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。     

低含水率砂土和饱和砂土场地爆炸成坑特性实验

爆坑是土中爆炸荷载作用下的主要响应形式，基于大型爆炸实验场地，开展了一系列低含水率砂土和饱和砂土中的爆炸成坑现场实验，研究了药量、埋深及含水率等因素对土中爆坑效应的影响。研究结果显示:根据药包的比例埋深，低含水率砂土场地的最终爆坑形态可以分为隐爆、塌陷型漏斗坑和抛掷型爆坑3类，发生封闭爆炸的临界比例埋深为2.3 m/kg1/3；形成抛掷型爆坑的条件为比例埋深小于1.5 m/kg1/3；当比例埋深为1.5~2.3 m/kg1/3时，形成塌陷型漏斗坑。土中孔隙水压力的增大导致坑壁周围土体发生了液化流动、坍塌，最终造成爆坑横向尺寸的扩大。相同爆源条件下，饱和砂土场地形成的坑面直径比低含水率砂土场地提高了25%~35%，饱和砂土场地发生封闭爆炸的极限比例埋深可达2.5 m/kg1/3。     

二级高压驱动阵列弹珠同步弹射微型爆源的研制

针对当前大当量地下爆炸真空室模拟试验中爆源起爆方式高度依赖火药制品等问题，基于地下爆炸相似理论和二级气炮原理，自主研制了二级高压驱动阵列弹珠同步弹射微型爆源装置。装置利用二级高压气体驱动弹珠同步击碎玻璃球壳，释放球内高压气体，以模拟真实爆炸气体生成物的推出。整套爆源装置的发射参数:高压气室充气压力4 MPa，玻璃球壳内残余稳态气体压力约为3 kPa，能够用于0~20 kt当量地下爆炸成坑效应的真空室模拟。爆源适用性试验验证表明，该爆源装置的爆破机制和爆破效果满足大当量地下抛掷爆炸真空室模拟试验的功能需求，且具有较高的安全性、可控性和可操作性，为开展相关模拟试验提供了新的技术方法。     

JPC聚能装药对钢筋混凝土墙毁伤效应的试验与数值模拟研究

为了满足高侵深和大穿孔的要求，设计一种聚能杆式弹丸（jetting projectile charge, JPC），开展大尺寸钢筋混凝土墙的毁伤效应试验。在此基础上，基于修正参数的K&C(Karagozian&Case)模型进行数值模拟，研究JPC高速侵彻和爆炸冲击波对钢筋混凝土墙的联合破坏作用，分析墙体厚度对破坏效果的影响规律。结果表明，在1.67倍和2.50倍装药直径的炸高条件下，JPC均能够有效贯穿80 cm(6.67倍装药直径)厚的钢筋混凝土墙，形成直径大于6 cm(0.50倍装药直径)的柱状孔洞；聚能装药的多载荷毁伤特性决定了钢筋混凝土墙的破坏结果，爆炸冲击波能够加剧墙体正面开坑和背面崩落的破坏范围；墙体厚度对于墙体正面漏斗坑的直径与深度及内部侵彻孔洞直径均无显著影响；随着墙体厚度增大，背面漏斗坑直径逐渐减小，深度却逐渐增大。     

初始压力和狭缝宽度对毫米量级狭缝内爆轰起爆距离的影响

为获得狭缝内爆轰起爆距离的影响因素，分别在高度为1.0 mm，宽度为10、20、30 mm的狭缝爆轰管内，对不同初始压力下(p₀=5.0~50.0 kPa)等当量比的乙烯/氧气预混气体进行了单次爆轰性能实验研究。根据烟迹法、高速摄影图片判定起爆位置，分析了初始压力和狭缝宽度对爆轰起爆距离的影响。结果表明:(1)p₀=21.0~30.0 kPa时，起爆距离随着狭缝宽度的增大而逐渐缩短；(2)p₀=35.0~42.5 kPa时，起爆距离随着狭缝宽度的增大先缩短后增大，在p₀=45.0~50.0 kPa时起爆距离随着狭缝宽度的增大基本保持不变；(3)3种狭缝宽度下，量纲一起爆距离随量纲一初始压力的变化曲线差异较大。     

浅层水中爆炸冲击波对混凝土墩斜碰撞作用试验研究

通过含铝炸药JHL-3的实爆试验,得到混凝土墩在单个装药浅层水中爆炸、两个装药浅层水中对称及不对称设置同步起爆爆炸作用下、混凝土墩迎爆面上的冲击波压力响应数据;获得了迎爆面中心反射压力峰值计算模型;分析了两个装药浅层水中爆炸冲击波对混凝土墩绕射及透射作用效应。     

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。     

聚能装药对混凝土靶板的侵彻研究

系统开展了不同药型罩材料、不同锥角、不同壁厚的聚能装药在不同炸高下侵彻混凝土试验, 研究了罩材料、锥角、壁厚、炸高等结构参数对漏斗坑直径、侵彻孔洞直径、漏斗坑深度以及侵彻深度等参数的影响规律;应用空腔膨胀理论计算了混凝土靶体阻力, 采用改进的伯努利方程和两阶段空腔膨胀理论获得了混凝土靶板在侵彻体作用下的侵彻深度和孔洞直径, 理论结果与试验结果基本吻合;基于AUTODYN 软件平台, 采用与试验一致的聚能装药结构, 开展了57 种工况下侵彻体成形过程的数值模拟研究, 并对其中典型工况的侵彻混凝土过程进行了数值模拟, 计算所得孔洞直径和侵彻深度与试验结果吻合较好, 在此基础上深入探讨了聚能装药作用下混凝土漏斗坑的形成机理, 分析表明, 铝药型罩的开坑机理不同于钢和铜药型罩.     

