长杆弹超高速侵彻半无限混凝土靶实验研究及开坑分析

随着超高速动能武器的发展，长杆弹超高速侵彻混凝土靶机理成为当前的研究热点。为了探究长杆弹超高速侵彻混凝土靶的侵彻机理和开坑规律，本文中开展了TU1铜、Q235钢两类长杆弹以初速度1.8～2.4 km/s正侵彻强度26.5、42.1 MPa混凝土靶的超高速实验。结合文献和本文中的实验数据，对开坑直径和开坑体积进行量纲分析，基于开坑截面的弓形形貌几何关系，得到了开坑深度预测公式。结果表明:靶面开坑尺寸明显大于中低速侵彻时的靶面开坑尺寸，在分析侵彻机理的过程中不能忽略开坑阶段；弹体发生严重的长度缩短，直至最后完全侵蚀，弹洞半径明显大于弹体半径，说明长杆弹超高速侵彻半无限混凝土靶属于半流体侵彻机制。另外，在超高速侵彻条件下:弹体长度是影响侵彻深度的最主要参数；侵彻深度随弹体长度和密度的增大而增大，受弹体强度影响不大。     

内埋炸药下超高韧性水泥基复合材料的抗爆性能

为研究超高韧性水泥基复合材料(ultra-high toughness cementitious composites, UHTCC)在内埋炸药爆炸下的抗爆性能和损伤破坏规律,对不同炸药埋深下的UHTCC和高强混凝土(high-strength concrete, HSC)进行了内埋炸药抗爆实验。得到了两种材料靶体的破坏状态,并利用接触爆炸的实验结果计算出了两种材料的抗爆性能参数。结果表明,在相同条件下,UHTCC抗爆性能优于高强混凝土。为了进一步探究UHTCC的抗压强度、抗拉强度以及拉伸韧性对靶体在内埋炸药下抗爆性能的影响,首先,采用改进的K&C模型对炸药埋深为40 mm的超高韧性水泥基复合材料靶体进行数值模拟,模拟结果与实验结果基本吻合,并根据数值模拟的结果得到了爆炸冲击波沿靶体径向衰减速度大于轴向衰减速度这一规律,验证了数值模型的有效性;然后,通过调整改进K&C模型中与抗压强度、抗拉强度以及拉伸韧性相关的参数,数值预测了不同抗压强度、抗拉强度以及拉伸韧性下UHTCC靶体的破坏状态,发现增强UHTCC的韧性可以有效防止靶体发生整体性破坏,增大UHTCC的抗拉强度可以减小靶体迎爆面的开坑直径,增大UHTCC的抗压强度对减小开坑直径效果不明显。     

弹体侵彻厚混凝土靶迎弹面成坑效应

为研究弹体侵彻厚混凝土靶的迎弹面成坑效应，总结了侵彻实验中的成坑现象，分析了经验公式对成坑深度、成坑直径和成坑角等成坑效应的预测效果；考虑了撞击速度、靶板强度、配筋以及弹体直径和质量等因素的影响，采用量纲分析方法建立了新型成坑效应计算公式及成坑阶段耗能计算公式；基于新型成坑效应计算公式，对成坑效应的影响因素和成坑耗能进行了参数化分析。结果表明:无量纲成坑深度受靶板强度、配筋率和弹体质量的影响较大；对于钢筋混凝土，成坑深度随撞击速度提升呈先增大后减小再增大的变化规律；在常见的侵彻速度和质量范围内，成坑角为15°～24°，质量对成坑角影响较小；迎弹面成坑耗能占弹体总动能的10%～25%，且配筋率和靶板强度对成坑耗能比例的影响较小；弹体质量越小，成坑阶段耗能占比越大。新型成坑效应计算公式对成坑深度、直径和角度的计算结果与实验数据吻合较好，可为侵彻弹体设计和工程防护提供参考。     

考虑刚性弹弹头形状的混凝土(岩石)靶体侵彻深度半理论分析

基于动力球型空腔膨胀理论和冲击成坑+钻孔区两阶段侵彻模型,以截卵形弹头弹体为例,运 用曲面积分,引入表征弹头形状和弹靶摩擦效应的量纲一系数、质量比和冲击因子,提出了综合考虑弹头形状 变化、成坑区深度、弹靶摩擦阻力的混凝土和岩石靶体的刚性弹垂直侵彻深度的计算公式。该公式在相关参 数取特殊值时,可退化为经典的侵彻深度计算公式。通过与8组不同弹头形状弹体冲击混凝土和岩石靶体的 侵彻实验数据、已有10个(半)经验公式计算结果对比,验证了本文公式的适用性。并结合实验和参数影响分 析,给出了混凝土和岩石靶体的弹靶摩擦系数和与冲击因子相关的不同弹头形状弹体成坑系数的建议值。     

