混凝土靶開坑效果研究范文

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現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的防御工事多采用混凝土作為防護(hù)材料，因此針對混凝土目標(biāo)的侵徹研究成為武器研究部門關(guān)注的熱點(diǎn)［1］。從許多侵徹混凝土靶的實(shí)驗(yàn)中均可看到，在混凝土靶受到?jīng)_擊時(shí)，靶板迎彈面有大塊的混凝土剝落，形成近似錐形坑。不論是半無限厚混凝土靶還是有限厚混凝土靶，受彈丸沖擊時(shí)靶面成坑是整個(gè)侵徹過程的初始階段，其反映了侵徹和防護(hù)的相當(dāng)一部分能力，混凝土靶面的開坑效果直接影響靶板最終的侵徹效果。彈尖的形狀使彈靶接觸面不斷增大，所以動能彈侵徹混凝土靶形成錐形坑。侵徹過程中彈尖周圍的靶體材料產(chǎn)生擠壓,當(dāng)擠壓過程產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力大于靶體材料的抗剪強(qiáng)度時(shí)，靶體材料就產(chǎn)生了剝落，應(yīng)力越大，產(chǎn)生的剝落塊就越大。當(dāng)彈頭全部進(jìn)入靶體后，就不再產(chǎn)生靶面剝落。傳統(tǒng)的動能彈在混凝土靶的開坑階段彈靶接觸瞬間，由于碰撞產(chǎn)生了很高的應(yīng)力，動能彈彈頭部開始發(fā)生變形，并逐漸出現(xiàn)質(zhì)量的侵蝕，產(chǎn)生擠壓靶體材料的側(cè)向應(yīng)力逐漸減小，剝落塊隨之變小，因此開坑范圍較小，并且彈頭部的變形和質(zhì)量侵蝕使彈頭部變鈍，進(jìn)一步加劇彈頭部的磨蝕，增加侵徹的阻力，從而影響最終的毀傷效果。作者從毀傷機(jī)理入手，提出將Tc作為彈頭材料，在14.5mm穿甲燃燒彈的基礎(chǔ)上對彈丸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種Tc復(fù)合彈結(jié)構(gòu)，利用Tc材料硬度高、磨蝕性能良好的特性，在攻堅(jiān)彈高速沖擊混凝土目標(biāo)時(shí)，Tc彈頭沖擊混凝土形成開坑，過程中伴隨著Tc與混凝土之間的相互磨蝕，形成更深、破壞范圍更大的開坑，即所謂的前期沖擊、開坑，為后續(xù)彈芯的繼續(xù)侵徹開辟通道，達(dá)到更高的毀傷效果。

1材料特性分析

純金屬材料或合金材料的化學(xué)鍵大都是金屬鍵，沒有方向性，因此金屬有很好的塑性變形性能。而Tc材料的化學(xué)鍵大都為共價(jià)鍵和離子鍵，鍵合牢固并有很強(qiáng)的方向性，同一般的金屬相比，其晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜且表面能小。由于結(jié)合鍵的不同，金屬和Tc材料的性質(zhì)差異極大，Tc的熔點(diǎn)和硬度可能比同種元素的金屬提高幾倍到十幾倍，所以，Tc具有高硬度、耐磨損、高熔點(diǎn)、耐腐蝕和耐熱性等優(yōu)于金屬材料的基本屬性。圖1為試驗(yàn)用Tc彈頭。

2Tc復(fù)合彈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以14.5mm槍彈為基型彈，在全彈外形尺寸限制不變的條件下，以滿足膛內(nèi)發(fā)射強(qiáng)度為前提，設(shè)計(jì)一種Tc復(fù)合彈結(jié)構(gòu)。Tc復(fù)合彈外形與現(xiàn)有制式彈基本一致。全彈（圖2）由Tc彈頭、金屬彈芯、銅殼組成，其外徑小于炮膛陽線尺寸，發(fā)射時(shí)彈頭不與炮膛發(fā)生擠壓、磨擦，不會對炮管造成磨損以保證身管使用壽命；金屬彈芯、銅殼等均采用制式產(chǎn)品。

3Tc復(fù)合彈與制式彈侵徹混凝土靶試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)彈和混凝土靶試驗(yàn)彈為14.5mm制式穿甲燃燒彈和兩發(fā)Tc復(fù)合彈（圖3）（記為Tc復(fù)合彈Ⅰ、Ⅱ）。靶體為1500mm×1500mm×500mm混凝土靶，強(qiáng)度為C30。試驗(yàn)場地布置，如圖4所示。

