混凝土房屋结构靶的超高速撞击特性研究

2014-03-29牛雯霞柯发伟梁世昌简和祥

实验流体力学 2014年2期

牛雯霞, 黄洁, 柯发伟, 梁世昌, 简和祥, 柳森

(中国空气动力研究与发展中心超高速所, 四川绵阳 621000)

0 引言

动能弹主要依靠弹体本身的动能毁伤目标，其主要打击目标之一是坚固混凝土结构目标。文献[1]采用数值手段研究了长杆弹在0.5～6.0km/s着靶速度下对半无限混凝土靶的侵彻毁伤，获得了侵彻深度、弹坑直径、冲击压力和弹坑容积随速度的变化规律。文献[2]研究发现，随着弹丸撞击速度增加，弹丸的侵彻深度增加，但撞击速度超过2.6km/s后，侵彻深度不再增加。文献[3]用柱状钢弹丸(Φ12mm×24mm)在1.5～3.7km/s范围内对混凝土靶板进行的撞击试验表明，弹丸撞击速度为2.5km/s左右时对混凝土靶板的破坏最大。

分析认为[2-5]，当撞击速度达到超高速后，动能弹的毁伤方式除了弹体贯穿目标带来的破坏以外，超高速撞击条件下产生的冲击波在混凝土内部传播，瞬间压力较大[6]，形成结构强度的破坏，其二次碎片的破坏作用也不容忽视[7]。针对动能弹的毁伤特点，着重研究弹体超高速撞击混凝土房屋结构靶后的毁伤情况和碎片特征。

1 研究条件

本试验研究对象为简化的模拟房屋结构的正六面体结构靶和单层靶，获得弹丸穿透正六面体结构靶顶层板和底层板的穿孔情况以及板后碎片云速度。

正六面体结构靶为房屋的模拟结构，靶壁厚度40mm，为普通建筑物混凝土墙厚度的1/5，结构靶边长600mm，厚度40mm；顶层板和底层板内部加筋(直径2.8mm铁丝，间距为50mm)，四面剪力墙中筋的间距为100mm×120mm；剪力墙相交处分别加三根直径为4mm的筋模拟受力柱(见图1(a))。作为对比，还设计了相同尺寸但四面剪力墙不加筋的正六面体结构靶。以上结构靶分别称为A靶和B靶，其抗压强度取35MPa。

(a) (b)

为了研究弹丸穿透房屋结构靶顶层板后的碎片速度，对板后的碎片云拍照，将结构靶简化为600mm600mm40mm的方形单层靶(见图1(b))。靶板分两种：一种不加筋，一种内部加筋(直径2.8mm铁丝，间距为50mm)。

试验弹丸为Φ8mm×40mm的钨合金棒(如图2所示)，质量约35g，撞击速度2.5km/s。

图2 弹丸照片

2 数值仿真

采用AUTODYN软件进行数值仿真。对于加筋单层靶，无法采用二维模型体现筋的存在，故其数值仿真应用AUTODYN-3D轴对称的方法建立三维结构模型；对无筋单层靶，为了节省计算时间，应用AUTODYN-2D 轴对称的方法建立二维结构模型。靶中的筋采用Lagrange方法；弹丸和混凝土的计算模型均采用SPH方法，SPH质点的光滑长度为1mm。弹丸采用Johnson-Cook本构模型和Mie-Gruneisen物态方程；混凝土选用的是RHT本构模型和P-α物态方程。材料模型数据来源于AUTODYN自带数据库。文献[2]通过与试验结果的比较验证了上述建立的计算模型对于混凝土超高速撞击研究的有效性，因此可以采用该计算模型。

2.1破坏特征

单层靶的仿真结果见图3(a)和图3(b)。弹丸以2.5km/s的速度撞击穿过单层靶后形成直径为73mm的弹孔，靶板本身没有发生解体或碎裂，有筋单层靶中筋的变形情况见图4，靠近弹孔的钢筋只是发生弯曲变形。总体来看，单层靶中使用筋对减轻靶体受到的撞击破坏作用不明显。

图3(c)为弹丸到达与穿过无筋结构靶底层板时的速度分布情况。弹体穿透两层靶板，仍以2km/s的速度飞行。结构体整体没有发生破坏。

2.2结构体数值仿真

由图3可知，弹丸穿过一层板后的速度最大值为2.3km/s，到达底层板的碎片最大速度为2.0km/s，此时周围碎片速度范围为1.6～2.0km/s；穿过底层板后的弹丸速度为2.1km/s，底层板的穿孔直径为70mm左右。为了获得弹丸撞击穿透混凝土房屋结构顶层板后的碎片对混凝土房屋内人员的损伤情况，统计了不同动能的碎片在底层板上的空间分布，如图5所示。根据人员的杀伤概率PK/H(受伤失能达到1天以上)采用F.Allen计算公式[8]：

