高光發(fā)，李永池，李 平，黃瑞源

（1安徽理工大學能源與安全學院，安徽淮南 232001；2中國科學技術大學近代力學系，合肥 230027；3煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽淮南 232001）

0 引言

合理的地下人防工程是防御空襲的最主要的設施，挖掘修建的成層式淺埋結(jié)構(gòu)是人防工程的常見形式。典型的成層式人防工程結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要有偽裝土層、遮彈層、分配層和支撐結(jié)構(gòu)四部分，其中遮彈層的主要功能是減小彈體的有效侵徹深度、阻止彈體侵入地下工事中，其在防護工程中的作用極為重大。

近些年來，遮彈層的研究得到了廣泛的關注，國內(nèi)外許多學者對遮彈層的設計做了大量的研究，主要可歸結(jié)為三類：

1）通過研制新型高強度混凝土材料，提高混凝土材料的強度，從而減小鉆地彈的侵徹深度。如高強度活性粉末混凝土[1]、含塊石混凝土[2]、含剛玉塊石混凝土[3]等。

圖1 典型成層式防護結(jié)構(gòu)

2）通過加強遮彈層結(jié)構(gòu)的強度，提高侵徹過程中結(jié)構(gòu)的破壞強度和對彈體的阻力，從而大幅度減小鉆地彈的侵徹深度。如鋼纖維混凝土[4]、鋼絲網(wǎng)混凝土[5]、鋼管混凝土[6]等。

3）通過在遮彈層中設置特殊結(jié)構(gòu)，使得彈體在侵徹過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而減小鉆地彈的有效侵徹深度。如鋼棒偏航結(jié)構(gòu)、剛玉球混凝土[7]等等。

事實上，采用安全可靠、經(jīng)濟實用、易修復和維護的新型材料和結(jié)構(gòu)是現(xiàn)今遮彈層的發(fā)展方向。文中在總結(jié)和分析當前遮彈層研究基礎上，根據(jù)長桿彈侵徹機理和混凝土抗侵徹試驗的研究結(jié)果，對新型遮彈層的設計提出了初步構(gòu)想和探討。

1 量綱分析

對于長桿彈垂直侵徹靶板而言，影響長桿彈侵徹半無限厚靶板的基本因素有：

1）長桿彈的相關參數(shù)：長度L，彈體截面直徑（如為其它截面形狀時為取與之等面積的圓形截面的直徑）D，彈體截面形狀系數(shù)DX，彈頭形狀系數(shù)NX；彈體材料的密度ρp，彈性模量Ep，泊松比νp，等效屈服強度σp。

2）靶板的相關參數(shù)：材料密度ρt，彈性模量Et，泊松比νt，等效屈服強度σt。

3）其它基本參數(shù)：彈體的入射速度V0，攻角φ，入射角度φ。

因此，長桿彈侵徹半無限厚靶板的最大侵徹深度P可用下式描述：

上式中共有16個物理量，從中選取ρp、σt、L三個量作為具有獨立量綱的基本量，根據(jù)П定律可知，上述中其它的13個量都可以用這三個基本量來度量而形成無量綱量，因此，上式可轉(zhuǎn)化為：

從上式可知，影響長桿彈侵徹半無限厚靶板最大深度的主要因素有13個。令長桿彈最大侵徹深度在靶板表面法線方向上的投影為彈體的有效侵徹深度，當攻角為直角時（考慮彈體的最強侵徹情況），當不考慮彈體的截面形狀、彈靶的泊松比、彈體的長徑比及強度、彈靶模量等這類涉及彈體設計方面的參數(shù)時，上式可簡化為：