3.2結(jié)果與分析

3.2.1數(shù)據(jù)記錄Tc復(fù)合彈和制式彈對1500mm×1500mm×500mm混凝土沖擊試驗(yàn)，在彈丸初速為500m/s左右時(shí)靶板形成漏斗坑，彈芯均嵌入靶體。制式彈穿深為373.4mm，開坑深為60mm，靶板表面破損體積為470mm3；Tc復(fù)合彈Ⅰ穿深為420.6mm，開坑深為84.3mm，靶板表面破損體積為1560mm3；Tc復(fù)合彈Ⅱ穿深為437.2mm，開坑深為81.7mm，靶板表面破損體積為1710mm3（圖5）。

3.2.2結(jié)果分析試驗(yàn)彈丸初速達(dá)到500m/s時(shí)，14.5mm制式穿燃彈彈尖與靶面接觸瞬間，在彈靶界面處產(chǎn)生很強(qiáng)的應(yīng)力，應(yīng)力波在彈丸和靶板內(nèi)傳播，碰撞點(diǎn)處的應(yīng)力最高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出靶板的極限抗壓強(qiáng)度，此處靶板材料被沖擊壓力破壞的部分成為粉末狀。彈著點(diǎn)附近與混凝土靶面平行的混凝土微裂縫和微空隙由于壓應(yīng)力的作用而被壓縮，另外，與靶面不平行的裂縫也會由于彈對靶的壓力作用而擴(kuò)展。由于混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度低，隨著彈尖向靶內(nèi)運(yùn)動，彈對靶的壓力逐漸大于混凝土材料的抗壓強(qiáng)度，彈尖與靶的接觸面積也逐漸增大。在這種情況下，彈尖下面應(yīng)力集中區(qū)不僅有向下延伸的周向裂紋，還出現(xiàn)放射狀的徑向裂紋。周向裂紋與徑向裂紋相互交錯(cuò)，形成球狀的粉碎核。壓力增大到最大值時(shí)，徑向裂紋擴(kuò)展至混凝土靶面，由周向裂紋和徑向裂紋交錯(cuò)形成的混凝土碎塊從靶體中分離出來，這時(shí)粉碎核內(nèi)儲存的大量能量被釋放，推動較小的碎塊以很高的速度飛散，最后形成深為60mm、靶板表面破損體積為470mm3、近似于錐形的彈坑。14.5mm的Tc復(fù)合彈開坑過程與制式彈類似，但不同的是，由于Tc彈頭的高硬度、高磨蝕度及對變形的高度敏感性，并且發(fā)生沖擊壓縮損傷的閥值應(yīng)力遠(yuǎn)大于混凝土，因此在開坑過程中，隨著彈尖向靶內(nèi)運(yùn)動，靶體材料一直向兩邊擠壓，過程中伴隨Tc彈頭的質(zhì)量磨蝕，直至達(dá)到Tc彈頭的破壞應(yīng)力后仍有一個(gè)滯后時(shí)間，Tc彈頭才發(fā)生碎裂，Tc彈頭對混凝土起到前期開坑擴(kuò)孔的作用，為后續(xù)的金屬彈芯開辟通道，減小彈芯的質(zhì)量磨損，從而在一定程度上保護(hù)金屬彈芯，達(dá)到了更高的毀傷效果。制式彈在開坑過程中由于金屬彈頭發(fā)生塑性變形，因此形成彈坑的直徑小于Tc復(fù)合彈，在開坑的深度上，Tc彈頭利用其高磨蝕度的特點(diǎn)對縱向靶體材料不斷磨蝕，直至破壞碎裂。而制式彈由于發(fā)生壓縮變形，故開坑深度不如Tc復(fù)合彈，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，Tc復(fù)合彈對C30混凝土的開坑深度較制式彈高30％左右，成坑容積為制式彈的3.6倍，穿深略高于制式彈。

4動能彈對混凝土靶的數(shù)值模擬

利用TrueGrid軟件對動能彈和混凝土靶進(jìn)行前處理劃分網(wǎng)格，用LS-DYNA軟件對動能彈侵徹混凝土靶的過程進(jìn)行數(shù)值模擬。

