鋼管約束混凝土抗多發(fā)打擊試驗*

蔣志剛，萬　帆, 2，譚清華，劉　飛，宋殿義

(1.國防科技大學 指揮軍官基礎教育學院， 湖南 長沙　410072；2.國防科技大學 航天科學與工程學院， 湖南 長沙　410073)

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鋼管約束混凝土抗多發(fā)打擊試驗*

蔣志剛1，萬帆1, 2，譚清華1，劉飛1，宋殿義1

(1.國防科技大學 指揮軍官基礎教育學院， 湖南 長沙410072；2.國防科技大學 航天科學與工程學院， 湖南 長沙410073)

摘要：為研究鋼管約束混凝土抗多發(fā)打擊性能，進行了12.7mm穿甲彈多發(fā)打擊鋼管約束混凝土厚靶試驗，得到靶的損傷模式和侵徹深度，并建立重復打擊侵徹深度預測公式。結(jié)果表明：厚度為300mm的小直徑鋼管約束混凝土靶能夠有效防御3發(fā)12.7mm穿甲彈的重復打擊，第二、第三發(fā)較前一發(fā)侵徹深度的增幅分別小于20%和10%；重復打擊侵徹深度預測公式與試驗吻合較好。研究結(jié)果可為鋼管約束混凝土防槍彈結(jié)構(gòu)和遮彈層結(jié)構(gòu)的研究提供參考。

關鍵詞：約束混凝土；侵徹試驗；多發(fā)打擊；穿甲彈

設置遮彈層是地下國防工程抗鉆地彈的重要措施[1]。隨著鉆地彈技術的發(fā)展，地下國防工程必須考慮抗鉆地彈重復打擊[2]，地面工事和重要設施(如核電站和重要建筑物)的混凝土防護結(jié)構(gòu)必須考慮防御槍彈和爆炸破片重復打擊。國內(nèi)外對鋼筋混凝土、鋼纖維混凝土、高強混凝土和高性能混凝土抗彈丸一次打擊的性能進行了大量研究[3-8]，表明配置鋼筋和摻加纖維不能有效減小混凝土靶的侵徹深度，而提高混凝土強度雖然可減小侵徹深度，但由于混凝土脆性增大，因而彈丸一次打擊下的損傷范圍也會增大。鋼管約束混凝土靶由于鋼管對混凝土的約束作用，在彈丸侵徹過程中混凝土主要處于受壓狀態(tài)，從而侵徹阻力增大，裂紋減少，且鋼管可以限制靶的損傷范圍[9]。為了將鋼管約束混凝土應用于防御槍彈和爆炸破片的防護結(jié)構(gòu)，并拓展到抗鉆地彈的遮彈層結(jié)構(gòu)，必須對鋼管約束混凝土抗多發(fā)打擊性能進行系統(tǒng)研究。目前，關于混凝土抗彈丸多次打擊性能的研究還很少。Gomez等[10]較早進行了彈丸重復打擊半無限混凝土靶試驗和侵徹深度預測模型研究。最近，賴建中等[11-13]開展了超高性能混凝土抗重復打擊試驗研究，并改進和拓展了文獻[10]侵徹深度預測模型；Wu等[14]進行了含粗骨料的超高性能鋼纖維混凝土抗重復打擊試驗。甄明等[15]首次進行了12.7mm鋼芯穿甲槍彈單發(fā)和多發(fā)打擊小直徑鋼管約束混凝土厚靶試驗，結(jié)果表明：與半無限混凝土靶相比，鋼管約束混凝土靶單發(fā)打擊侵徹深度減小了15%左右，且其具有優(yōu)良的抗多發(fā)打擊性能。但是，文獻[15]僅進行了一種規(guī)格鋼管(壁厚3.5mm、外徑140mm)的約束混凝土靶試驗，且多發(fā)打擊試驗數(shù)量較少。