因此，對于固定彈體和入射速度而言，影響彈體的侵徹深度的主要因素為彈頭的形狀（因為侵徹過程中其形狀與靶板的強度有關）、靶板的密度、靶板的強度以及彈體的入射角度。

2 表面偏航層結(jié)構(gòu)分析

對于鉆地彈侵徹混凝土工事這種中低侵徹速度（一般小于1200m／s）低靶板強度而言，彈頭的形狀對于最大侵徹深度的影響非常大，特別是當靶板材料是混凝土這種抗壓強度較小且抗拉強度遠小于抗壓強度的材料時，尖頭硬質(zhì)彈（卵形、錐形）的侵徹深度遠大于普通的平頭彈[8]。結(jié)合式（1）可知，如果能夠在彈體侵徹混凝土工事且進入準穩(wěn)定階段之前，改變彈體的入射角度、鈍化彈體的頭部形狀、提高開坑階段的臨界能量等，則能有效減小彈體的有效侵徹深度，從而極大提高遮彈層的抗侵徹性能。

然而，將遮彈層材料全部替換為高強度如鋼、陶瓷等是不現(xiàn)實的，因此，在遮彈層上邊面布置一層高強度的硬分層是實現(xiàn)該功能的最佳的較現(xiàn)實的替代方法。為最大限度的發(fā)揮該表面層的作用，此層的設計應滿足幾方面的基本要求：

1）該層的基體材料應該具有足夠的抗破壞強度。對于長桿彈垂直侵徹靶板而言，靶板的強度具有重大的影響，首先，靶板抗破壞強度的增加會提高彈體侵徹進入準穩(wěn)定階段的臨界能量，減小同等入射動能彈體的侵徹深度；其次，對于一般鉆地彈而言，由于其彈頭一般為卵形或錐形，當靶板的強度較高時，經(jīng)過開坑階段的彈頭基本都有一定程度上的變形，而且，靶板的強度越高，其變形越大，當其強度與彈體等量級或近似時，彈體的頭部一般會變形為蘑菇頭狀，這會極大程度的增大其中遮彈層主體層中的侵徹阻力，從而有效降低其侵徹深度?？紤]到工程造價和施工技術，一般在遮彈層的設計中可選用剛玉、陶瓷、高硬度巖石等作為表面層的基體材料。

2）該層在水平方向上應存在較大的強度梯度。一般來說，當長桿彈垂直侵徹均質(zhì)靶板時，其侵徹方向不可能發(fā)生改變，要使彈體在侵徹過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，必須在彈體中的水平方向上設置強度梯度，特別是在靶板的表面一層設置這種梯度最佳。因此在遮彈層的表面一層中設置功能斜面（即斜面兩側(cè)介質(zhì)的強度和硬度相差極大）或功能弧面是形狀有效的方法。考慮到施工的實際狀況，一般可采用半球或球形硬質(zhì)基體材料作為基體設置表面層，如圖2所示。

圖2 遮彈層中偏航層示意圖

3 主要抗侵徹層結(jié)構(gòu)分析

3.1 遮彈層主體的剖面結(jié)構(gòu)

為研究混凝土靶板的抗侵徹性能，對長桿彈垂直侵徹混凝土靶板進行彈道試驗。實驗中靶板為直徑500mm、高250mm的圓柱體，如圖3所示，周邊用厚度為1.4mm鋼板圍結(jié)加固。試驗中選定一種脫殼尾翼穩(wěn)定鉆地彈作為模擬彈，如圖4所示，其中彈芯由45＃調(diào)質(zhì)鋼制成，熱處理后的硬度為 HRC36－38，彈頭呈半球形，彈托由航空高強度鋁合金制成，模擬彈總重290g，長113mm，直徑14.5mm，彈芯重152g。

圖3 鋼釬維混凝土靶板

圖4 脫殼尾翼穩(wěn)定鉆地彈

試驗結(jié)果如表1所示，從表中可以看出，等厚度的雙層靶板抗侵徹性能強于單層靶板。另一方面，從應力波理論可知，分層結(jié)構(gòu)中，上層靶板在侵徹過程中產(chǎn)生的強應力波由于夾層和界面效應消耗從而只有很小一部分對下層造成破壞。其次，長桿彈侵徹過程中侵徹深度主要是在準穩(wěn)定階段形成的，開坑階段彈體的單位侵徹深度耗能遠遠大于其它兩個階段，而分層結(jié)構(gòu)使得兩層或多次出現(xiàn)開坑階段，從而使得分層結(jié)構(gòu)的抗侵徹性能強于單層結(jié)構(gòu)。

