甄 明，蔣志剛，萬 帆，劉 飛，譚清華

(1.國防科技大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院，湖南長沙410072;2.國防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410073)

設(shè)置遮彈層是地下國防工程防御鉆地彈的重要措施［1-2］。隨著深鉆地彈技術(shù)的發(fā)展［3-4］，普通混凝土遮彈結(jié)構(gòu)已難以滿足防護(hù)要求，必須開發(fā)新型遮彈技術(shù)，提高遮彈層的抗侵徹能力，并考慮抗多發(fā)打擊的能力。混凝土在遮彈結(jié)構(gòu)中已得到廣泛應(yīng)用。但是，混凝土是一種脆性材料，抗拉強(qiáng)度很低，彈丸一次打擊下?lián)p傷范圍較大［5-6］，且不易修復(fù)。在混凝土中設(shè)置鋼筋［7］或摻加鋼纖維［8-10］可提高防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，減少彈丸一次打擊下的損傷范圍，但不能顯著減小彈丸一次打擊下的侵徹深度，且損傷范圍仍較大。鋼管混凝土利用鋼管對核心混凝土施加側(cè)向約束，使其處于三向受壓狀態(tài)，從而延緩混凝土微裂縫的發(fā)生和發(fā)展，可有效提高抗沖擊能力［11］和抗爆能力［12］。文獻(xiàn)［13-14］提出了一種抗彈丸沿鋼管軸向侵徹作用的蜂窩狀鋼管混凝土遮彈結(jié)構(gòu)，將其稱為鋼管約束混凝土靶。數(shù)值模擬結(jié)果［13-15］表明鋼管約束混凝土靶的抗侵徹能力高于無約束混凝土靶?，F(xiàn)有侵徹試驗常常采用在大直徑鋼管內(nèi)澆筑混凝土的靶來模擬半無限靶［16］，但由于靶徑彈徑比很大，鋼管主要起到消除自由邊界影響和作為模板的作用，這些靶不是甄明等研究的鋼管約束混凝土靶。目前，國內(nèi)外關(guān)于約束混凝土抗侵徹性能的研究較少，尚未見到小直徑鋼管約束混凝土抗侵徹性能的試驗研究。

甄明等首次進(jìn)行了12.7mm穿甲槍彈侵徹小直徑鋼管約束混凝土厚靶試驗，得到了靶的破壞模式及主要破壞參數(shù)，同時進(jìn)行了PVC管約束混凝土厚靶比較試驗;基于侵徹試驗，建立了硬芯槍彈侵徹混凝土靶工程模型，并比較了鋼管約束混凝土靶與半無限混凝土靶的抗侵徹能力。

1 試驗方案

侵徹試驗在國防科技大學(xué)防護(hù)工程實(shí)驗室進(jìn)行，試驗系統(tǒng)如圖1所示，包括加載裝置、測速裝置、高速攝像系統(tǒng)和靶體固定裝置等。測速裝置由光幕靶和六路電子測時儀(計時精度1 μs)構(gòu)成;高速攝像用于輔助測量彈丸著靶姿態(tài);靶體埋入砂箱，背面由鋼支架支撐，并利用水平儀和瞄準(zhǔn)鏡調(diào)整靶位，盡量使彈丸沿靶軸線方向正入射。

圖1 侵徹試驗系統(tǒng)組成Fig.1 System of penetration experiment

試驗彈丸為12.7mm穿甲彈，通過改變裝藥量調(diào)節(jié)彈丸速度，設(shè)計著靶速度為兩種:高速(全裝藥，約840m/s)，低速(減藥，約540m/s)。彈丸質(zhì)量48g，彈丸結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，其中卵形頭鋼芯，直徑10.1 mm，長53mm，質(zhì)量30 g，且侵徹試驗后未產(chǎn)生明顯變形，如2(b)所示。

侵徹試驗工況見表1，所有靶的厚度為300mm。為與鋼管約束混凝土對比，制作了PVC管約束混凝土試件。PVC管的強(qiáng)度和變形能力均很低，對混凝土的約束作用很小，PVC管約束混凝土靶相當(dāng)于無約束混凝土靶。為了考察迎彈面設(shè)置鋼筋網(wǎng)的影響，部分試件迎彈面埋入了模擬鋼筋網(wǎng)的鐵絲網(wǎng)。鐵絲網(wǎng)網(wǎng)格尺寸5mm×5mm，鐵絲直徑0.7mm，設(shè)計埋深10～30mm。