1侵徹試驗結(jié)果

侵徹試驗在國防科學技術大學防護工程實驗室進行，試驗裝置和方法同文獻[15]。試驗原理示意圖如圖1所示。

圖1　侵徹試驗裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram for setups of penetration experiment

試驗采用12.7mm鎢芯穿甲彈，如圖2所示。彈丸重47.4～49g，長59.5mm；鎢芯重19.7g，長34.3mm，直徑7.5mm。彈丸出口速度810～830m/s。

靶體安裝時使用了水平儀和瞄準鏡，以確保彈丸正入射。試驗共進行了3種規(guī)格鋼管共10個小直徑鋼管約束混凝土厚靶的多發(fā)打擊，如表1所示，其中6個靶(M1#，M3#，M4#，M6#，M7#和M8#)為2發(fā)打擊，3個靶(M2#，M5#和M9#)為3發(fā)打擊，1個靶(M10#)為4發(fā)打擊。所有靶厚度

圖2　彈丸結(jié)構(gòu)組成Fig.2　Components of projectile

為300mm，鋼管材料為Q235鋼?；炷翢o粗骨料，立方體和棱柱體抗壓強度分別為57.1MPa和35.8MPa，密度為2140kg/m3，配合比和基本力學性能試驗詳見文獻[16]。表1中，第3，4，5欄中的數(shù)據(jù)按發(fā)次對應于第1/2/3/4發(fā)，如M1#數(shù)據(jù)對應于第1發(fā)和第2發(fā)；側(cè)面鋼管發(fā)生鼓包或穿孔時(如圖3所示)，侵徹深度為鼓包或穿孔中心到靶正面(迎彈面)的距離；彈孔偏心Δd為每發(fā)打擊后近似測量的彈孔中心與靶中心距離。圖4給出了所有靶多發(fā)打擊后的正面損傷情況，其中M2#和M6#彈坑體積比其他靶大得多，這可能與混凝土澆筑質(zhì)量有關。除M2#背面被第3發(fā)擊穿外，其余靶背面混凝土沒有損傷，其中M5#和M9#防住了3發(fā)重復打擊。圖5為M9#第1、第3發(fā)打擊后正面和背面的情況。M2#被第3發(fā)擊穿的原因除混凝土澆筑質(zhì)量外，還可能與鋼管直徑(140mm)較大而壁較薄(3.5mm)以及第2、第3發(fā)彈道重合等因素有關。

表1　侵徹試驗結(jié)果

(a) M1#第2發(fā)鼓包(a) Bulge in second impact of M1#　　(b) M2#第2發(fā)穿孔(b) Perforation in second impact of M2#　　(c) M4#第2發(fā)穿孔(c) Perforation in second impact of M4#

(d) M8#第1發(fā)穿孔(d) Perforation in first impact of M8#　　(e) M9#第1發(fā)鼓包(e) Bulge in first impact of M9#　　(f) M10#第1發(fā)穿孔，第4發(fā)鼓包(f) Perforation in first impact andbulge in forth impact of M10#圖3　側(cè)面鋼管鼓包和穿孔Fig.3　Bulge and perforation on the lateral face of steel tube

(a) M1　　　　　　 (b) M2#　　　　　　(c) M3#　　　　　 (d) M4#　　　　　　(e) M5#

(f) M6#　　　　　　(g) M7#　　　　　　(h) M8#　　　　　　(i) M9#　　　　　　 (j) M10#圖4　多發(fā)打擊后靶正面損傷Fig.4　Damage at the front face after multi-hit

正面　　　　　　　　背面　　　　　　　　正面　　　　　　　　背面(a) 第1發(fā)(a) The first impact　　　　　　　　　　　(b) 第3發(fā)(b) The third impact圖5　M9#的正面和背面Fig.5　Front and rear face of M9#

