(shù)據(jù)庫(kù)。文獻(xiàn)[2]通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果的比較驗(yàn)證了上述建立的計(jì)算模型對(duì)于混凝土超高速撞擊研究的有效性，因此可以采用該計(jì)算模型。

2.1破壞特征

單層靶的仿真結(jié)果見(jiàn)圖3(a)和圖3(b)。彈丸以2.5km/s的速度撞擊穿過(guò)單層靶后形成直徑為73mm的彈孔，靶板本身沒(méi)有發(fā)生解體或碎裂，有筋單層靶中筋的變形情況見(jiàn)圖4，靠近彈孔的鋼筋只是發(fā)生彎曲變形。總體來(lái)看，單層靶中使用筋對(duì)減輕靶體受到的撞擊破壞作用不明顯。

圖3(c)為彈丸到達(dá)與穿過(guò)無(wú)筋結(jié)構(gòu)靶底層板時(shí)的速度分布情況。彈體穿透兩層靶板，仍以2km/s的速度飛行。結(jié)構(gòu)體整體沒(méi)有發(fā)生破壞。

2.2結(jié)構(gòu)體數(shù)值仿真

由圖3可知，彈丸穿過(guò)一層板后的速度最大值為2.3km/s，到達(dá)底層板的碎片最大速度為2.0km/s，此時(shí)周圍碎片速度范圍為1.6～2.0km/s；穿過(guò)底層板后的彈丸速度為2.1km/s，底層板的穿孔直徑為70mm左右。為了獲得彈丸撞擊穿透混凝土房屋結(jié)構(gòu)頂層板后的碎片對(duì)混凝土房屋內(nèi)人員的損傷情況，統(tǒng)計(jì)了不同動(dòng)能的碎片在底層板上的空間分布，如圖5所示。根據(jù)人員的殺傷概率PK/H(受傷失能達(dá)到1天以上)采用F.Allen計(jì)算公式[8]：

PK/H=1-e-2.1973×10-3(mV3/2-29000)0.4435

式中：m為碎片質(zhì)量，單位為格令(1格令=6.479891×10-5kg)；V為碎片速度，單位為ft/s(1ft=0.3048m)。底層板上人員被殺傷的概率分布見(jiàn)圖6。

彈丸撞擊頂層板后形成的碎片擴(kuò)張角示意圖見(jiàn)圖7，圖中θ1表示碎片的最大擴(kuò)張角，θ2表示對(duì)房屋內(nèi)人員具有較強(qiáng)殺傷效果碎片的擴(kuò)張角。當(dāng)碎片對(duì)人員的殺傷概率超過(guò)0.5，認(rèn)為碎片具有較強(qiáng)的殺傷效果。由圖5和6可知，碎片在底層板上的分布范圍近似為半徑3.6m的圓形區(qū)域；而對(duì)人員具有較強(qiáng)殺傷效果的碎片的分布范圍近似為半徑1.3m的圓形區(qū)域，該區(qū)域直徑大于彈丸在底層板的穿孔直徑0.4m。根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果，θ1、θ2分別為49°和23°。

圖3 數(shù)值仿真得到的速度分布云圖

圖4 單層靶中筋的變形情況

圖5 底層板上碎片動(dòng)能的空間分布

圖6 底層板上人員被殺傷的概率分布圖

圖7 碎片擴(kuò)張角度示意圖

3 試驗(yàn)及結(jié)果

制作的結(jié)構(gòu)靶實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度34.4MPa，在氣動(dòng)中心超高速所的碰撞靶上進(jìn)行試驗(yàn)。碰撞靶發(fā)射器為Φ25mm口徑的二級(jí)輕氣炮，最高發(fā)射速度為6.5km/s，靶上配備了測(cè)速系統(tǒng)以及序列激光陰影成像系統(tǒng)，如圖8所示。

圖8 靶室及陰影照相系統(tǒng)

試驗(yàn)過(guò)程為由二級(jí)輕氣炮發(fā)射彈丸以超高速撞擊靶板或結(jié)構(gòu)靶，形成的碎片由靶板或結(jié)構(gòu)靶后面的截彈靶阻擋，截彈靶為混凝土圓柱體。測(cè)量的參數(shù)有彈丸著靶前速度、撞擊后的彈孔、碎片云速度等。其中由測(cè)速系統(tǒng)測(cè)量獲得彈丸的著靶速度；采用八序列陰影照相系統(tǒng)對(duì)板后飛行的彈丸及碎片進(jìn)行拍照，根據(jù)兩幅照片之間的時(shí)間間隔及碎片云前端的距離間隔計(jì)算碎片云速度，碎片云的照相示意圖如圖9所示。

圖9 正六面體結(jié)構(gòu)靶碎片云照相示意圖

3.1碎片云特性

圖10為加筋的單層靶和彈丸的碎片云在不同時(shí)刻的陰影照片，以獲得的第一張照片作為0時(shí)刻。根據(jù)兩幅照片之間的時(shí)間間隔及碎片云前端距離，計(jì)算得到碎片云前端的速度，如表1所示。撞擊加筋單層靶形成的碎片最大平均速度為2.25km/s，此時(shí)碎片云的位置大約距離混凝土板350mm左右；而撞擊無(wú)筋單層靶形成的碎片最大速度為1.89km/s左右，此時(shí)碎片云已到達(dá)距離混凝土板550mm的位置。

綜合試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果得到，經(jīng)過(guò)單層板撞擊后的碎片云速度在2.0～2.3km/s范圍內(nèi)，這同時(shí)意味著彈丸經(jīng)過(guò)撞擊單層板后的速度降到2.0～2.3km/s范圍內(nèi)。

