典型破片破壞混凝土靶毀傷試驗研究

張見升,孫 浩,李 超,2,李 波

(1.中國兵器工業(yè)試驗測試研究院, 陜西 華陰 714200; 2.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院, 南京 210094)

1 引言

隨著我國國防工業(yè)不斷發(fā)展,各類新型武器系統(tǒng)不斷涌現(xiàn),戰(zhàn)斗部的毀傷威力持續(xù)增加,爆炸產(chǎn)生的高速破片殺傷效果較為顯著,無論從攻擊,還是防護2個方面來看,研究破片的破壞威力和破壞模式具有非常重要的意義。目前人們對于侵徹戰(zhàn)斗部侵徹破壞混凝土靶的研究比較多,開展此類研究可為混凝土類結(jié)構(gòu)的毀傷評估和防護提供技術(shù)支撐。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者對彈丸與鋼靶、混凝土靶作用過程中彈丸的動態(tài)響應(yīng)特性進行了大量的試驗和理論研究,彈丸的毀傷形式與靶板材料的力學(xué)特性密切相關(guān)；彭永等開發(fā)了混凝土二維細觀有限元模擬程序,細觀數(shù)值實驗成功地反映出了侵徹尺寸效應(yīng),考慮模擬尺寸效應(yīng)后的侵徹公式能較好地預(yù)測不同尺寸侵徹試驗；練兵和蔣建偉利用AUTODYA-2D有限元程序,對著靶速度600～1 200 m/s不同材料、不同質(zhì)量和不同長徑比的長桿彈侵徹混凝土進行了仿真分析計算；吳海軍等首先進行了侵徹混凝土試驗的分析,根據(jù)彈體侵徹混凝土的空腔膨脹理論,提出了侵深的經(jīng)驗公式；劉勇等整理了用于計算鋼筋混凝土靶侵徹深度,貫穿剩余速度等參量的經(jīng)驗和半經(jīng)驗公式,梳理了不同算法、建模方式、材料模型等條件下有代表性的鋼筋混凝土靶侵徹與貫穿數(shù)值模擬工作,大部分都是戰(zhàn)斗部對混凝土靶板的毀傷情況的分析,針對爆炸破片對混凝土靶板以及建筑物的毀傷研究較少,為了解決靶場中存在的混凝土目標的毀傷評估和靜、動態(tài)爆炸試驗中混凝土結(jié)構(gòu)試驗設(shè)施的防護問題,開展不同質(zhì)量、不同速度條件下的多種工況侵徹混凝土的模擬等效試驗,獲取了破片對混凝土靶的毀傷情況和破壞模式,得到不同質(zhì)量、不同形狀典型破片在不同速度下侵徹混凝土開孔表面積、體積、孔徑和孔深的毀傷破壞規(guī)律,為靶場試驗終點毀傷建筑物、混凝土掩體的防護提供支撐。

2 等效混凝土靶標設(shè)計

試驗過程中常用的混凝土靶標尺寸為：3.2 m×3.2 m×3 m,根據(jù)相似第二定理,侵徹深度與影響因素的無量綱函數(shù)關(guān)系為：

(1)

式中,為質(zhì)量修系數(shù),為彈頭形狀系數(shù),為彈體長度,為彈體頭部長度,為彈體直徑,為彈體抗壓強度,為彈體密度,為彈體速度,為混凝土抗壓強度,混凝土密度。

根據(jù)式(1)設(shè)計鋼筋混凝土縮比模型。原配筋率為0.56%,設(shè)計后配筋率為0.52%,滿足設(shè)計要求。由于單發(fā)破片對混凝土侵徹深度不超過150 mm,該厚度小于混凝土鋼筋的層間距,因此為了提高靶板的利用率,將靶板設(shè)計為六面迎彈面,每個迎彈面的有效強度厚度為300 mm,滿足單發(fā)破片侵徹要求和目標鋼筋混凝土強度要求。根據(jù)原目標鋼筋混凝土靶結(jié)構(gòu)圖,設(shè)計的縮比鋼筋混凝土靶實物結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 等效混凝土靶標實物結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Actual structure of the equivalent scaled modelof the concrete target design

靶標配筋：距迎彈面40 mm處布置直徑為6 mm,網(wǎng)眼為100 mm×100 mm的鋼絲網(wǎng)片。距迎彈面50 mm處布置直徑為14 mm,網(wǎng)眼為160 mm×160 mm的螺紋鋼。