2試驗結(jié)果分析

2.1損傷模式

由表1和圖3～5可知：

1)所有靶正面混凝土產(chǎn)生了明顯的漏斗狀彈坑。彈孔偏心Δd較大時(如M2#，M4#，M6#)，彈坑明顯不對稱，偏心側(cè)深度較大；彈孔偏心相對較小時(如M3#，M7#，M8#)，彈坑基本對稱。因多發(fā)打擊的交叉作用，彈坑底部彈孔直徑比單發(fā)打擊大。2發(fā)打擊下，6個試件M1#，M3#，M4#，M6#，M7#和M8#均在彈坑底部形成了一個較大的彈孔；3發(fā)打擊下，M9#只有一個彈孔，M2#和M5#有兩個彈孔，其中M9#的3發(fā)，M2#的第2發(fā)和第3發(fā)，以及M5#的第1發(fā)和第3發(fā)彈著點基本重合；4發(fā)打擊下，M10#在迎彈面形成了一個大彈孔。

2)部分靶彈道偏轉(zhuǎn)嚴重，導致側(cè)面鋼管發(fā)生了鼓包或穿孔。解剖靶后發(fā)現(xiàn)大部分彈芯的彈道發(fā)生了不同程度的偏轉(zhuǎn)，圖6為典型的彈道剖面?？梢姡篗1#，M4#和M7#的兩彈彈道均發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，兩彈的彈道不重合，第2發(fā)彈的彈道偏轉(zhuǎn)比第1發(fā)大，彈芯撞擊鋼管使其產(chǎn)生鼓包(M1#)或穿孔(M4#)；M3#兩彈彈道重合，均發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，而第2發(fā)彈撞擊第1發(fā)彈后彈道發(fā)生改變，彈芯斷裂；M5# 3彈彈道重合，均有偏轉(zhuǎn)，第2發(fā)彈撞擊第1發(fā)彈后彈道發(fā)生改變，而第3發(fā)彈彈芯撞擊第1發(fā)彈彈芯后斷裂。彈芯彈道偏轉(zhuǎn)的根本原因是彈芯在侵徹過程中受到非對稱作用，可能主要包括：前一發(fā)彈打擊造成的混凝土損傷不對稱，使得后一發(fā)彈受到非對稱作用；后一發(fā)彈彈芯撞擊前一發(fā)彈彈芯而產(chǎn)生的非對稱撞擊力；彈丸著靶姿態(tài)非正入射或彈丸鋼套、鉛套和銅皮與彈芯分離時對彈芯產(chǎn)生非對稱作用，如圖5中M9#第1發(fā)的彈孔明顯非對稱；彈著點偏心和混凝土材料不均等因素產(chǎn)生的非對稱作用。

M1#　　　　　　　　　　　　M4#　　　　　　　　　　　　　　　 M7#(a) 彈道分離(a) Ballistic separation

M3#　　　　　　　　　　　　　　　　　 M5#(b) 彈道重合(b) Ballistic overlap圖6　典型靶板的彈道剖面Fig.6　Profiles of ballistic trajectories for typical targets

2.2侵徹深度

為了便于比較，將表1中彈道嚴重偏轉(zhuǎn)、鋼管被彈芯撞擊產(chǎn)生了鼓包或穿孔等情況的侵徹深度數(shù)據(jù)視為無效，即本文“重復打擊”為后一次打擊命中前一次打擊形成的彈坑但彈道非完全重合且鋼管無嚴重損傷的情況。表2給出了鋼管外徑114mm靶的有效侵徹深度數(shù)據(jù)(單發(fā)分別侵深)，但沒有包括M5#第3發(fā)。因為M5#第3發(fā)侵徹深度(169.9mm)明顯偏小，近似等于第1發(fā)侵徹深度(201.5mm)減去彈芯長度(34.3mm)，即第3發(fā)彈芯與第1發(fā)彈芯撞擊后停止了侵徹。這表明，當彈芯正好撞擊到殘留在靶內(nèi)的彈芯時，侵徹深度可能大大減小。

表2　侵徹深度有效數(shù)據(jù)