钨合金弹体对混凝土靶的超高速侵彻机理

为研究钨合金弹体超高速侵彻混凝土靶的相关机理,构建了适用于超高速撞击的金属强度模型、失效模型和混凝土的本构模型,对93钨合金弹体超高速撞击混凝土靶问题进行了数值模拟。开展了钨合金弹体超高速撞击混凝土靶实验,分析了靶板成坑特性,研究了侵彻总深度和残余弹体长度随撞击速度的变化规律,理论分析了长杆钨弹超高速撞击混凝土的侵彻模型和混凝土靶内的应力波传播。得到以下主要结论:（1）利用金属及混凝土的新本构模型获得的超高速撞击混凝土靶的破坏形貌数值模拟结果与实验结果一致;（2）超高速撞击条件下混凝土靶成坑为“弹坑＋弹洞”形,成坑体积与弹体动能近似成正比;（3）超高速撞击条件下,侵彻深度随弹速提高呈现先增大后减小的现象,高速段侵深降低是弹体经历销蚀侵彻后“刚体侵彻阶段”减少造成的;（4）建立的钨合金超高速撞击混凝土侵彻分析模型,可用来预估侵彻深度、残余弹长、蘑菇头直径等参数;（5）采用建立的超高速撞击混凝土靶内应力波传播理论模型得到的计算结果与实验结果吻合较好。     

活性粉末混凝土抗多次侵彻实验研究及数值预测

活性粉末混凝土（reactive powder concrete,RPC）具有超高的强度和优异的阻裂性能。为了研究RPC在多次冲击荷载下的损伤规律,采用25 mm口径滑膛炮对直径为600 mm、高600 mm的RPC圆柱形靶体进行了多次侵彻实验,得到了每次侵彻后靶体的破坏数据,并根据实验数据确定了Forrestal经验公式中的相关系数。基于K&C本构模型和现有RPC基本力学性能的实验数据,修正了K&C模型的强度面参数、损伤参数、状态方程参数、损伤演化模型以及应变率效应相关参数,系统地确定了RPC的K&C模型参数。采用LS-DYNA软件中的重启动功能模拟了弹体多次侵彻RPC靶体的破坏结果,模拟结果与实验结果基本一致,验证了模拟方法的有效性。对长2 200 mm、宽2 200 mm、高1 260 mm的RPC靶体抗侵彻实验进行了数值预测,得到了侵彻深度与弹速之间的关系、弹体贯穿靶体时的极限速度以及弹体侵彻过程中的峰值加速度。     

弹体正侵彻混凝土靶动态开坑作用过程

为了进一步研究弹体侵彻混凝土靶的开坑作用过程，基于开坑破坏过程分析对开坑阶段进行划分，结合弹体头部形状函数、Z模型流线场分布以及法向膨胀理论，建立考虑混凝土飞溅过程影响的开坑阻力计算模型，并运用文献中试验数据验证模型的可靠性。在此基础上，进一步分析了典型弹靶参数对弹体侵彻混凝土靶动态开坑作用过程的影响规律。研究结果表明：弹体开坑飞溅区范围随弹体头部形状系数和混凝土强度的增大而减小；飞溅区范围达到稳定的时间和动态开坑作用时间随初速和混凝土强度的增大而缩短，随弹体头部形状系数的增大而增大；相较于弹体头部形状系数和混凝土强度，初始撞击速度对动态开坑作用过程的影响更显著。     