3 破片等效毀傷試驗

3.1 試驗概況

試驗體系由發(fā)射系統(tǒng)、測速系統(tǒng)、防護裝置和混凝土靶板組成。保證試驗條件(溫度、風速、彈體速度區(qū)間、彈體及靶板材料和結(jié)構(gòu)等)一致。將破片著速分為3個區(qū)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),每個速度段進行3發(fā)試驗,結(jié)果取平均值。試驗工況設(shè)計如表1所示。

表1 試驗工況Table 1 Test conditions

1) 破片發(fā)射系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)由發(fā)射裝置、彈托、破片和發(fā)射藥組成如圖2所示。發(fā)射裝置根據(jù)破片口徑選用14.5 mm彈道槍。采用尼龍、鋁彈托將破片固定在銅質(zhì)彈殼上,高速破片底部加裝鋁質(zhì)底推。發(fā)射藥選用45火藥,破片初速由發(fā)射藥量控制。破片形狀：球體,圓柱體,長方體；破片質(zhì)量：5 g、10 g、15 g；破片材料：45#鋼。

圖2 破片發(fā)射系統(tǒng)組成圖Fig.2 Composition diagram of fragment Launch system

2) 測速系統(tǒng)。測速系統(tǒng)由鋁箔靶、多通道記時儀、靶架、高速攝影儀組成如圖3所示。其中,鋁箔靶尺寸為25 cm×25 cm,用于破片穿過鋁箔靶時輸出信號,利用多通道記時儀記錄存儲此信號,由高速攝影儀對破片侵靶過程進行拍攝。通過調(diào)整發(fā)射藥,使破片著靶速度在800～1 500 m/s速度區(qū)間內(nèi)平均分布。

3) 靶板布設(shè)。試驗測試所用等效靶板配筋混凝土的尺寸為600 mm×600 mm×600 mm,距離彈道槍口5 m,固定在可調(diào)節(jié)方向的靶架上,通過翻轉(zhuǎn)靶板實現(xiàn)對不同靶板面的打擊試驗。

3.2 試驗實施

根據(jù)試驗設(shè)計的內(nèi)容固定彈道槍、鋁箔靶、高速錄像以及混凝土靶標,高速攝影拍攝到的某試驗過程如圖3所示。

圖3 試驗?zāi)尺^程高速攝影圖Fig.3 High-speedphotography image of a testprocess

試驗后測量混凝土靶的開孔表面積、體積、孔徑和孔深。其中，開孔孔徑為混凝土靶外表面過孔中心最大直徑與最小直徑的平均值；孔深為外表面到孔內(nèi)最深處距離；開孔面積為外表面毀傷孔面積,將開孔表面正面照片導(dǎo)入制圖軟件,標定尺寸,采用網(wǎng)格面積補償法進行面積測算；開孔體積為外表面到孔底的體積,通過排沙法進行測算(將混凝土靶迎彈面水平朝上放置,在刻度容器中儲存細沙,用量杯舀取適量細沙填入彈孔期間用水平尺在鋼軌外表面將隆起的細沙向孔四周填勻,直至填滿,讀取并記錄從量杯中倒出細沙的總體積。根據(jù)破片侵徹混凝土介質(zhì)特點,將開孔孔型分為以下4類,示意圖及記錄方式如表2所示,混凝土靶實際毀傷情況如圖4所示。

表2 破片侵徹鋼筋混凝土開孔類型及參數(shù)Table 2 Types and parameters of openings for fragments penetrating reinforced concrete

圖4 混凝土靶毀傷情況圖Fig.4 The condition of concrete target damage

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 開孔孔型數(shù)據(jù)結(jié)果分析

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計出開孔孔型見表3。

表3 不同工況開孔孔型Tab 3 Statistical table of opening hole types under different working conditions

表3為不同工況破片開孔孔型統(tǒng)計表,其中孔型2、3都產(chǎn)生了崩落區(qū),區(qū)別在于崩落區(qū)占總開孔軸線深度的比例不同,孔型4同時產(chǎn)生了崩落區(qū)和破碎區(qū)。從表3中可以看出中、低質(zhì)量條件下的圓柱破片對混凝土靶形成破碎區(qū)的比例最大,能夠?qū)Π邪逋瑫r形成軸向和徑向毀傷,毀傷效應(yīng)最強,而當圓柱破片質(zhì)量提升至15 g時,幾乎無法對混凝土靶產(chǎn)生破碎效應(yīng)。長方體和球形破片也存在類似的規(guī)律,低質(zhì)量破片更利于對靶板形成破碎效應(yīng),而中、高質(zhì)量長方體破片毀傷主要模式為崩落破壞,隨著破片質(zhì)量提高,崩落破壞和無崩落破壞的比例提高。

