药型罩材料对射流侵彻高强度混凝土影响研究*

张晓伟，肖强强，黄正祥，祖旭东，贾 鑫，马 彬

(南京理工大学机械工程学院， 南京 210094)

0 引言

具有抗压强度、耐久性、断裂韧性等优异特性的高强度混凝土不断应用于工程防护，为了有效毁伤高强度混凝土，学者们进行了研究：Elshenawy[1]对高压下射流侵彻混凝土的研究表明随着强度的增加聚能射流的侵彻深度呈线性下降；Resnyansky[2]针对射流侵彻C40和C200混凝土的试验表明C200混凝土表面几乎无崩落且侵彻深度减小22%；Zhu等[3]研究发现混凝土强度从100 MPa提高到400 MPa时，射流侵彻深度呈指数级下降，且200 MPa之后趋于极限，而孔径仅变化1～2 mm；而Xiao[4]对于射流侵彻普通混凝土的研究表明，随着普通混凝土强度等级提高，侵深下降了0.6%,而孔径下降了29.2%。由此得出，高强度混凝土与普通混凝土的抗射流侵彻存在不同，为此文中将选用C200混凝土展开研究。同时学者们还根据现阶段普通混凝土的药型罩材料研究：肖强强等[5]、付恒等[6]研究表明射流对混凝土的开孔直径随着药型罩密度下降而逐渐增大，且钛合金相比紫铜开孔直径提高了20%。王成等[7]研究了药型罩材料对漏斗坑直径和深度、侵彻孔直径和侵彻深度等的影响规律。薛鑫莹等[8]研究表明钛合金射流侵彻钢筋混凝土既能保证较高穿深又有较大孔径。康彦龙等[9]研究表明钛合金侵彻体相对紫铜、低碳钢有能量转换率高、获得动能大、头尾速度梯度小、外形更短粗等优势，且在侵深略微减小的情况下平均孔径提高20%。学者们关注于如何在保证一定穿深的条件下实现扩大孔，而高强度混凝土性能优异，故有必要研究药型罩材料对侵彻高强度混凝土的影响。

综上，针对C200混凝土，选取铜、铁、钛、铝材料，设计了不同壁厚等质量药型罩，并对其进行了数值仿真以及静爆威力试验，分析了药型罩射流成型特性以及材料性能对射流侵彻C200混凝土的影响。

1 等质量药型罩结构

为了研究材料性能对侵彻高强度混凝土的影响，同时尽量避免射流成型性能的影响，参考等质量药型罩在相似结构下的射流特性相近[5]，以铜药型罩为基准，改变壁厚b，设计铁、钛、铝药型罩，见图1和表1。

图1 药型罩及聚能装药结构

表1 药型罩参数

2 等质量药型罩成型仿真

2.1 材料模型

主要包括药型罩和炸药：药型罩铜、铁、钛、铝均采用Johnson-Cook本构模型和Gruneisen状态方程[6-7,10]，见表2、表3；炸药8701采用JWL状态方程[11]，见表4。

表2 药型罩材料Johnson-Cook参数

表3 药型罩材料Gruneisen参数

表4 炸药8701的JWL参数

2.2 数值模型

采用Euler网格建模，在空气域中填充炸药、药型罩，设置流出边界，采用中心点起爆，见图2。改变药型罩壁厚，填充不同材料，即为4种聚能装药模型。

图2 聚能装药结构仿真模型

2.3 仿真结果

将铜射流参数与文献[12]中同种弹射流参数进行对比，文中头部速度为6 186 m/s,文献中X光试验数据为6 410 m/s，两者基本相近，表明文中数值方法基本可行，同时所采用参数来自于文献[6-7,10-11]以及Autodyn材料库，并在此基础上分析等质量药型罩下的射流成型特性。

对成型至炸高80 mm处射流状态、头尾速度分布、头尾直径、有效长度、有效质量占比、最大动能等进行统计，见图3和表5。

图3 射流速度分布

表5 射流成型参数

4种射流形态基本相似，随着材料密度减小，射流直径增加，铜射流最小，铝射流最大；铜、铁、钛射流头部速度相近，铝射流速度较大；4种材料尾部速度相对接近；铜、铁、钛射流有效长度相近，铝射流略长；有效质量占比约为30%。