3.2靶材損傷特性

靶材的撞擊損傷參數(shù)如表2所示。彈丸以2.51km/s的速度撞擊加筋的單層靶時(shí)，靶板被穿透，穿孔直徑70mm。靶板損傷照片如圖11所示，沖擊波的作用造成靶板的損傷面積大于彈丸在靶板上的穿孔直徑。彈體及碎片飛行600mm后撞擊到截彈靶上，形成直徑460mm的漏斗形坑，坑深223mm，說(shuō)明彈丸穿透單層靶后沒(méi)有完全破碎，它與碎片共同撞擊到截彈靶上，造成二次破壞。

彈丸以2.57km/s的速度撞擊無(wú)筋單層靶時(shí)，靶板被穿透，穿孔直徑68mm，截彈靶上的成坑直徑和深度均比加筋單層靶情況下小，這可能是由于撞擊速度大于2.5km/s時(shí)彈丸的徑向毀傷能力降低[3]造成的。

正六面體結(jié)構(gòu)的A靶和B靶的撞擊損傷如圖12所示。由圖可知：彈丸以2.52km/s的速度撞擊A靶、以2.55km/s的速度撞擊B靶，A靶和B靶均沒(méi)有發(fā)生解體破壞。A靶和B靶的頂層板和底層板均被擊穿，對(duì)應(yīng)板的穿孔大小相近，且底層板孔徑均比頂層板孔徑大20mm左右。

t=0μst=15μst=30μst=45μst=60μs

圖10 加筋單層靶撞擊后的碎片照片

Fig.10Shadowphotographsoffragmentofmonolayertargetwithwire

表1 碎片云前端速度

表2 撞擊后的靶材損傷情況

圖11 有筋單層靶(左,V=2.51km/s)與無(wú)筋單層靶(右V=2.57km/s)撞擊損傷的對(duì)比

結(jié)構(gòu)靶整體 A靶(V=2.52km/s) B靶(V=2.55km/s)

以上現(xiàn)象說(shuō)明結(jié)構(gòu)靶的四面剪力墻加筋對(duì)結(jié)構(gòu)靶受到的撞擊破壞沒(méi)有明顯影響。另外彈丸穿透結(jié)構(gòu)靶底層板形成碎片的平均速度分別為2.07km/s和2.02km/s(見(jiàn)表2)，此速度為距離結(jié)構(gòu)靶底層板600mm范圍內(nèi)的碎片云平均速度。圖13給出了底層板上碎片云形成的小坑，平均深度7mm，此為速度1.6km/s左右的混凝土碎塊撞擊形成的破壞。

圖13 撞擊后的結(jié)構(gòu)靶底層板正面(左-A靶；右-B靶)

比較A靶和B靶的損傷情況可知：彈丸撞擊A靶頂層板后形成了較多的碎片且速度較高，在底層板上形成了較多的小坑；彈丸撞擊B靶頂層板和底層板后仍然沒(méi)有明顯破碎，導(dǎo)致其后的截彈靶有較大的破壞。從二者的碎片云形貌也可以看出(圖14)，A靶碎片云頭部速度差別不大，而B靶碎片云頭部比較尖，說(shuō)明速度集中于中心部位。造成這種現(xiàn)象的原因還有待進(jìn)一步研究。

圖14 結(jié)構(gòu)靶內(nèi)部的碎片云(左-A靶；右-B靶)

4 小 結(jié)

通過(guò)仿真和試驗(yàn)兩種方式研究了房屋結(jié)構(gòu)靶受超高速鎢合金彈丸撞擊后的破壞特點(diǎn)及碎片云特性，研究表明：

(1) 在開展的試驗(yàn)條件下，房屋形結(jié)構(gòu)靶的頂層板和底層板被穿透，結(jié)構(gòu)靶未發(fā)生解體破壞；靶體中加筋對(duì)靶體的穿孔大小及結(jié)構(gòu)破壞沒(méi)有明顯的降低作用；

(2) 彈丸超高速撞擊混凝土靶板的過(guò)程中，沖擊波的作用造成靶板的損傷面積大于彈丸在靶板上的穿孔直徑；速度2.5km/s的彈丸經(jīng)過(guò)撞擊40mm厚混凝土板后的速度降到2.0～2.3km/s范圍內(nèi)；

(3) 彈丸超高速撞擊混凝土房屋結(jié)構(gòu)頂層板形成的碎片云速度較高，部分碎片對(duì)人員具有較強(qiáng)的殺傷效果，該部分碎片的擴(kuò)張角為23°，在底層板的分布范圍直徑大于底層板的穿孔直徑。

初步分析了彈丸穿靶后產(chǎn)生的碎片對(duì)混凝土房屋結(jié)構(gòu)人員的殺傷效果，該研究為動(dòng)能武器毀傷的易損性分析提供了具體數(shù)據(jù)。在下一步工作中將研究混凝土房屋結(jié)構(gòu)內(nèi)不同設(shè)備的損傷特性。超高速撞擊沖擊波對(duì)混凝土具有沖擊破壞作用，該破壞作用不能從混凝土靶的外部損傷情況直接判斷，將在下一步的工作中對(duì)混凝土靶受到的沖擊損傷進(jìn)行深入研究。

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作者簡(jiǎn)介:

牛雯霞(1975-)，女，山東日照人，碩士，助理研究員。研究方向：超高速碰撞試驗(yàn)與理論研究。通訊地址：四川省綿陽(yáng)市中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心(621000)。E-mail：niuniuniu2008@126.com