表1 混凝土的侵徹實驗結(jié)果

綜上所述，遮彈層的主要抗侵徹結(jié)構(gòu)應選用分層結(jié)構(gòu)，其剖面結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 遮彈層主體分層剖面結(jié)構(gòu)

圖6 遮彈層主體平面結(jié)構(gòu)

3.2 遮彈層主體的平面結(jié)構(gòu)

根據(jù)仿生學原理[6]，采用圖6所示的蜂窩狀鋼管或玻璃纖維加強硬塑料等材料約束的混凝土結(jié)構(gòu)組合形成遮彈層的主體結(jié)構(gòu)，以鋼管約束靶板抗卵形彈體侵徹為例，假設彈體侵徹偏航層后彈頭的形狀還是卵形彈，該結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：

1）當鉆地彈侵徹普通靶板時，會在彈體附近形成塑性區(qū)（包括破碎區(qū)）、彈性區(qū)和原始區(qū)域（如圖7所示），由于靶板周圍沒有約束，使得因彈體進入而產(chǎn)生的應變分配到附近較大區(qū)域；而當鉆地彈侵徹約束靶板時（如圖8所示），由于抵消彈體侵徹所產(chǎn)生的應變的混凝土介質(zhì)有限，從而使得臨近彈體的混凝土介質(zhì)的應變和應變率比前者大許多，而對于混凝土這種應變率硬化效應較明顯的介質(zhì)，應變和應變率的增大此時就意味著靶板的抵抗力增強，從而增大彈體的減速度，減小彈體的侵徹深度。利用自編工程分析算法[9]對應變率影響因子分別為0.01和0.02，影響范圍為彈體半徑R的2、4、6、20倍（定義影響范圍與彈體半徑之比為無量綱影響范圍），其它參數(shù)與文獻[9]相同時的侵徹深度進行計算，算法中定義混凝土的應變率為彈速與影響范圍之比，計算出的彈體侵徹深度如表2所列。表2的結(jié)果驗證了以上分析。

圖7 彈體侵徹示意圖

圖8 彈體侵徹約束靶板示意圖

表2 考慮不同影響范圍時彈體的侵徹深度（cm）

2）另一方面，在彈體侵徹過程中，會在彈體附近產(chǎn)生一個向遠離彈體方向的壓縮波，在一般靶板中，該種壓縮波會在混凝土介質(zhì)中一直傳播下去，而在約束靶板中，由于約束材料的波阻抗和強度遠大于混凝土介質(zhì)，從而會在約束管內(nèi)壁向彈體方向反射一個壓縮波，如圖7和圖8所示，當反射波到達彈體和靶板材料的接觸面時，會增大彈體與靶板的接觸壓力，從而提高了靶板的反作用力和摩擦阻力，減小了彈體的侵徹深度。

3）由于靶板被約束，這樣會最大程度的減小當彈體高速侵徹時產(chǎn)生的彈坑，甚至減小彈體侵徹后爆炸產(chǎn)生的破壞范圍，從而提高了遮彈層的二次或多次保護性能。

4）利用約束靶板使得遮彈層可由原來的現(xiàn)場澆筑更為提前澆筑現(xiàn)場組裝，這樣既減小遮彈層的構(gòu)筑時間，也在很大程度上提高遮彈層的構(gòu)筑和維修效率。

3.3 遮彈層主體材料的選用

當尖頭彈侵徹混凝土類介質(zhì)時，首先使彈頭端部前方的部分靶板介質(zhì)產(chǎn)生壓縮破壞，如圖7中所示“壓碎區(qū)”，此種破壞區(qū)域與靶板介質(zhì)的硬度和強度有關，當靶板硬度和強度都很大時，不僅會使得壓碎區(qū)較大從而增加靶板的抵抗力，而且還可能使彈頭變鈍，從而提高其后續(xù)侵徹的阻力，因此應盡量用強度較大的混凝土介質(zhì)如高強度活性粉末混凝土、鋼纖維混凝土等材料。

