混凝土房屋結構靶的超高速撞擊特性研究

牛雯霞, 黃 潔, 柯發偉, 梁世昌, 簡和祥, 柳 森

(中國空氣動力研究與發展中心超高速所, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

動能彈主要依靠彈體本身的動能毀傷目標，其主要打擊目標之一是堅固混凝土結構目標。文獻[1]采用數值手段研究了長桿彈在0.5～6.0km/s著靶速度下對半無限混凝土靶的侵徹毀傷，獲得了侵徹深度、彈坑直徑、沖擊壓力和彈坑容積隨速度的變化規律。文獻[2]研究發現，隨著彈丸撞擊速度增加，彈丸的侵徹深度增加，但撞擊速度超過2.6km/s后，侵徹深度不再增加。文獻[3]用柱狀鋼彈丸(Φ12mm×24mm)在1.5～3.7km/s范圍內對混凝土靶板進行的撞擊試驗表明，彈丸撞擊速度為2.5km/s左右時對混凝土靶板的破壞最大。

分析認為[2-5]，當撞擊速度達到超高速后，動能彈的毀傷方式除了彈體貫穿目標帶來的破壞以外，超高速撞擊條件下產生的沖擊波在混凝土內部傳播，瞬間壓力較大[6]，形成結構強度的破壞，其二次碎片的破壞作用也不容忽視[7]。針對動能彈的毀傷特點，著重研究彈體超高速撞擊混凝土房屋結構靶后的毀傷情況和碎片特征。

1 研究條件

本試驗研究對象為簡化的模擬房屋結構的正六面體結構靶和單層靶，獲得彈丸穿透正六面體結構靶頂層板和底層板的穿孔情況以及板后碎片云速度。

正六面體結構靶為房屋的模擬結構，靶壁厚度40mm，為普通建筑物混凝土墻厚度的1/5，結構靶邊長600mm，厚度40mm；頂層板和底層板內部加筋(直徑2.8mm鐵絲，間距為50mm)，四面剪力墻中筋的間距為100mm×120mm；剪力墻相交處分別加三根直徑為4mm的筋模擬受力柱(見圖1(a))。作為對比，還設計了相同尺寸但四面剪力墻不加筋的正六面體結構靶。以上結構靶分別稱為A靶和B靶，其抗壓強度取35MPa。

(a) (b)

為了研究彈丸穿透房屋結構靶頂層板后的碎片速度，對板后的碎片云拍照，將結構靶簡化為600mm600mm40mm的方形單層靶(見圖1(b))。靶板分兩種：一種不加筋，一種內部加筋(直徑2.8mm鐵絲，間距為50mm)。

試驗彈丸為Φ8mm×40mm的鎢合金棒(如圖2所示)，質量約35g，撞擊速度2.5km/s。

圖2 彈丸照片

2 數值仿真

采用AUTODYN軟件進行數值仿真。對于加筋單層靶，無法采用二維模型體現筋的存在，故其數值仿真應用AUTODYN-3D軸對稱的方法建立三維結構模型；對無筋單層靶，為了節省計算時間，應用AUTODYN-2D 軸對稱的方法建立二維結構模型。靶中的筋采用Lagrange方法；彈丸和混凝土的計算模型均采用SPH方法，SPH質點的光滑長度為1mm。彈丸采用Johnson-Cook本構模型和Mie-Gruneisen物態方程；混凝土選用的是RHT本構模型和P-α物態方程。材料模型數據來源于AUTODYN自帶數據庫。文獻[2]通過與試驗結果的比較驗證了上述建立的計算模型對于混凝土超高速撞擊研究的有效性，因此可以采用該計算模型。

2.1破壞特征

單層靶的仿真結果見圖3(a)和圖3(b)。彈丸以2.5km/s的速度撞擊穿過單層靶后形成直徑為73mm的彈孔，靶板本身沒有發生解體或碎裂，有筋單層靶中筋的變形情況見圖4，靠近彈孔的鋼筋只是發生彎曲變形。總體來看，單層靶中使用筋對減輕靶體受到的撞擊破壞作用不明顯。