弹体高速侵彻钢筋混凝土的实验与数值模拟研究

为了得到钢筋混凝土目标在动能弹高速冲击作用下的破坏数据，基于大口径发射平台进行了100 mm口径卵形弹体高速侵彻钢筋混凝土靶体的实验，弹体质量为5.4 kg，靶体尺寸分为2 m × 2 m × 1.25 m 和 2 m × 2 m × 1.50 m两种，混凝土抗压强度为50 MPa，弹体侵彻速度为1 345～1 384 m/s，实验获得了弹体的侵彻深度及钢筋混凝土靶体的破坏数据。通过“钢筋混凝土全体单元分离式共节点建模方法”建立钢筋混凝土靶体模型，结合Riedel-Hiermaier-Thoma本构模型对实验工况进行计算。数值模拟给出了侵彻过程中钢筋的拉压力变化和分布规律，很好地模拟出贴近迎弹面钢筋在弹体高速冲击作用下伴随混凝土反向飞溅而产生的反向拉伸现象及靶体背面钢筋在混凝土崩落作用下发生的拉伸现象；数值模拟得到的弹体侵深数据、现象与实验结果吻合良好，实验验证了“钢筋混凝土全体单元分离式共节点建模方法”的可靠性。     

卵形弹体侵彻预开孔靶理论分析

以破爆型串联战斗部后级随进弹对预开孔靶侵彻过程为研究对象,基于锥形预开孔和库仑摩擦模型,发展完善了包括扩孔/开坑和稳定侵彻的卵形弹体侵彻预开孔靶理论模型。分别对该模型在侵彻脆性和弹塑性靶体的有效性进行了实验验证。利用该模型分析了弹头曲径比、预开孔直径、预开孔形状等对侵彻结果的影响。研究结果表明:发展完善的模型计算结果与实验数据吻合较好。柱形开孔情况下,侵彻速度、弹头曲径比及相对孔径同侵彻深度呈正比;在侵彻容积相同的条件下,弹体侵彻预开锥孔的侵深结果与锥角及相对入孔孔径变化关系较大。     

卵形头弹体对素混凝土高速侵彻的实验研究

利用二级轻气炮装置,选取材料为38CrMnSi的卵形头弹对素混凝土靶体进行了撞击实验。根据得到的实验数据以及实验后回收的弹体和靶体,分析了动能弹高速侵彻素混凝土时的弹靶响应特性,包括弹体质量损失规律及其机理、靶体损伤特征和侵彻深度随速度的变化规律。结果分析表明,弹体侵彻素混凝土靶体过程包括锥型弹坑阶段和隧道稳定阶段,从较低速到高速侵彻,弹体发生了CRH变小、头部半球化和锥形化的特征性现象,并伴随着不同程度的质量损失,由此引发侵彻深度在高速侵彻时较小的波动。进一步引用弹体侵彻混凝土靶响应模型进行了理论分析,发现在较低速撞击时,利用模型计算得到的值与实验结果比较吻合,而高速撞击条件下偏差则较大,需要考虑弹体头部形状变化对侵彻响应结果的影响。     

弹体对混凝土材料先侵彻后爆炸损伤破坏效应的数值模拟研究

基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA的流固耦合和重启动算法,开展了某新型钻地武器先侵彻后爆炸对混凝土靶体的毁伤破坏效应研究。通过模拟大口径缩比弹侵彻实验和预制孔爆炸实验,验证了材料模型及其参数的可靠性。在此基础上,进一步对预制孔装药爆炸建模、不考虑弹壳的重启动建模和考虑弹壳的重启动建模3种方法进行了比较。数值计算结果表明,由于爆轰产物的外泄,不考虑侵彻预损伤的预制孔装药爆炸方法得到的爆坑直径仅为3倍弹径,且损伤破坏模式与其他2种方法得到的损伤破坏模式区别较大。重启动建模方法继承了弹体侵彻过程中累积的损伤,爆坑直径在原有侵彻损伤破坏的基础上明显增大;且由于弹壳变形破碎消耗部分能量,考虑弹壳时模拟得到的爆坑直径（约14.5倍弹径）略小于不考虑弹壳时模拟得到的爆坑直径（约16倍弹径）;但由于破碎弹头的二次侵彻作用,考虑弹壳时模拟得到的爆坑深度比不考虑弹壳时模拟得到的爆坑深度增加约5%。上述研究结果可为进一步开展钻地武器先侵彻后爆炸毁伤破坏效应的实验研究提供参考。     

刚性弹丸侵彻钢筋混凝土的实验和简化分析模型

通过Φ57mm半穿甲弹对钢筋混凝土的垂直侵彻实验,得到了弹丸的撞靶速度、成坑深度、最大侵彻深度以及过载时程曲线等实验数据.对实验后钢筋的断裂特征进行分析,得到钢筋的典型破坏模式.将钢筋的破坏简化为弯曲+剪切断裂和弯曲+拉伸断裂这两种模式.根据混凝土侵彻模型和梁断裂失效理论,建立了刚性弹丸垂直侵彻钢筋混凝土的简化分析模型.将理论计算得到的侵彻深度、速度与过载时间历程分别与实验数据进行对比,结果表明两者吻合较好.研究表明,钢筋只对弹体侵彻过程产生局部影响,混凝土的抗侵彻阻力仍是钢筋混凝土抗侵彻阻力的主要组成部分.     