而當彈體前端的破碎區(qū)形成后，彈體對靶板的破壞就轉(zhuǎn)化為彈頭的擠壓破壞了，此時靶板的抗拉強度和韌性就顯得非常重要了，然而，混凝土介質(zhì)是一種抗拉強度遠小于抗壓強度的介質(zhì)，這也就是在侵徹普通混凝土介質(zhì)時尖頭彈效果遠好于鈍頭彈的主要原因，因此，提高靶板材料的抗拉強度和韌性是提高遮彈層抗侵徹性能的首要任務，許多試驗都證明，當在混凝土材料中摻入一定含量的鋼纖維攪拌而成的鋼纖維混凝土具有遠強于普通混凝土的韌性和抗拉強度。因此利用鋼纖維混凝土或類似的如鋼絲網(wǎng)混凝土代替普通混凝土是一個很合適的方法。

綜合考慮約束靶板施工問題和靶板的抗侵徹性能，分析認為使用鋼纖維混凝土或鋼纖維活性粉末混凝土是構(gòu)筑主體結(jié)構(gòu)的最佳材料。

對于夾層材料而言，由于其作用是阻波、隔波等作用，且需其具備一定的抗侵徹強度和吸波性能，所以認為可采用硬質(zhì)巖石塊并用普通混凝土進行膠結(jié)即可。

4 主要結(jié)論

文中提出并探討了新型遮彈層結(jié)構(gòu)的形式以及材料的選用，研究認為：

1）遮彈層結(jié)構(gòu)可用分層結(jié)構(gòu)：表面偏航層、主體層，其中主體層可用夾心結(jié)構(gòu)。

2）遮彈層中偏航層可用與彈體直徑同量級的剛玉球、陶瓷球或硬質(zhì)巖石球為基體，并利用混凝土緊密澆筑而成。

3）遮彈層中主體層應使用鋼纖維混凝土或鋼纖維活性粉末混凝土作為主要材料，采用鋼管或玻璃纖維增強塑料等約束靶板組裝而成的蜂窩結(jié)構(gòu)為主體結(jié)構(gòu)。

[1]葛濤，潘越峰，譚可可，等.活性粉末混凝土抗沖擊性能研究[J].巖石力學與工程學報，2007，26（增1）：3553－3557.

[2]楊建超，吳飚，金棟梁.花崗巖塊石漿砌結(jié)構(gòu)抗彈丸斜侵徹／沖擊性能實驗研究[J].實驗力學，2009，24（5）：467－472.

[3]唐德高，賀虎成，陳向欣，等.剛玉塊石混凝土抗彈丸侵徹效應試驗研究[J].振動與沖擊，2005，24（6）：37－39.

[4]紀沖，龍源，萬文乾，等.鋼纖維混凝土抗侵徹與貫穿特性的實驗研究[J].爆炸與沖擊，2008，28（2）：178－185.

[5]王耀華，肖燕妮，畢亞軍，等.鋼絲網(wǎng)增強活性粉末混凝土抗侵徹特性[J].解放軍理工大學學報：自然科學版，2008，9（1）：57－61.

[6]石少卿，黃翔宇，劉穎芳，等.多邊形鋼管混凝土短構(gòu)件在防護工程中的應用[J].混凝土，2005（2）：95－98.

[7]周布奎，唐德高，陳向欣，等.單層緊密排列剛玉球砼抗彈丸沖擊特性分析[J].振動與沖擊，2002，21（4）：87－89.

[8]Rosenberg Z，Dekel E.On the role of nose profile in long－rod penetration[J].International Journal of Impact Engineering，1999，22（5）：551－557.

[9]高光發(fā)，李永池，胡秀章，等.一種改進的混凝土抗侵徹工程模型及算法[J].兵器材料科學與工程，2011，34（2）：11－15.