4.2 毀傷數(shù)據(jù)分析

1) 不同質(zhì)量、相同形狀的破片對混凝土靶的毀傷分析。不同質(zhì)量、相同形狀的破片對混凝土靶破壞的開孔表面積、體積和孔深隨著破片著靶速度的變化情況如圖5—圖7所示。

圖5 不同質(zhì)量球型、圓柱和長方體破片侵徹深度曲線Fig.5 depth of invaded by different quality of spherical、cylindrical and rectangular fragments

圖6 不同質(zhì)量球型、圓柱和長方體破片開孔面積曲線Fig.6 area of damage hole by different masses of spherical、cylindrical and rectangular fragments

圖7 不同質(zhì)量球型、圓柱和長方體破片開孔體積曲線Fig.7 volume of damage hole by different masses of spherical、cylindrical and rectangular fragments

隨著速增加,各項毀傷指標整體呈遞增趨勢。10 g球形破片對鋼筋混凝土靶的侵徹孔深、開孔面積和開孔體積整體上均高于5 g球形破片。圓柱破片中10 g和15 g破片在侵徹孔深上相差無幾,均遠高于5 g破片,另外5 g與10 g破片在開孔面積和開孔體積兩項侵徹指標上數(shù)值十分相近,遠低于15 g破片,說明提高圓柱型破片的質(zhì)量可顯著增加開孔面積和體積,對侵徹深度影響不大。長方體破片質(zhì)量隨侵徹指標變化趨勢與圓柱破片相反,隨著提高長方體破片的質(zhì)量,侵徹深度有所增加,但開孔面積和開孔體積反而降低,在高著速條件下尤為明顯,說明單純提高長方體破片的質(zhì)量可在一定程度增加軸向毀傷能力,但降低徑向毀傷效果。

2) 相同質(zhì)量、不同形狀破片對混凝土靶的毀傷分析。相同質(zhì)量、不同形狀的破片對混凝土靶破壞的開孔表面積、體積和孔深隨著破片著靶速度的變化情況如圖8—圖10所示。

圖8 5 g、10 g和15 g質(zhì)量不同形狀破片侵徹深度曲線Fig.8 Depth of invaded by different shapes fragments weighting 5 g、10 g and 15 g

圖9 5 g、10 g和15 g質(zhì)量不同形狀破片開孔面積曲線Fig.9 Area of damage hole by different shapes fragments weighting 5 g、10 g and 15 g

圖10 5 g、10 g和15 g質(zhì)量不同形狀破片開孔體積曲線Fig.10 volume of damage hole by different shapes fragments weighting 5 g、10 g and 15 g

當破片質(zhì)量較低時(5 g),侵徹鋼筋混凝土靶孔深、開孔面積和開孔體積3項指標相差無幾；當破片質(zhì)量提升至10 g,開孔深度依舊差距不大,開孔面積和體積在高著速時長方體破片明顯高于其他2種形狀破片；當破片質(zhì)量取15 g時,圓柱破片在3項侵徹指標上均優(yōu)于長方體破片。說明不同形狀破片在不同的質(zhì)量區(qū)間會呈現(xiàn)不同的毀傷效能。

5 結(jié)論

1) 中、低質(zhì)量條件下的圓柱破片對混凝土靶形成破碎區(qū)的比例最大,能夠?qū)Π邪逋瑫r形成軸向和徑向毀傷,毀傷效應(yīng)最強,而當圓柱破片質(zhì)量提升至15 g時,幾乎無法對混凝土靶產(chǎn)生破碎效應(yīng)。長方體和球形破片也存在類似的規(guī)律,低質(zhì)量破片更利于對靶板形成破碎效應(yīng),而中、高質(zhì)量長方體破片毀傷主要模式為崩落破壞,隨著破片質(zhì)量提高,崩落破壞和無崩落破壞的比例提高。

2) 提高圓柱型破片的質(zhì)量可顯著增加開孔面積和體積,對侵徹深度影響不大。長方體破片質(zhì)量隨侵徹指標變化趨勢與圓柱破片相反,隨著提高長方體破片的質(zhì)量,侵徹深度有所增加,但開孔面積和開孔體積反而降低,在高著速條件下尤為明顯,說明單純提高長方體破片的質(zhì)量可增加軸向毀傷能力,但降低徑向毀傷效果。

上述結(jié)論一方面可以為攻擊鋼筋混凝土目標戰(zhàn)斗部破片形狀的設(shè)計提供參考；另一方面可以為靶場針對不同戰(zhàn)斗部類型試驗終點毀傷建筑物、混凝土掩體的防護提供參考。