圖2 12.7mm穿甲彈彈丸Fig.2 12.7mm APP

表1 侵徹試驗工況Tab.1 Penetration experiment conditions

混凝土原材料為:P.042.5硅酸鹽水泥;普通河砂，最大粒徑5mm，細(xì)度模數(shù)2.63;硅灰，平均粒徑0.2μm;聚羧酸型液體高效減水劑，減水率大于40%。為了避免大尺寸石子對侵徹試驗結(jié)果的影響，本次試驗混凝土沒有粗骨料，混凝土密度為2200kg/m3。按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》［17］進(jìn)行了混凝土靜力性能試驗，得到標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別為62.3MPa和4.52MPa。

2 試驗結(jié)果

2.1 鋼管約束混凝土靶破壞模式

鋼管約束混凝土試件典型破壞現(xiàn)象如圖3～6所示。結(jié)果表明:所有試件迎彈面均形成了明顯漏斗坑，而背面混凝土保持完好;高速單發(fā)打擊下，核心混凝土側(cè)面產(chǎn)生了環(huán)向裂紋區(qū)，且有1～2道明顯的環(huán)向主裂紋(如圖3、圖4所示);三發(fā)打擊后，環(huán)向主裂紋形成了貫通裂紋(如圖5所示);低速單發(fā)打擊下，核心混凝土側(cè)面未發(fā)生明顯破壞，僅產(chǎn)生了少許細(xì)微裂紋(如圖6所示)。圖7為鋼管約束混凝土試件典型縱剖面，彈丸的銅皮、鉛套嵌于彈孔中，彈孔周圍有徑向裂紋。

圖3 單發(fā)，無鐵絲網(wǎng)，打擊速度838.2m/sFig.3 Single impact，non-wire mesh，838.2m/s

圖4 單發(fā)，單層鐵絲網(wǎng)，侵徹速度833.3m/sFig.4 Single impact，one layer-wire mesh，833.3m/s

圖5 三發(fā)，雙層鐵絲網(wǎng)Fig.5 Triple impacts，two layer-wire meshes

圖6 單發(fā)，無鐵絲網(wǎng)，侵徹速度543.6m/sFig.6 Single impact，non-wire mesh，543.6m/s

圖7 鋼管約束混凝土試件典型縱剖面Fig.7 Typical target profile

圖8 PVC管約束混凝土靶的破壞Fig.8 Failure mode of concrete filled in PVC tube

由于PVC管的強(qiáng)度和變形能力均很低，在彈丸侵徹過程中因應(yīng)力波或彈丸擴(kuò)孔作用而破壞，因此PVC管約束混凝土靶不具備抗多發(fā)打擊能力。在彈丸一次打擊下，外徑160mm PVC管約束混凝土試件嚴(yán)重破碎，如圖8(a)所示;外徑315mm PVC管約束混凝土試件也破壞較為嚴(yán)重，如圖8(b)所示。

2.2 鋼管約束混凝土靶破壞參數(shù)

根據(jù)圖4、圖7對破壞參數(shù)進(jìn)行測量記錄，結(jié)果見表2。其中:D，H1分別為漏斗坑直徑和深度，H2，H3為環(huán)向主裂紋位置到迎彈面的距離，H4為侵徹深度，v0為著靶速度，Δd為彈著點(diǎn)偏心距，“空白”表示未進(jìn)行測量。外徑160mm PVC管約束混凝土試件未能測得侵深等數(shù)據(jù);外徑315mm PVC管約束混凝土試件根據(jù)混凝土上的彈痕近似測得彈丸飛離混凝土前的侵徹深度，見表3。須指出，由于彈丸未能嵌于PVC管約束混凝土試件，彈丸飛離混凝土靶體時存在剩余動能，因此表3的侵深測量數(shù)據(jù)應(yīng)比實(shí)際值偏小。此外，低速打擊時，由于減小彈丸裝藥導(dǎo)致彈丸在飛行過程中漂移，彈丸著靶時為斜入射，侵徹深度小于正入射。

2.3 結(jié)果分析

表2 鋼管約束混凝土試件破壞參數(shù)Tab.2 Steel tube concrete targets

由表2可得:

1)彈著點(diǎn)偏心將使得遠(yuǎn)離彈孔一側(cè)鋼管的約束作用減小，而靠近彈孔一側(cè)鋼管的約束作用增大，導(dǎo)致侵徹阻力與中心入射有所不同。彈著點(diǎn)偏心較小時(Δd=0～15mm)，侵徹阻力與中心入射時差別不大，彈著點(diǎn)對侵徹深度的影響不明顯，且由于試驗存在離散性，彈著點(diǎn)對侵徹深度的影響沒有規(guī)律。如:高速打擊下，5#(Δd=9.7mm，v0=829.2m/s)的侵徹深度比4#(Δd=0mm，v0=833.3m/s)小4.2%;1#(Δd=15mm，v0=838.2m/s)比19#(Δd=5mm，v0=839.3m/s)侵徹深度大4.5%。彈著點(diǎn)偏心較大時(Δd〉15mm)，由于遠(yuǎn)離彈孔一側(cè)鋼管的約束作用減小較多，侵徹深度比小偏心時有所增加。如:高速打擊下，7#(Δd=16.2mm，v0=837.9m/s)比19#(Δd=5mm，v0=839.3m/s)侵徹深度大8%;低速打擊下，17#(Δd=28.4mm，v0=543.6m/s)比16#第一發(fā)(Δd=5.0mm，v0=540.9m/s)侵徹深度大12.5%。

2)單發(fā)打擊下，鋼管約束混凝土靶的漏斗坑直徑達(dá)彈徑的10倍以上，漏斗坑深度為彈徑的2～3倍，均大于半無限混凝土靶(漏斗坑直徑約為彈徑的4倍［18］，深度約為彈徑的1.5～2.5倍［19］)。主要原因是鋼管約束混凝土靶直徑較小，鋼管波阻抗遠(yuǎn)大于混凝土，壓縮波在混凝土與鋼管界面產(chǎn)生反射壓縮波，加劇了對迎彈面混凝土的擠壓作用和混凝土的飛濺效應(yīng)，導(dǎo)致漏斗坑尺寸增大。

3)迎彈面設(shè)置鋼筋網(wǎng)可以減小漏斗坑深度。高速打擊下，單層鐵絲網(wǎng)靶的漏斗坑平均深度比無鐵絲網(wǎng)靶減小約16%;雙層鐵絲網(wǎng)靶的漏斗坑平均深度比單層鐵絲網(wǎng)靶減小約9%。但是，迎彈面鐵絲網(wǎng)對漏斗坑直徑的影響不大，且對單發(fā)打擊侵徹深度的影響不明顯。如:1#、7#和19#試件的侵徹速度和彈著點(diǎn)偏心距相差不大，但19#(雙層鐵絲網(wǎng))的侵徹深度比1#(無鐵絲網(wǎng))小4.5%，而7#(雙層鐵絲網(wǎng))的侵徹深度比1#(無鐵絲網(wǎng))大3.4%。

4)單發(fā)高速侵徹下，靶體環(huán)向主裂紋位置H2約為193mm，H3約為218mm，而侵深H4約為205mm，即H2≤H4≤H3。

5)鋼管約束混凝土具備較強(qiáng)的抗多發(fā)打擊能力。4#、5#單發(fā)打擊平均侵徹深度209.5mm，16#、18#第二發(fā)打擊平均侵徹深度215mm，18#第三發(fā)侵徹深度231mm，即鋼管混凝土第二發(fā)打擊侵徹深度比單發(fā)打擊僅增加了約2.6%，第三發(fā)打擊侵徹深度比第二發(fā)打擊增加了約7.4%。這表明:當(dāng)各發(fā)彈著點(diǎn)不是很靠近時(彈孔不重疊、不交叉)，鋼管約束混凝土抗第二發(fā)和抗第一發(fā)打擊能力相當(dāng)，而抗第三發(fā)打擊的能力有所下降。

由于在彈丸侵徹過程中鋼管對混凝土施加的側(cè)向約束作用，使混凝土的徑向壓應(yīng)力增大、環(huán)向拉應(yīng)力減小，混凝土的強(qiáng)度極限和變形能力增大，因此鋼管約束混凝土的抗侵徹能力明顯優(yōu)于無約束混凝土。對比表2中17#和16#、18#第一發(fā)與表3中11#、12#的侵徹深度，可知:低速打擊下，鋼管約束混凝土的侵徹深度明顯小于PVC管約束混凝土，其中16#、18#第一發(fā)的侵徹深度比12#小約15%。

表3 直徑315mm PVC管約束混凝土試件侵徹深度Tab.3 Penetration depth of concrete filled in 315mm PVC tube targets

3 侵徹深度預(yù)估公式

3.1 剛性彈侵徹半無限混凝土靶

Forrestal等［18］根據(jù)剛性卵形尖頭彈侵徹半無限混凝土靶試驗，將侵徹過程分為開坑階段和隧道侵徹階段，基于空腔膨脹理論計算隧道侵徹深度，建立了侵徹深度X的半理論半經(jīng)驗公式:

其中:右邊第一項為隧道侵徹深度，第二項2d為漏斗坑深度(d為彈丸直徑);M和N*分別為彈丸質(zhì)量和彈頭形狀系數(shù)，ψ=s/d為彈頭蛋形部曲率半徑(Caliber Radius Head，CRH);ρc為靶板混凝土的密度;V0和V1分別為彈丸的初始撞擊速度和隧道侵徹初始速度;R為混凝土靶侵徹阻力經(jīng)驗值，需根據(jù)試驗結(jié)果計算。

Li和Chen［19］取或S=，其中fc為混凝土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(單位MPa)，將上述模型推廣到任意頭形剛性彈垂直侵徹半無限混凝土靶問題。

3.2 硬芯槍彈侵徹深度公式

類似于剛性彈侵徹半無限混凝土靶，硬芯槍彈的侵徹過程也可分為開坑階段和隧道侵徹階段。由彈丸結(jié)構(gòu)組成(如圖2所示)和圖7可知:開坑階段，主要是彈丸銅皮和鉛套直接沖擊混凝土產(chǎn)生開坑效應(yīng)，鋼芯在開坑階段前期不直接侵徹混凝土，鋼芯在開坑階段速度損失不大;隧道侵徹階段，鉛套和銅皮已無侵徹能力，主要是鋼芯侵徹混凝土。為簡化計算，忽略開坑階段鋼芯速度損失，假定隧道侵徹深度等于鋼芯初始速度為V0的侵徹深度。

在式(1)中，取漏斗坑深度為k·d(d為彈丸直徑，k由試驗得到);隧道侵徹階段，取V1=V0，彈徑取為鋼芯直徑dc，ψ為鋼芯的CRH，用鋼芯質(zhì)量m代替彈丸質(zhì)量M，得:

3.3 討論

對于鋼管約束混凝土侵徹試驗，取棱柱體抗壓強(qiáng)度fc=48.9MPa，d=12.7mm，M=48g，dc=10.1mm，m=30g，ψ=3.4，ρc=2200kg/m3。先由表2高速打擊試驗數(shù)據(jù)和式(4)計算各單發(fā)打擊的R，然后把k和R取平均值，再由式(3)計算侵徹深度，計算結(jié)果見表4。圖9給出了硬芯槍彈侵徹半無限混凝土靶和鋼管約束混凝土靶侵徹深度X與侵徹速度V0關(guān)系曲線。計算中:鋼管約束混凝土靶，k=2.6，R=692MPa;半無限靶，按文獻(xiàn)［18-19］取由表4和圖9可得:

1)硬芯槍彈侵徹深度公式與鋼管約束混凝土靶高速打擊試驗結(jié)果吻合較好，最大誤差約為6.0%。

2)當(dāng)V0大于500m/s時，計算的鋼管約束混凝土靶侵徹深度明顯小于半無限混凝土靶，當(dāng)V0取值800～900m/s時，鋼管約束混凝土靶侵徹深度比半無限混凝土靶減小約20%。

表4 鋼管約束混凝土靶侵徹深度Tab.4 Penetration depth of steel tube confined concrete targets

圖9 X-V0關(guān)系曲線Fig.9 Relation curves of X and V0

4 結(jié)論

本文進(jìn)行了12.7mm穿甲槍彈侵徹小直徑鋼管約束混凝土厚靶試驗，得到了靶的破壞模式及主要破壞參數(shù)，并建立了硬芯槍彈侵徹深度公式。結(jié)果表明:

1)由于在彈丸侵徹過程中鋼管對混凝土施加的側(cè)向約束作用，鋼管約束混凝土靶抗侵徹性能優(yōu)于無約束混凝土靶，且在抗多發(fā)打擊方面具有明顯優(yōu)勢。

2)由于彈著點(diǎn)偏心使得遠(yuǎn)離彈孔一側(cè)鋼管的約束作用減小，鋼管約束混凝土靶的抗侵徹能力與彈著點(diǎn)有關(guān)，彈著點(diǎn)大偏心時侵徹深度比小偏心時有所增加。

3)鋼管約束混凝土靶在彈丸高速打擊下的破壞模式與半無限混凝土靶顯著不同，鋼管約束混凝土靶核心混凝土側(cè)面產(chǎn)生了環(huán)向裂紋。

4)硬芯槍彈侵徹深度公式與鋼管約束混凝土靶高速打擊試驗結(jié)果吻合較好。

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