基于毀傷度的多層復合目標內爆毀傷評估

于繼來,焦志剛*,李帥孝,黃維平

(1.沈陽理工大學 裝備工程學院,遼寧 沈陽 110159；2.陸軍裝備部駐沈陽地區軍事代表局駐沈陽地區第二軍事代表室,遼寧沈陽 110004；3.遼沈工業集團有限公司,遼寧 沈陽 110045)

引言

機場跑道是典型多層復合目標,現代戰爭中,機場跑道是重要打擊目標,有效的破壞機場跑道就可達到封鎖敵方機場、奪取制空權并掌控戰爭主動權的目的[1]。

裝藥在結構內部爆炸產生的破壞是在結構表面爆炸產生的破壞的20 倍左右[2]。所以研究穿甲爆破彈侵徹合適的深度之后爆炸摧毀其內部結構成為研究焦點。

李國杰等人[3]對機場跑道進行侵徹和毀傷的理論計算,并且進行了數值模擬仿真與實驗數據對比；齊振偉[4]進行了隨進彈對機場跑道的毀傷研究。

本文采用毀傷度對不同延時彈丸在機場跑道內部爆炸毀傷分析。

1 復合目標內爆數值模擬

1.1 模型的建立

機場跑道為四層,第一層為加鋪層,厚度為100mm的高強度混凝土,第二層為400mm 厚的混凝土,第三層為500mm 厚的砂石層,第四層為土壤層,為了方便計算,半無限的厚土壤厚度設置為600mm。彈丸口徑122mm。在裝配彈靶模型時建立1/2 模型。

圖1 彈丸垂直侵徹1#機場跑道

1.2 材料模型及參數

炸藥選用B 炸藥,采用Liner 態方程以及JWL 模型。混凝土采用P-alpha 狀態方程,RHT Concrete 模型,混凝土材料參數,如表1、表2 所示,砂石與土壤的材料參數見表 3、表 4。

2 仿真結果分析

彈丸(戰斗部)在復合介質中爆炸是一個復雜的問題,本文研究彈丸著速400m/s,垂直侵徹機場跑道,接觸機場跑道后引信延時起爆,引信延時時間分別為0.1ms、0.2ms、0.3ms、0.4ms,其中爆炸作用時間設置 0.1ms。

表1 加鋪層混凝土主要材料參數

表2 第一層混凝土主要材料參數

表4 土壤材料參數

毀傷度是目標毀傷后,目標剛度減小的百分比。損傷可變標度從0(無損傷,剛度降低0%)到指定的最大剛度降低?？赡艿淖畲蠼档土繛?(完全損壞,降低100%的剛度)。剛度則是在宏觀彈性范圍內,零件荷載與位移成正比的比例系數,即引起單位位移所需的力。

毀傷度取值范圍[0,1],如圖5,毀傷度可分為十個等級,分別為 0～0.1、0.1～0.2、0.～0.3、0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～0.7、0.7～0.8、0.8～0.9、0.9～1.0,可以憑此劃分毀傷度界限,進而鑒定機場跑道的毀傷程度。毀傷程度可分為輕度、中度、重度、摧毀。

毀傷分析：

機場跑道仿真結果圖像處理如圖2。

通過圖2 分析,引信延時0.1ms 起爆,彈尾部在跑道上方,彈體一半侵入目標,彈丸此時速度為339m/s,炸藥爆炸為拋擲爆炸模式,大部分能量都作用在第一層加鋪層與第二層混凝土上,形成明顯漏斗坑,同時產生大量混凝土碎塊以及少許彈體破片拋出,以及出現層裂情況,砂石層極少部分破壞。通過毀傷度分析,其中完全毀傷的部分主要處在第一層與第二層,砂石層完全毀傷部分由彈頭沖擊造成,夯土層無毀傷。完全毀傷的部分外圍毀傷度不斷衰減,摧毀部分接近倒三角形狀。炸坑主要是由炸藥爆炸膨脹以及爆轟壓力的作用,第一層與第二層混凝土毀傷部分主要是彈丸沖擊,炸藥爆炸膨脹和爆轟壓力作用,爆炸后,混凝土層先產生徑向裂紋,緊接著產生環向裂紋,環向裂紋與徑向裂紋相互貫穿使混凝土結構遭到破壞,砂石層主要是由爆轟壓力毀傷。

圖2 不同時刻1#機場跑道毀傷情況

表5 不同延時時間起爆毀傷數據

引信延時0.2ms 起爆,彈丸已完全進入機場跑道內部,彈尾部運動至第一層與第二層交界處附近,彈丸速度為293m/s,爆炸后大部分能量作用在第二層上,形成接近U 形空腔,彈丸穿孔被撐開,產生的碎塊被順著彈丸的穿孔飛出,出現層裂情況,跑道出現“鼓包”現象。其中完全毀傷的部分處于第一、二、三層,摧毀部分接近正方形。摧毀部分周圍在爆炸沖擊的作用下毀傷度逐漸降低。第一、二層毀傷部分是由彈丸沖擊應力波以及爆炸膨脹爆轟壓力造成,第三層毀傷部分主要是由彈丸沖擊和爆轟壓力毀傷。

引信延時0.3ms 起爆,彈尾部運動到第二層中間位置,彈丸速度為267m/s,彈丸爆炸大部分能量作用在第三層砂石層,一二層混凝土抗壓強度較大,內部爆炸后,彈丸的穿孔沒有被撐開,應力波和爆炸產生的碎塊順著穿孔被排出去,出現層裂情況。完全毀傷的部分處于第一、二、三、四層,摧毀范圍較大。第一層摧毀部分是彈丸侵徹時所毀傷,第二層為侵徹和爆炸時毀傷,第三層是爆炸時膨脹與爆轟壓力毀傷,第四層為彈頭部受爆炸時壓力作用,使其加速沖擊所毀傷。與0.2ms 時刻相比,此時形成比較明顯的空腔且較大,能量損失較小,大部分作用在機場跑道上,第四層夯土層有輕微損傷。

引信延時0.4ms 起爆,彈尾部運動到第三層中間位置,彈頭部進入第四層,彈丸速度為109m/s,彈丸爆炸能量絕大部分作用在第三、四層,由于侵徹深度較深,受圍壓的作用,穿孔沒有撐開跡象,只有內部的碎塊被爆炸產生的爆轟壓力被排出去,能量基本沒有損失,全部作用在機場跑道內部,出現層裂情況。完全損壞的部分處于第一、二、三、四層,完全毀傷區域接近“葫蘆”狀,形成水滴狀空腔,與0.2ms、0.3ms 時刻相比,此時形成的空腔最大,第一、二層穿孔內壁受爆轟作用,造成毀傷。第三層受彈丸爆炸破片沖擊以及炸藥爆轟雙重作用,摧毀最為嚴重。第四層毀傷部分是由彈頭部沖擊、炸藥爆炸造成。

3 結束語

隨著引信延時時間增加,彈丸侵徹深度增加,完全毀傷的部分先增大后減小。0.1ms 起爆,爆炸形成的漏斗坑,比較容易修復,而0.2ms 起爆,加鋪層、混凝土層、砂石層有一半完全毀傷。0.3ms 起爆,混凝土層三分之一完全毀傷,砂石層一半完全毀傷。0.4ms 起爆,受介質圍壓的影響,完全毀傷的部分最小,砂石層完全毀傷部分不到一半。機場跑道內部結構在爆轟波、應力波、沖擊波作用下破壞,完全毀傷部分不容易修復。對于這種結構機場跑道,在第二層混凝土層起爆,毀傷效果最優。