考慮到與有效侵徹深度對應的最大撞擊速度(827.3m/s)和最小撞擊速度(816.5m/s)相差僅約為1%，故可以忽略撞擊速度的差別，同時忽略彈著點的影響，則由表1和表2可得：

1)對于鋼管壁厚為4.5mm的靶，第2發(fā)的平均侵徹深度比第1發(fā)增大了約11%，而第3發(fā)的平均侵徹深度與第2發(fā)相當；M3#第2發(fā)侵徹深度較第1發(fā)的增幅最大，約為19%；M9#第3發(fā)侵徹深度較第2發(fā)的增幅約為9.6%，小于第2發(fā)平均侵徹深度較第1發(fā)的增幅。這表明，前一發(fā)打擊對混凝土的損傷會降低混凝土對后一發(fā)的侵徹阻力，但這種影響的相對程度隨著打擊發(fā)數(shù)的增加而減小。

2)M6#鋼管壁厚為3.5mm，與鋼管壁厚為4.5mm的靶相比，鋼管的約束作用減小，混凝土的侵徹阻力減小，第1、第2發(fā)侵徹深度比鋼管壁厚為4.5mm靶的平均侵徹深度分別增大了約9.5%和15%；M6#第2發(fā)侵徹深度較第1發(fā)的增幅約為16.6%，也大于鋼管壁厚為4.5mm靶平均侵徹深度的增幅。這表明，增大鋼管的約束作用可有效提高鋼管約束混凝土抗單發(fā)和多發(fā)打擊性能。

3)需指出，M1#和M2#鋼管(外徑140mm、壁厚3.5mm)的等效約束剛度K[16]最小，理論上，其約束作用也最小，侵徹深度應該最大。M2#第3發(fā)擊穿了背面混凝土可能與鋼管的約束作用偏小有關，M1#第2發(fā)侵徹深度(236.2mm)大于鋼管外徑114mm、壁厚4.5mm靶的平均侵徹深度也與理論相符。但是，M1#和M2#第1發(fā)侵徹深度(平均195.7mm)最小，M1#第2發(fā)侵徹深度(236.2mm)小于M6#、M3#和M8#。這可能是靶的混凝土質(zhì)量、彈丸著靶姿態(tài)和彈著點等因素的離散性所致。

3侵徹深度預估公式

考慮混凝土靶在前發(fā)彈丸打擊下產(chǎn)生損傷，侵徹阻力減小，后發(fā)彈丸侵徹深度增大，文獻[10]在Forrestal等[17-18]建立的單發(fā)侵徹深度模型基礎上，提出了一個含粗骨料半無限混凝土靶多發(fā)重復打擊侵徹深度預測公式。在文獻[10]的基礎上，文獻[11]分別建立了含粗骨料和不含粗骨料半無限混凝土靶的多發(fā)重復打擊侵徹深度預測公式。其中，多發(fā)打擊的混凝土強度因子[11]如式(1)所示。

無粗骨料半無限混凝土靶：

Sn=S1(-0.26ln(n)+1)

(1a)

有粗骨料半無限混凝土靶：

Sn=S1(-0.62ln(n)+1)

(1b)

式中：S1為未損傷混凝土靶的初始強度因子，即抗第1發(fā)打擊的強度因子；Sn(n≥2)為抗第n發(fā)打擊的強度因子。

在Forrestal等[17-18]的模型基礎上，文獻[15]結(jié)合侵徹試驗，建立了硬芯槍彈單發(fā)打擊鋼管約束混凝土靶侵徹深度的半理論半經(jīng)驗公式。本文考慮多發(fā)打擊，在文獻[15]公式里取R=Snfc，漏斗坑深度部分按文獻[16]實測數(shù)據(jù)取4d，得到硬芯槍彈多發(fā)打擊鋼管約束混凝土靶侵徹深度公式為：

(2)