对成型过程中射流动能变化情况进行对比，见图4。得出：射流动能变化趋势一致，峰值相近。

图4 等质量药型罩的动能变化规律

综上分析，不同材料的等质量药型罩射流成型特性基本一致。

3 等质量药型罩侵彻试验

经数值仿真初步研究后，进行了不同材料等质量药型罩对高强度混凝土的静爆威力试验，以研究不同材料下等质量药型罩对高强度混凝土的侵彻特性。

3.1 试验布置

根据图1结构，加工药型罩，见图5，药型罩质量理论值为39.2 g，实际为(39.0±1.0) g；C200混凝土靶尺寸为Φ600 mm×600 mm，抗压强度200 MPa，密度为2.4 g/cm3。

图5 聚能装药实物

试验原理及现场布置见图6，聚能装药为Φ56 mm基准装药，靶板为高强度混凝土，炸高80 mm，采用8#火雷管中心起爆，每种材料2发静爆威力试验，共计8发。

图6 静爆威力试验装置

3.2 试验结果分析

1)靶板毁伤状况

射流对高强度混凝土的毁伤效果见图7，射流撞击靶板瞬间，在撞击点处产生强压缩波，进而混凝土介质开始沿轴向和径向流动，同时压缩波向四周传播并在自由面反射形成拉伸波，两者相互作用导致原先压缩波迅速衰减而拉伸波不断增强，当拉伸波强度超过混凝土动态抗拉极限时，混凝土断裂形成漏斗坑，同时由于拉伸波作用靶板表面形成若干条“放射状”宏观裂纹。对比崩落区域，钛射流最大，其次铝、铁，铜射流最小。

图7 靶板毁伤效果

采用钻芯取样方法，取出芯样，见图8。4种等质量药型罩射流均未穿透靶板，但铜射流侵彻深度最大，铁、铝次之，钛射流最差；铁、钛、铝射流侵彻孔径均大于铜射流，且钛射流侵彻孔径较大。

图8 射流对高强度混凝土的侵彻孔形

2)侵彻威力

统计图8中试验侵彻孔型，包括射流侵彻入孔直径、孔底直径、侵彻深度以及平均侵彻深度，见表6。

表6 侵彻试验数据

铜、铁、钛射流对高强度混凝土的侵深基本服从密度法则，随着密度降低，侵彻深度下降，铝射流侵深略大于钛射流，可能与铝射流头部速度、有效长度较大有关，还需进一步研究，见图9。本试验中，铜、钛、铝射流侵彻深度较稳定，最大与最小之差分别为12 mm、22 mm、24 mm；铁射流侵彻深度波动较大，平均287 mm。本次试验数据样本量较少，数值是初步结果。

图9 射流对高强度混凝土的侵彻深度

对比分析不同材料药型罩在等质量下对高强度混凝土的开孔孔径，见图10，由图可得：整体孔径上，钛射流孔径较大，铜射流较小，铁、铝射流相对铜射流孔径有所增大；在入孔直径上，钛射流最大，铜射流最小。

图10 射流对高强度混凝土的开孔孔径

对射流侵彻高强度混凝土的开孔容积进行近似计算，见表7，钛射流的开孔容积最大，约为122 cm3，铜、铁射流开孔容积相近，约为90 cm3，铝射流开孔容积居中，约为101 cm3，整体来看，在等质量药型罩结构下，钛射流的开孔效率最高，有利于扩孔。

表7 开孔容积

4 结论

通过对不同材料等质量药型罩射流成型仿真以及聚能装药对高强度混凝土的静爆威力试验研究，可得：

1)等质量药型罩射流成型特性基本一致，但铝射流头部速度、有效长度略大于其余射流，且随着密度减小，射流整体直径增大；

2)铜、铁、钛射流侵彻深度基本服从密度法则：铜>铁>钛，铝射流略大于钛射流；相比铜射流，钛射流侵彻孔径最大，铁、铝射流居中；钛射流开孔容积最大，开孔效率最高，铝射流次之，铜、铁射流基本相近。