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

式中：m为碎片质量，单位为格令(1格令=6.479891×10-5kg)；V为碎片速度，单位为ft/s(1ft=0.3048m)。底层板上人员被杀伤的概率分布见图6。

弹丸撞击顶层板后形成的碎片扩张角示意图见图7，图中θ1表示碎片的最大扩张角，θ2表示对房屋内人员具有较强杀伤效果碎片的扩张角。当碎片对人员的杀伤概率超过0.5，认为碎片具有较强的杀伤效果。由图5和6可知，碎片在底层板上的分布范围近似为半径3.6m的圆形区域；而对人员具有较强杀伤效果的碎片的分布范围近似为半径1.3m的圆形区域，该区域直径大于弹丸在底层板的穿孔直径0.4m。根据数值仿真结果，θ1、θ2分别为49°和23°。

图3 数值仿真得到的速度分布云图

图4 单层靶中筋的变形情况

图5 底层板上碎片动能的空间分布

图6 底层板上人员被杀伤的概率分布图

图7 碎片扩张角度示意图

3 试验及结果

制作的结构靶实测抗压强度34.4MPa，在气动中心超高速所的碰撞靶上进行试验。碰撞靶发射器为Φ25mm口径的二级轻气炮，最高发射速度为6.5km/s，靶上配备了测速系统以及序列激光阴影成像系统，如图8所示。

图8 靶室及阴影照相系统

试验过程为由二级轻气炮发射弹丸以超高速撞击靶板或结构靶，形成的碎片由靶板或结构靶后面的截弹靶阻挡，截弹靶为混凝土圆柱体。测量的参数有弹丸着靶前速度、撞击后的弹孔、碎片云速度等。其中由测速系统测量获得弹丸的着靶速度；采用八序列阴影照相系统对板后飞行的弹丸及碎片进行拍照，根据两幅照片之间的时间间隔及碎片云前端的距离间隔计算碎片云速度，碎片云的照相示意图如图9所示。

图9 正六面体结构靶碎片云照相示意图

3.1碎片云特性

图10为加筋的单层靶和弹丸的碎片云在不同时刻的阴影照片，以获得的第一张照片作为0时刻。根据两幅照片之间的时间间隔及碎片云前端距离，计算得到碎片云前端的速度，如表1所示。撞击加筋单层靶形成的碎片最大平均速度为2.25km/s，此时碎片云的位置大约距离混凝土板350mm左右；而撞击无筋单层靶形成的碎片最大速度为1.89km/s左右，此时碎片云已到达距离混凝土板550mm的位置。

综合试验和计算结果得到，经过单层板撞击后的碎片云速度在2.0～2.3km/s范围内，这同时意味着弹丸经过撞击单层板后的速度降到2.0～2.3km/s范围内。

3.2靶材损伤特性

靶材的撞击损伤参数如表2所示。弹丸以2.51km/s的速度撞击加筋的单层靶时，靶板被穿透，穿孔直径70mm。靶板损伤照片如图11所示，冲击波的作用造成靶板的损伤面积大于弹丸在靶板上的穿孔直径。弹体及碎片飞行600mm后撞击到截弹靶上，形成直径460mm的漏斗形坑，坑深223mm，说明弹丸穿透单层靶后没有完全破碎，它与碎片共同撞击到截弹靶上，造成二次破坏。

弹丸以2.57km/s的速度撞击无筋单层靶时，靶板被穿透，穿孔直径68mm，截弹靶上的成坑直径和深度均比加筋单层靶情况下小，这可能是由于撞击速度大于2.5km/s时弹丸的径向毁伤能力降低[3]造成的。

正六面体结构的A靶和B靶的撞击损伤如图12所示。由图可知：弹丸以2.52km/s的速度撞击A靶、以2.55km/s的速度撞击B靶，A靶和B靶均没有发生解体破坏。A靶和B靶的顶层板和底层板均被击穿，对应板的穿孔大小相近，且底层板孔径均比顶层板孔径大20mm左右。

t=0μst=15μst=30μst=45μst=60μs

图10 加筋单层靶撞击后的碎片照片

Fig.10Shadowphotographsoffragmentofmonolayertargetwithwire

表1 碎片云前端速度

表2 撞击后的靶材损伤情况

图11 有筋单层靶(左,V=2.51km/s)与无筋单层靶(右V=2.57km/s)撞击损伤的对比

结构靶整体 A靶(V=2.52km/s) B靶(V=2.55km/s)

以上现象说明结构靶的四面剪力墙加筋对结构靶受到的撞击破坏没有明显影响。另外弹丸穿透结构靶底层板形成碎片的平均速度分别为2.07km/s和2.02km/s(见表2)，此速度为距离结构靶底层板600mm范围内的碎片云平均速度。图13给出了底层板上碎片云形成的小坑，平均深度7mm，此为速度1.6km/s左右的混凝土碎块撞击形成的破坏。

图13 撞击后的结构靶底层板正面(左-A靶；右-B靶)