圖3(c)為彈丸到達與穿過無筋結構靶底層板時的速度分布情況。彈體穿透兩層靶板，仍以2km/s的速度飛行。結構體整體沒有發生破壞。

2.2結構體數值仿真

由圖3可知，彈丸穿過一層板后的速度最大值為2.3km/s，到達底層板的碎片最大速度為2.0km/s，此時周圍碎片速度范圍為1.6～2.0km/s；穿過底層板后的彈丸速度為2.1km/s，底層板的穿孔直徑為70mm左右。為了獲得彈丸撞擊穿透混凝土房屋結構頂層板后的碎片對混凝土房屋內人員的損傷情況，統計了不同動能的碎片在底層板上的空間分布，如圖5所示。根據人員的殺傷概率PK/H(受傷失能達到1天以上)采用F.Allen計算公式[8]：

PK/H=1-e-2.1973×10-3(mV3/2-29000)0.4435

式中：m為碎片質量，單位為格令(1格令=6.479891×10-5kg)；V為碎片速度，單位為ft/s(1ft=0.3048m)。底層板上人員被殺傷的概率分布見圖6。

彈丸撞擊頂層板后形成的碎片擴張角示意圖見圖7，圖中θ1表示碎片的最大擴張角，θ2表示對房屋內人員具有較強殺傷效果碎片的擴張角。當碎片對人員的殺傷概率超過0.5，認為碎片具有較強的殺傷效果。由圖5和6可知，碎片在底層板上的分布范圍近似為半徑3.6m的圓形區域；而對人員具有較強殺傷效果的碎片的分布范圍近似為半徑1.3m的圓形區域，該區域直徑大于彈丸在底層板的穿孔直徑0.4m。根據數值仿真結果，θ1、θ2分別為49°和23°。

圖3 數值仿真得到的速度分布云圖

圖4 單層靶中筋的變形情況

圖5 底層板上碎片動能的空間分布

圖6 底層板上人員被殺傷的概率分布圖

圖7 碎片擴張角度示意圖

3 試驗及結果

制作的結構靶實測抗壓強度34.4MPa，在氣動中心超高速所的碰撞靶上進行試驗。碰撞靶發射器為Φ25mm口徑的二級輕氣炮，最高發射速度為6.5km/s，靶上配備了測速系統以及序列激光陰影成像系統，如圖8所示。

圖8 靶室及陰影照相系統

試驗過程為由二級輕氣炮發射彈丸以超高速撞擊靶板或結構靶，形成的碎片由靶板或結構靶后面的截彈靶阻擋，截彈靶為混凝土圓柱體。測量的參數有彈丸著靶前速度、撞擊后的彈孔、碎片云速度等。其中由測速系統測量獲得彈丸的著靶速度；采用八序列陰影照相系統對板后飛行的彈丸及碎片進行拍照，根據兩幅照片之間的時間間隔及碎片云前端的距離間隔計算碎片云速度，碎片云的照相示意圖如圖9所示。

圖9 正六面體結構靶碎片云照相示意圖

3.1碎片云特性

圖10為加筋的單層靶和彈丸的碎片云在不同時刻的陰影照片，以獲得的第一張照片作為0時刻。根據兩幅照片之間的時間間隔及碎片云前端距離，計算得到碎片云前端的速度，如表1所示。撞擊加筋單層靶形成的碎片最大平均速度為2.25km/s，此時碎片云的位置大約距離混凝土板350mm左右；而撞擊無筋單層靶形成的碎片最大速度為1.89km/s左右，此時碎片云已到達距離混凝土板550mm的位置。

綜合試驗和計算結果得到，經過單層板撞擊后的碎片云速度在2.0～2.3km/s范圍內，這同時意味著彈丸經過撞擊單層板后的速度降到2.0～2.3km/s范圍內。

3.2靶材損傷特性

靶材的撞擊損傷參數如表2所示。彈丸以2.51km/s的速度撞擊加筋的單層靶時，靶板被穿透，穿孔直徑70mm。靶板損傷照片如圖11所示，沖擊波的作用造成靶板的損傷面積大于彈丸在靶板上的穿孔直徑。彈體及碎片飛行600mm后撞擊到截彈靶上，形成直徑460mm的漏斗形坑，坑深223mm，說明彈丸穿透單層靶后沒有完全破碎，它與碎片共同撞擊到截彈靶上，造成二次破壞。

