混凝土靶开坑效果研究范文

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现代战争中的防御工事多采用混凝土作为防护材料，因此针对混凝土目标的侵彻研究成为武器研究部门关注的热点［1］。从许多侵彻混凝土靶的实验中均可看到，在混凝土靶受到冲击时，靶板迎弹面有大块的混凝土剥落，形成近似锥形坑。不论是半无限厚混凝土靶还是有限厚混凝土靶，受弹丸冲击时靶面成坑是整个侵彻过程的初始阶段，其反映了侵彻和防护的相当一部分能力，混凝土靶面的开坑效果直接影响靶板最终的侵彻效果。弹尖的形状使弹靶接触面不断增大，所以动能弹侵彻混凝土靶形成锥形坑。侵彻过程中弹尖周围的靶体材料产生挤压,当挤压过程产生的侧向应力大于靶体材料的抗剪强度时，靶体材料就产生了剥落，应力越大，产生的剥落块就越大。当弹头全部进入靶体后，就不再产生靶面剥落。传统的动能弹在混凝土靶的开坑阶段弹靶接触瞬间，由于碰撞产生了很高的应力，动能弹弹头部开始发生变形，并逐渐出现质量的侵蚀，产生挤压靶体材料的侧向应力逐渐减小，剥落块随之变小，因此开坑范围较小，并且弹头部的变形和质量侵蚀使弹头部变钝，进一步加剧弹头部的磨蚀，增加侵彻的阻力，从而影响最终的毁伤效果。作者从毁伤机理入手，提出将Tc作为弹头材料，在14.5mm穿甲燃烧弹的基础上对弹丸的结构进行改进，设计了一种Tc复合弹结构，利用Tc材料硬度高、磨蚀性能良好的特性，在攻坚弹高速冲击混凝土目标时，Tc弹头冲击混凝土形成开坑，过程中伴随着Tc与混凝土之间的相互磨蚀，形成更深、破坏范围更大的开坑，即所谓的前期冲击、开坑，为后续弹芯的继续侵彻开辟通道，达到更高的毁伤效果。

1材料特性分析

纯金属材料或合金材料的化学键大都是金属键，没有方向性，因此金属有很好的塑性变形性能。而Tc材料的化学键大都为共价键和离子键，键合牢固并有很强的方向性，同一般的金属相比，其晶体结构复杂且表面能小。由于结合键的不同，金属和Tc材料的性质差异极大，Tc的熔点和硬度可能比同种元素的金属提高几倍到十几倍，所以，Tc具有高硬度、耐磨损、高熔点、耐腐蚀和耐热性等优于金属材料的基本属性。图1为试验用Tc弹头。

2Tc复合弹结构设计

以14.5mm枪弹为基型弹，在全弹外形尺寸限制不变的条件下，以满足膛内发射强度为前提，设计一种Tc复合弹结构。Tc复合弹外形与现有制式弹基本一致。全弹（图2）由Tc弹头、金属弹芯、铜壳组成，其外径小于炮膛阳线尺寸，发射时弹头不与炮膛发生挤压、磨擦，不会对炮管造成磨损以保证身管使用寿命；金属弹芯、铜壳等均采用制式产品。

3Tc复合弹与制式弹侵彻混凝土靶试验

3.1试验弹和混凝土靶试验弹为14.5mm制式穿甲燃烧弹和两发Tc复合弹（图3）（记为Tc复合弹Ⅰ、Ⅱ）。靶体为1500mm×1500mm×500mm混凝土靶，强度为C30。试验场地布置，如图4所示。

3.2结果与分析

3.2.1数据记录Tc复合弹和制式弹对1500mm×1500mm×500mm混凝土冲击试验，在弹丸初速为500m/s左右时靶板形成漏斗坑，弹芯均嵌入靶体。制式弹穿深为373.4mm，开坑深为60mm，靶板表面破损体积为470mm3；Tc复合弹Ⅰ穿深为420.6mm，开坑深为84.3mm，靶板表面破损体积为1560mm3；Tc复合弹Ⅱ穿深为437.2mm，开坑深为81.7mm，靶板表面破损体积为1710mm3（图5）。