钙质砂介质中爆炸波传播规律的试验研究

开展了一系列钙质砂和石英砂的地面爆炸试验，主要对比分析了两种砂土介质中爆炸波的传播规律，包括峰值压力、弹塑性波速及升压时间、爆坑尺寸等。试验结果表明，爆炸波在钙质砂中的传播与在石英砂中存在较大差异：地面爆炸作用下钙质砂爆坑较石英砂爆坑的直径和深度更小，且成坑形状为两阶同心圆；钙质砂中弹性波速为236～300 m/s，石英砂中弹性波速为218～337 m/s，弹性波速和塑性波速均随炸药质量增加而增大；爆炸波在钙质砂中的升压时间随比例距离的增加而增加，而在石英砂中升压时间随比例距离变化不明显，且较钙质砂中升压更迅速；在地面爆炸作用下，低含水率钙质砂的衰减系数为2.86，石英砂为2.79。     

接触爆炸对底部有土垫层纤维混凝土板破坏效应试验研究

采用钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土、钢筋混凝土3种材料共24块板试件进行了接触爆炸试验。对试验现象进行了描述,由迎爆坑尺寸拟合分析得到了3种材料的爆炸介质压缩系数。采用ЛяхоB公式对试验测得的土压峰值进行了拟合分析,结果表明,随试件厚度的增加,砂土中应力波峰值衰减更显著,相同比例爆距的土压值明显减小,并由试验结果得到了底部有土垫层介质情况下混凝土板临界爆炸贯穿厚度计算公式。     

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。     

双材质复合射流对混凝土的侵彻

为了增大射流对混凝土靶板的开孔直径,并保证侵彻深度满足要求,在传统铜质药型罩与空气接触的一侧增加了铝质药型罩,这样在炸药爆炸驱动下形成内芯由高密度材料、外层由低密度材料组成的双材质复合射流,增大了射流直径。并根据双材质复合射流的侵彻特点,分析了侵彻过程中单质射流侵彻、双滞止点侵彻和单滞止点侵彻下的混凝土开孔直径。X射线实验显示:双材质复合射流成型形态良好,铝罩较厚时射流直径增大;在实验范围内,随着铝罩厚度的增加开孔直径有所增大,并且满足侵彻深度要求。对双材质复合射流的侵彻过程进行了理论计算,实验与计算孔形较好吻合。     

混凝土靶侵爆条件下破坏深度的模型实验研究

为研究混凝土靶侵彻后空腔对爆炸效应的影响,开展了450～700 m/s速度下混凝土靶体侵彻与爆炸模型实验。基于10组实验结果,结合量纲分析等方法,研究了侵彻结果对爆坑深度的影响。结果表明,可采用无量纲冲击系数表征侵彻深度、开坑体积以及侵彻损伤值等侵彻效应,不考虑装药长径比的影响,侵彻后爆炸带来的破坏深度增加量h_e主要受无量纲冲击系数I_p与爆炸系数I_e的影响。利用实验数据获得了长径比为5时h_e的影响规律:(1) I_p较小时,侵彻深度较小,I_e的变化对爆炸弹坑深度h_e变化影响较小;(2) 随着I_p的增加,h_e不断增加,但增加幅度逐渐变小,I_e对h_e的影响不断变大;(3)随着I_p增加到一定程度,h_e趋于常数,I_e对h_e的影响趋于稳定。     

弹体斜侵彻混凝土靶的实验研究及其数值模拟

以弹体斜侵彻混凝土的弹道特性为研究内容，通过侵彻实验与数值模拟得到了不同速度下的侵彻深度、开坑尺寸、偏转角等参数，实验结果与模拟结果吻合较好。研究结果表明:倾角对开坑深度和开坑形状影响很大；倾角越大，对侵彻深度和偏转角的影响越明显，弹体偏转角随着速度的增大呈现减小的趋势；当倾角增至一定角度后发生跳弹现象，据此得到跳弹极限角与倾角、侵彻速度的关系。     

超高韧性水泥基复合材料—纤维混凝土组合靶体抗两次打击试验研究

超高韧性水泥基复合材料（ultra high toughness cementitious composites, UHTCC）具有超高的韧性、良好的耐久性和优异的耗能效果,这些特性使得UHTCC在防护工程中具有广阔的应用前景。为了更好地研究UHTCC与纤维混凝土组合结构在二次打击条件下的抗侵彻性能,首先测量了UHTCC和聚乙烯醇纤维增强混凝土（polyvinl alcohol fiber reinforced concrete, FRC）的基本力学参数。然后采用25 mm口径的弹道滑膛炮对直径为750 mm、高为600 mm的圆柱形UHTCC靶体、FRC靶体、UHTCC-FRC组合靶体（UHTCC-FRC composite target）进行了弹体速度为550 m/s的二次侵彻试验,得到了弹体和三类靶体的破坏数据,包括弹体的侵彻深度、弹体的磨蚀、靶体迎弹面的开坑直径和面积、弹坑深度、迎弹面的裂纹数量以及裂纹最大宽度。在此基础上分析了骨料、结构形式和两次打击的间距对UHTCC-FRC组合靶体抗侵彻性能的影响。结果表明:相同试验条件下,与普通混凝土和超高性能混凝土相比,UHTCC能够有效的减小迎弹面的开坑直径,但会增加弹体侵彻深度;将50 mm的UHTCC置于组合靶的迎弹面可以有效地减少迎弹面的开坑直径;弹体二次侵彻深度大于弹体一次侵彻深度,靶体在二次冲击下的开坑面积小于靶体初次冲击下的开坑面积。