彈丸以2.57km/s的速度撞擊無筋單層靶時，靶板被穿透，穿孔直徑68mm，截彈靶上的成坑直徑和深度均比加筋單層靶情況下小，這可能是由于撞擊速度大于2.5km/s時彈丸的徑向毀傷能力降低[3]造成的。

正六面體結構的A靶和B靶的撞擊損傷如圖12所示。由圖可知：彈丸以2.52km/s的速度撞擊A靶、以2.55km/s的速度撞擊B靶，A靶和B靶均沒有發生解體破壞。A靶和B靶的頂層板和底層板均被擊穿，對應板的穿孔大小相近，且底層板孔徑均比頂層板孔徑大20mm左右。

t=0μst=15μst=30μst=45μst=60μs

圖10 加筋單層靶撞擊后的碎片照片

Fig.10Shadowphotographsoffragmentofmonolayertargetwithwire

表1 碎片云前端速度

表2 撞擊后的靶材損傷情況

圖11 有筋單層靶(左,V=2.51km/s)與無筋單層靶(右V=2.57km/s)撞擊損傷的對比

結構靶整體 A靶(V=2.52km/s) B靶(V=2.55km/s)

以上現象說明結構靶的四面剪力墻加筋對結構靶受到的撞擊破壞沒有明顯影響。另外彈丸穿透結構靶底層板形成碎片的平均速度分別為2.07km/s和2.02km/s(見表2)，此速度為距離結構靶底層板600mm范圍內的碎片云平均速度。圖13給出了底層板上碎片云形成的小坑，平均深度7mm，此為速度1.6km/s左右的混凝土碎塊撞擊形成的破壞。

圖13 撞擊后的結構靶底層板正面(左-A靶；右-B靶)

比較A靶和B靶的損傷情況可知：彈丸撞擊A靶頂層板后形成了較多的碎片且速度較高，在底層板上形成了較多的小坑；彈丸撞擊B靶頂層板和底層板后仍然沒有明顯破碎，導致其后的截彈靶有較大的破壞。從二者的碎片云形貌也可以看出(圖14)，A靶碎片云頭部速度差別不大，而B靶碎片云頭部比較尖，說明速度集中于中心部位。造成這種現象的原因還有待進一步研究。

圖14 結構靶內部的碎片云(左-A靶；右-B靶)

4 小 結

通過仿真和試驗兩種方式研究了房屋結構靶受超高速鎢合金彈丸撞擊后的破壞特點及碎片云特性，研究表明：

(1) 在開展的試驗條件下，房屋形結構靶的頂層板和底層板被穿透，結構靶未發生解體破壞；靶體中加筋對靶體的穿孔大小及結構破壞沒有明顯的降低作用；

(2) 彈丸超高速撞擊混凝土靶板的過程中，沖擊波的作用造成靶板的損傷面積大于彈丸在靶板上的穿孔直徑；速度2.5km/s的彈丸經過撞擊40mm厚混凝土板后的速度降到2.0～2.3km/s范圍內；

(3) 彈丸超高速撞擊混凝土房屋結構頂層板形成的碎片云速度較高，部分碎片對人員具有較強的殺傷效果，該部分碎片的擴張角為23°，在底層板的分布范圍直徑大于底層板的穿孔直徑。

初步分析了彈丸穿靶后產生的碎片對混凝土房屋結構人員的殺傷效果，該研究為動能武器毀傷的易損性分析提供了具體數據。在下一步工作中將研究混凝土房屋結構內不同設備的損傷特性。超高速撞擊沖擊波對混凝土具有沖擊破壞作用，該破壞作用不能從混凝土靶的外部損傷情況直接判斷，將在下一步的工作中對混凝土靶受到的沖擊損傷進行深入研究。

參考文獻:

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[8]美國陸軍裝備部編著. 終點彈道學原理[M]. 王維和, 李惠昌譯. 北京: 國防工業出版社, 1988.

U. S. Army Armament Department. Terminal ballistics principle[M]. Translated by Wang Weihe, Li Huichang. Beijing: National Defence Industry Press, 1988.

作者簡介:

牛雯霞(1975-)，女，山東日照人，碩士，助理研究員。研究方向：超高速碰撞試驗與理論研究。通訊地址：四川省綿陽市中國空氣動力研究與發展中心(621000)。E-mail：niuniuniu2008@126.com