3.2.2结果分析试验弹丸初速达到500m/s时，14.5mm制式穿燃弹弹尖与靶面接触瞬间，在弹靶界面处产生很强的应力，应力波在弹丸和靶板内传播，碰撞点处的应力最高，远远超出靶板的极限抗压强度，此处靶板材料被冲击压力破坏的部分成为粉末状。弹着点附近与混凝土靶面平行的混凝土微裂缝和微空隙由于压应力的作用而被压缩，另外，与靶面不平行的裂缝也会由于弹对靶的压力作用而扩展。由于混凝土的抗拉强度和抗剪切强度比抗压强度低，随着弹尖向靶内运动，弹对靶的压力逐渐大于混凝土材料的抗压强度，弹尖与靶的接触面积也逐渐增大。在这种情况下，弹尖下面应力集中区不仅有向下延伸的周向裂纹，还出现放射状的径向裂纹。周向裂纹与径向裂纹相互交错，形成球状的粉碎核。压力增大到最大值时，径向裂纹扩展至混凝土靶面，由周向裂纹和径向裂纹交错形成的混凝土碎块从靶体中分离出来，这时粉碎核内储存的大量能量被释放，推动较小的碎块以很高的速度飞散，最后形成深为60mm、靶板表面破损体积为470mm3、近似于锥形的弹坑。14.5mm的Tc复合弹开坑过程与制式弹类似，但不同的是，由于Tc弹头的高硬度、高磨蚀度及对变形的高度敏感性，并且发生冲击压缩损伤的阀值应力远大于混凝土，因此在开坑过程中，随着弹尖向靶内运动，靶体材料一直向两边挤压，过程中伴随Tc弹头的质量磨蚀，直至达到Tc弹头的破坏应力后仍有一个滞后时间，Tc弹头才发生碎裂，Tc弹头对混凝土起到前期开坑扩孔的作用，为后续的金属弹芯开辟通道，减小弹芯的质量磨损，从而在一定程度上保护金属弹芯，达到了更高的毁伤效果。制式弹在开坑过程中由于金属弹头发生塑性变形，因此形成弹坑的直径小于Tc复合弹，在开坑的深度上，Tc弹头利用其高磨蚀度的特点对纵向靶体材料不断磨蚀，直至破坏碎裂。而制式弹由于发生压缩变形，故开坑深度不如Tc复合弹，从实验结果看，Tc复合弹对C30混凝土的开坑深度较制式弹高30％左右，成坑容积为制式弹的3.6倍，穿深略高于制式弹。

4动能弹对混凝土靶的数值模拟

利用TrueGrid软件对动能弹和混凝土靶进行前处理划分网格，用LS-DYNA软件对动能弹侵彻混凝土靶的过程进行数值模拟。

4.1材料模型与参数模型采用8节点六面体实体单元，制式弹钢芯用MAT_JOHNSON_COOK材料模型、EO混凝土用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE模型和MAT_ADD_EROSION失效准则描述，弹丸侵彻目标靶板及弹体部件间的接触类用S_GRUNEISEN状态方程描述，Tc弹头用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CE⁃RAMICS材料模型，材料参数见表1。包含侵蚀面面接触CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE及自动面面接触CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE［8］，模型（图6）用cm-g-μs单位制。

4.2数值模拟结果及分析用动力分析软件LS-DYNA对弹体初速v0=500m/s垂直侵彻混凝土靶板进行数值模拟，两种弹丸侵彻混凝土靶板过程的对比,如图7、8所示。左边为制式弹，右边为Tc复合弹。图7测定在100μs时，制式弹开坑深为45.5mm，Tc复合弹开坑深为60.2mm。图8测定制式弹所冲击靶板的表面破损最长为66.2mm，Tc复合弹所冲击靶板的表面破损最长为100.5mm。从表2可以看出，试验的两发Tc复合弹结果相近，试验与仿真误差低于15%；在开坑方面，Tc复合弹开坑深度较制式弹高30%左右，Tc复合弹开坑体积约为制式弹的3.5倍左右；在穿深方面，Tc复合弹略高于制式弹，基本与仿真结果吻合。图9中曲线A为制式弹速度时程曲线，曲线B为Tc复合弹速度时程曲线。图10中曲线C为Tc复合弹质量随时间变化曲线，曲线D为制式弹质量随时间变化曲线，t为时间，v为弹体速度，m为弹体质量。结合图9、10，从弹体余速和弹体质量磨蚀两个角度对开坑过程进行分析。t=5.9μs时，弹丸开始侵彻靶板，在撞击表面产生较强的压缩波（撞击后几微秒内），使弹丸和混凝土内部的压应力迅速扩张，Tc弹头开始磨蚀，制式弹头开始变形，并逐渐出现卷边现象。t=45.9μs时，出现明显的成坑现象，此时制式弹外面的铜皮逐步脱离钢芯，由钢芯继续侵彻，制式钢芯受到压缩应力的作用开始磨蚀，产生较少的混凝土碎粒，阻碍了钢芯的侵彻，动能减小。由于Tc材料具有硬度高的特点，在侵彻初期瞬间对混凝土靶进行冲击，产生较多的混凝土碎粒，动能较大。t=65.9μs时，Tc弹头与制式钢芯继续磨蚀，制式钢芯在挤压混凝土材料的同时，与之发生摩擦，产生高温高压，使钢芯头部变形或者变钝，增加侵彻阻力，加速了钢芯头部的磨蚀，而Tc弹头具有较高的磨蚀度，因此质量损失较少，阻力较小，速度较大。t=100μs时，靶板开坑已基本形成，Tc弹头磨蚀殆尽，钢芯继续侵彻。

5结论

1）Tc复合弹对C30混凝土靶的开坑效果优于制式弹。2）Tc复合弹通过高强度Tc弹头对混凝土靶的冲击和磨蚀，起到前期开坑扩孔的作用，在一定程度上保护钢芯的完整性，为后续钢芯的继续侵彻开辟了通道。

作者：芮亮 王坚茹 陈智刚 李鸽 霍奕宇 单位：中北大学 地下目标毁伤技术国防重点学科实验室 中国兵器工业 第208研究所