比较A靶和B靶的损伤情况可知：弹丸撞击A靶顶层板后形成了较多的碎片且速度较高，在底层板上形成了较多的小坑；弹丸撞击B靶顶层板和底层板后仍然没有明显破碎，导致其后的截弹靶有较大的破坏。从二者的碎片云形貌也可以看出(图14)，A靶碎片云头部速度差别不大，而B靶碎片云头部比较尖，说明速度集中于中心部位。造成这种现象的原因还有待进一步研究。

图14 结构靶内部的碎片云(左-A靶；右-B靶)

4 小结

通过仿真和试验两种方式研究了房屋结构靶受超高速钨合金弹丸撞击后的破坏特点及碎片云特性，研究表明：

(1) 在开展的试验条件下，房屋形结构靶的顶层板和底层板被穿透，结构靶未发生解体破坏；靶体中加筋对靶体的穿孔大小及结构破坏没有明显的降低作用；

(2) 弹丸超高速撞击混凝土靶板的过程中，冲击波的作用造成靶板的损伤面积大于弹丸在靶板上的穿孔直径；速度2.5km/s的弹丸经过撞击40mm厚混凝土板后的速度降到2.0～2.3km/s范围内；

(3) 弹丸超高速撞击混凝土房屋结构顶层板形成的碎片云速度较高，部分碎片对人员具有较强的杀伤效果，该部分碎片的扩张角为23°，在底层板的分布范围直径大于底层板的穿孔直径。

初步分析了弹丸穿靶后产生的碎片对混凝土房屋结构人员的杀伤效果，该研究为动能武器毁伤的易损性分析提供了具体数据。在下一步工作中将研究混凝土房屋结构内不同设备的损伤特性。超高速撞击冲击波对混凝土具有冲击破坏作用，该破坏作用不能从混凝土靶的外部损伤情况直接判断，将在下一步的工作中对混凝土靶受到的冲击损伤进行深入研究。

参考文献:

[1]柳森, 黄洁, 李毅. 速度对长杆弹侵彻混凝土的影响研究[C]. 第十一届弹药战斗部学术交流会, 2009.

Liu Sen, Huang Jie, Li Yi. The influence of velocity of long rod penetration concrete research[C]. The 11th Academic Communication on Ammunition/Warhead, 2009

[2]牛雯霞, 黄洁, 简和祥, 等. 混凝土靶超高速侵深极值现象的初步分析[C]. 反深层/多层坚固目标高效毁伤技术专题学术研讨会, 2010.

Niu Wenxia, Huang Jie, Jian Hexiang, et al. The preliminary analysis about the depth extreme value of hypervelocity penetrating concrete target[C]. Efficient Damage Technology Symposium on Anti-depth/Multi Robust Target, 2010.

[3]柳森, 黄洁, 简和祥, 等. 混凝土靶板超高速撞击试验与数值仿真研究[C]. 第十一届弹药战斗部学术交流会, 2009.

Liu Sen, Huang Jie, Jian Hexiang, et al. Experiment and numerical simulation of hypervelocity impact concrete target[C]. The 11th Academic Communication on Ammunition/Warhead, 2009

[4]牛雯霞, 黄洁, 简和祥. 超高速弹丸撞击混凝土厚靶的侵彻规律初探[C]. 第十一届弹药战斗部学术交流会, 2009.

Niu Wenxia, Huang Jie, Jian Hhexiang. Study of penetration regularity of projectile hypervelocity impacting thick concrete target[C]. The 11th Academic Communication on Ammunition/Warhead, 2009

[5]黄洁, 牛雯霞, 简和祥. 超高速分段弹丸对提高混凝土侵彻深度研究[C]. 反深层/多层坚固目标高效毁伤技术专题学术研讨会, 2010.

Huang Jie, Niu Wenxia, Jian Hexiang. Research on improving

penetration depth of hypervelocity segmented projectile to concrete target. Efficient Damage Technology Symposium on Anti-depth/Multi Robust Target, 2010.

[6]牛雯霞, 黄洁, 罗锦阳. 超高速撞击混凝土冲击压力测量与分析[C]. 第九届全国冲击动力学学术会议, 2009.

Niu Wenxia, Huang Jie, Luo Jinyang. Measurement and analysis of shock pressure of hypervelocity impacting concrete target. The 9th National Conference on Impact Dynamics, 2009

[7]柳森, 牛雯霞, 陈鸿, 等. 混凝土类目标超高速撞击毁伤模式初步研究[C]. 反深层/多层坚固目标高效毁伤技术专题学术研讨会, 2010.

Liu Sen, Niu Wenxia, Chen Hong. Preliminary study of hypervelocity impact damage model for concrete targets[C]. Efficient damage technology Symposium on anti-depth/multi robust target, 2010.

[8]美国陆军装备部编著. 终点弹道学原理[M]. 王维和, 李惠昌译. 北京: 国防工业出版社, 1988.

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

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