4.1材料模型與參數(shù)模型采用8節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元，制式彈鋼芯用MAT_JOHNSON_COOK材料模型、EO混凝土用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE模型和MAT_ADD_EROSION失效準(zhǔn)則描述，彈丸侵徹目標(biāo)靶板及彈體部件間的接觸類用S_GRUNEISEN狀態(tài)方程描述，Tc彈頭用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CE⁃RAMICS材料模型，材料參數(shù)見表1。包含侵蝕面面接觸CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE及自動面面接觸CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE［8］，模型（圖6）用cm-g-μs單位制。

4.2數(shù)值模擬結(jié)果及分析用動力分析軟件LS-DYNA對彈體初速v0=500m/s垂直侵徹混凝土靶板進(jìn)行數(shù)值模擬，兩種彈丸侵徹混凝土靶板過程的對比,如圖7、8所示。左邊為制式彈，右邊為Tc復(fù)合彈。圖7測定在100μs時(shí)，制式彈開坑深為45.5mm，Tc復(fù)合彈開坑深為60.2mm。圖8測定制式彈所沖擊靶板的表面破損最長為66.2mm，Tc復(fù)合彈所沖擊靶板的表面破損最長為100.5mm。從表2可以看出，試驗(yàn)的兩發(fā)Tc復(fù)合彈結(jié)果相近，試驗(yàn)與仿真誤差低于15%；在開坑方面，Tc復(fù)合彈開坑深度較制式彈高30%左右，Tc復(fù)合彈開坑體積約為制式彈的3.5倍左右；在穿深方面，Tc復(fù)合彈略高于制式彈，基本與仿真結(jié)果吻合。圖9中曲線A為制式彈速度時(shí)程曲線，曲線B為Tc復(fù)合彈速度時(shí)程曲線。圖10中曲線C為Tc復(fù)合彈質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線，曲線D為制式彈質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線，t為時(shí)間，v為彈體速度，m為彈體質(zhì)量。結(jié)合圖9、10，從彈體余速和彈體質(zhì)量磨蝕兩個(gè)角度對開坑過程進(jìn)行分析。t=5.9μs時(shí)，彈丸開始侵徹靶板，在撞擊表面產(chǎn)生較強(qiáng)的壓縮波（撞擊后幾微秒內(nèi)），使彈丸和混凝土內(nèi)部的壓應(yīng)力迅速擴(kuò)張，Tc彈頭開始磨蝕，制式彈頭開始變形，并逐漸出現(xiàn)卷邊現(xiàn)象。t=45.9μs時(shí)，出現(xiàn)明顯的成坑現(xiàn)象，此時(shí)制式彈外面的銅皮逐步脫離鋼芯，由鋼芯繼續(xù)侵徹，制式鋼芯受到壓縮應(yīng)力的作用開始磨蝕，產(chǎn)生較少的混凝土碎粒，阻礙了鋼芯的侵徹，動能減小。由于Tc材料具有硬度高的特點(diǎn)，在侵徹初期瞬間對混凝土靶進(jìn)行沖擊，產(chǎn)生較多的混凝土碎粒，動能較大。t=65.9μs時(shí)，Tc彈頭與制式鋼芯繼續(xù)磨蝕，制式鋼芯在擠壓混凝土材料的同時(shí)，與之發(fā)生摩擦，產(chǎn)生高溫高壓，使鋼芯頭部變形或者變鈍，增加侵徹阻力，加速了鋼芯頭部的磨蝕，而Tc彈頭具有較高的磨蝕度，因此質(zhì)量損失較少，阻力較小，速度較大。t=100μs時(shí)，靶板開坑已基本形成，Tc彈頭磨蝕殆盡，鋼芯繼續(xù)侵徹。

5結(jié)論

1）Tc復(fù)合彈對C30混凝土靶的開坑效果優(yōu)于制式彈。2）Tc復(fù)合彈通過高強(qiáng)度Tc彈頭對混凝土靶的沖擊和磨蝕，起到前期開坑擴(kuò)孔的作用，在一定程度上保護(hù)鋼芯的完整性，為后續(xù)鋼芯的繼續(xù)侵徹開辟了通道。

作者：芮亮 王堅(jiān)茹 陳智剛 李鴿 霍奕宇 單位：中北大學(xué) 地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室 中國兵器工業(yè) 第208研究所