式中：m為彈芯質(zhì)量，kg；dw為彈芯直徑，m；N為彈芯的彈形系數(shù)；d為彈丸直徑，m；V0為彈丸撞擊速度，m/s；ρc為混凝土密度，kg/m3；fc為混凝土單軸抗壓強度，MPa；Sn(n≥2)按式(1)計算。第1發(fā)打擊的強度因子S1=S由鋼管約束混凝土單發(fā)打擊試驗數(shù)據(jù)得到[16]：

(3)

式中：K為鋼管等效約束剛度，GPa；E為鋼管材料的彈性模量，GPa；δ為鋼管壁厚，m；rc為靶的核心混凝土半徑，m。

彈丸、彈芯和靶的參數(shù)按實際取值[16]：N=0.26，m=19.7g，d=12.7mm，dw=7.5mm，fc=35.8MPa，ρc=2140kg/m3，V0=820m/s(撞擊速度平均值)，按式(2)計算，其中Sn(n≥2)按式(1a)計算，圖7給出了試驗有效侵徹深度數(shù)據(jù)與預測公式的對比?？梢姡轰摴芗s束混凝土靶侵徹深度預測值與試驗值吻合較好，最大誤差約為10%，預測精度較高，適用于后一次打擊命中前一次打擊形成的彈坑但彈道非完全重合的情況。

(a)第1發(fā)(a) The first impact

(b) 第2發(fā)(b) The second impact

(c)第3發(fā)(c) The third impact圖7　侵徹深度公式預估結(jié)果與試驗結(jié)果對比Fig.7　Comparison for depth of penetration betweenformula predictions and test data

4結(jié)論

進行了12.7mm鎢芯穿甲彈多發(fā)打擊小直徑鋼管約束混凝土厚靶試驗，得到了靶的損傷模式和侵徹深度，建立了侵徹深度預測公式。結(jié)果表明：

1)鋼管約束混凝土靶抗多發(fā)打擊性能優(yōu)良，厚度為300mm的小直徑鋼管(外徑114mm，壁厚4.5mm)約束混凝土靶能夠有效防御3發(fā)12.7mm穿甲槍彈的重復打擊，第2、第3發(fā)較前一發(fā)侵徹深度的增幅分別小于20%和10%；增大鋼管約束剛度可以有效提高鋼管約束混凝土抗單發(fā)和多發(fā)打擊性能。

2)硬芯槍彈多發(fā)打擊小直徑鋼管約束混凝土侵深預測公式與試驗數(shù)據(jù)吻合較好。

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Multi-hit experiments of steel-tube-confined concrete targets

JIANG Zhigang1, WAN Fan1,2, TAN Qinghua1, LIU Fei1, SONG Dianyi1

(1.CollegeofBasicEducation,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410072,China；2.CollegeofAerospaceScienceandEngineering，NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

Abstract：Tostudythemulti-hitperformanceofsteel-tube-confinedconcrete,experimentsofthicksteel-tube-confinedconcretetargetsnormallyimpactedby12.7mmarmorpiercingprojectilewerecarriedout,thedamagemodesandthedepthofpenetrationwereobtained,andtheformulaformulti-hitdepthofpenetrationwasestablished.Theresultsshowthat:steel-tube-confinedconcretetargetsof300mminthicknesscaneffectivelyresistarmorpiercingprojectilefor3times,andthepenetrationdepthincrementforthesecondandthirdimpactstotheirformerimpactarelessthan20%and10%,respectively;theformulaformulti-hitpenetrationdepthisingoodagreementwiththatofexperiment.Resultsarebeneficialtothestudiesofanti-bulletstructuresandburstinglayerstructuresofsteel-tube-confinedconcrete.

Keywords：confinedconcrete;penetrationexperiments;multi-hit;armorpiercingprojectile

doi:10.11887/j.cn.201603020

收稿日期：2015-07-16

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51308539)

作者簡介：蔣志剛(1961—)，男，湖南資興人，教授，博士，碩士生導師，E-mail：13508489165@163.com

中圖分類號：O383；TB33

文獻標志碼：A

文章編號：1001-2486(2016)03-117-07

http://journal.nudt.edu.cn