钢纤维混凝土抗侵彻与贯穿特性的实验研究

为考察素混凝土及钢纤维混凝土（钢纤维为平直型与端钩型,体积分数0.01~0.05）抗侵彻贯穿特性,采用12.7 mm弹道炮-测速靶系统开展了初速297~848 m/s的弹道冲击实验,获得了弹丸着靶速度及对应的最大侵彻深度、弹坑直径、靶体（板）破坏形态等实验参数,并利用高速摄影系统记录了靶体（板）的动态破坏过程。实验结果的对比表明,靶板的抗侵彻贯穿性能和破坏模式与钢纤维类型及含量密切相关。当钢纤维体积分数为0.05时,端钩型钢纤维混凝土的侵彻深度与相同强度等级素混凝土相比降低约52%,且贯穿破坏后靶板碎片的数量及飞散角度大幅降低,显示了高含量异型钢纤维混凝土在抗侵彻贯穿方面的适用性。     

弹体高速侵彻钢筋混凝土靶试验研究

为研究结构弹体对钢筋混凝土靶的高速侵彻破坏效应,利用口径35 mm弹道炮开展了1 030～1 520 m/s速度范围内的高速侵彻试验,获得了弹体的撞击速度、破坏形态、剩余长度、剩余质量和靶体中的侵彻深度及成坑尺寸等试验数据,分析了侵彻深度和侵彻机理随速度的变化关系。结果表明:在1 030～1 390 m/s的速度范围内,弹体头部磨蚀,磨蚀程度随侵彻速度增加而加剧,侵彻深度随撞击速度近似线性增大;撞击速度在1 390～1 480 m/s范围内,弹体头部严重磨蚀,侵彻深度随撞击速度增加而减小;撞击速度大于1 480 m/s后,弹体严重破碎,侵彻深度急剧下降。针对结构弹体高速侵彻过程中的破坏特点,将侵彻速度划分为刚体侵彻区、准刚体侵彻区、侵蚀体侵彻区和破碎体侵彻区,可为钻地弹结构设计提供参考。     

装甲钢/UHPC复合靶体抗侵彻性能试验与数值模拟研究

装甲钢/超高性能混凝土（UHPC）复合防护结构在重点工程中抵抗弹体的高速侵彻作用具有广泛的应用前景。为评估该复合结构的抗侵彻性能,对两种复合靶体开展侵彻试验与数值模拟研究。首先,开展了12发30 mm口径30CrMnSiNi2A弹体372~646 m/s速度侵彻复合靶试验。随后通过一系列静动态力学性能试验标定装甲钢材料的本构模型参数,并建立三维有限元模型对上述试验开展数值模拟分析。通过对比试验和数值模拟得到的弹体侵彻深度、残余弹体长度和装甲钢板的失效模式,验证了装甲钢本构模型参数的可靠性。进一步基于弹道效益系数对复合靶抗侵彻性能进行了定量评估。最后,确定了不同装甲钢板厚度复合靶体的临界贯穿速度,并对弹体侵彻复合靶的弹、靶失效模式进行了讨论。     

薄壁弹体高速侵彻钢筋混凝土实验研究

设计了一种优化结构的薄壁高速侵彻弹体,采用YOUNG方程预估弹体高速侵彻钢筋混凝土的侵彻深度,通过建立三维有限元模型分析并计算了薄壁弹体高速侵彻2.4m和2.8m钢筋混凝土靶的能力和结构变形情况。在100mm口径的火炮上,开展了8kg弹体高速侵彻钢筋混凝土靶实验,考核了弹体的结构强度和侵彻能力。结果表明:薄壁弹体高速侵彻钢筋混凝土靶板后结构完整,在1020m/s和1200m/s速度下具备穿透2.4m和2.8m钢筋混凝土靶的能力。