鄧勇軍，姚 勇，孫加超，劉筱玲

(1 西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 四川綿陽 621000；2 工程材料與結(jié)構(gòu)沖擊振動四川省重點(diǎn)實(shí)驗室， 四川綿陽 621000)

0 引言

砂卵石層介質(zhì)是一種典型的非均質(zhì)多相脆性材料，是機(jī)場跑道、公路等典型目標(biāo)的重要組成部分[1-3]。當(dāng)這些重要部位作為攻擊目標(biāo)時，如何有效摧毀目標(biāo)和有效發(fā)揮其防護(hù)功能成為主要關(guān)注問題。在工程中砂卵石層介質(zhì)一般為散體材料，一般而言，不加入膠結(jié)材料的卵石層介質(zhì)可視為散體介質(zhì)-砂卵石土，對于砂卵石土的研究目前主要集中在靜載或低頻振動下的研究[4-8]。在材料的動態(tài)特性試驗研究上，主要的測試方法有原位動力測試、動三軸實(shí)驗、共振柱實(shí)驗和振動臺實(shí)驗等[9-13]，而對于沖擊條件下卵石層的特性卻鮮有研究。

由于卵石層介質(zhì)中卵石顆粒級配、尺寸及分布具有隨機(jī)性，造成其具有非均勻性。在深層高速侵徹條件下，砂卵石層介質(zhì)多相、非均勻性對彈體侵徹的影響相對較?。坏诘退偾謴貤l件下，由于卵石受膨脹擠壓會發(fā)生不同程度的流動，其多相非均勻性更加凸顯，可能會嚴(yán)重的影響彈體的彈道偏轉(zhuǎn)、彈體彎曲、靶體的毀傷效果等。故文中采用侵徹試驗對其在動能彈穿甲作用下的響應(yīng)特性進(jìn)行初步的研究，研究結(jié)果對于以卵石層介質(zhì)為基層材料的機(jī)場跑道、公路等典型目標(biāo)的毀傷評估，以及對武器戰(zhàn)斗部的研究、設(shè)計改進(jìn)具有參考價值。

1 侵徹試驗設(shè)計

1.1 砂卵石土級配

考慮卵石級配的影響，此處設(shè)計兩種級配的砂卵石靶體試件，其中粒徑5～60 mm的石料采用卵石，粒徑小于5 mm的為河砂，并且控制材料含泥量，對所有材料進(jìn)行淘洗。按照表1所列質(zhì)量百分比進(jìn)行控制，通過篩分試驗制得所需級配的兩組砂卵石材料，分別命名為JP2，JP4。

表1 試件級配表

1.2 靶體設(shè)計

由于砂卵石呈散體狀，試驗過程中為保證靶體初始形狀，故采用1 mm厚的鋁制材料作為外框面板，四周采用4個角鋼(L50 mm×3 mm)組成整體框架，為防止中部初始發(fā)生鼓曲，在鋁板高度方向設(shè)置兩道加勁鋼條(寬度50 mm，厚度3 mm)，頂部不封閉，形成一個頂部為自由狀態(tài)的立方體盒子，見圖1。靶板尺寸為長670 mm、高400 mm、厚150 mm(圖2)。為了去除鋁制面板對子彈能量的消耗，在子彈迎靶面正中預(yù)留一個直徑為50 mm圓孔，由于出靶位置未知，出靶面不作處理。將篩分得到的兩組級配砂卵石分別填入鋁制空箱中，分3層依次填入，填入一層并人工振動密實(shí)，填滿鋁箱并保證上表面大致平整。鋁板采用工業(yè)鋁板1080制作，彈性模量為70 GPa，抗拉強(qiáng)度為100 MPa，屈服強(qiáng)度為20～90 MPa，伸長率為11%～25%，20°時密度為2.7 g/cm3。

圖1 靶板框架構(gòu)造

圖2 靶板尺寸

1.3 彈體尺寸

試驗采用直徑為25 mm、質(zhì)量230 g的45#鋼實(shí)心半球頭彈(如圖3所示)。砂卵石靶板正放置于靶體基座上，并使火炮軸線穿過靶板中心且與著靶面垂直。

圖3 彈體

1.4 試驗工況設(shè)計

本次試驗的主要目的是研究砂卵石在強(qiáng)沖擊荷載下的動力響應(yīng)，為此，試驗設(shè)計了4種工況，具體工況見表2。并且為分析彈體侵徹過程中應(yīng)力波在卵石介質(zhì)中的傳播，在靶板背面水平中心線對稱布置應(yīng)變片1～4號，在側(cè)面中心位置布置應(yīng)變片5號，通過測量應(yīng)變響應(yīng)來反映沖擊過程的影響范圍。

表2 試驗工況

圖4 應(yīng)變片布置圖

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 砂卵石土試驗破壞模式分析

對級配2和級配4的砂卵石土靶分別進(jìn)行了370 m/s和530 m/s速度下的穿甲實(shí)驗。圖5給出了兩種級配在不同初始速度下的破壞模式，試驗結(jié)束后，測量了鋁板背面的破孔尺寸及卵石質(zhì)量的變化情況。

圖5 鋁板開孔大小及砂卵石土質(zhì)量損失情況

實(shí)驗中，彈體基本都從靶板背面中心位置處出靶，出靶面鋁板受到彈體沖擊，整體有向外鼓屈的趨勢，且在中心位置鋁板呈花瓣狀張開，形成橢圓形孔洞(主要是由于邊界條件造成，若為無限靶，則理論上應(yīng)該為規(guī)則的圓形)。其中JP2在370 m/s速度下開孔尺寸為36 mm×56 mm，在530 m/s速度下開孔尺寸為86 mm×110 mm。JP4在370 m/s速度下開孔尺寸為41 mm×42 mm，在530 m/s速度下開孔尺寸為77 mm×100 mm。可以發(fā)現(xiàn)，在同一速度下，開孔尺寸JP2要大于JP4，說明卵石級配對于穿甲的破壞程度有一定的影響；且根據(jù)表1可知，相比JP4來說，JP2靶體里面含有50 mm直徑的骨料，可以初步的認(rèn)為骨料的尺寸是形成這種差別的重要因素。

同時在彈體沖擊作用下，砂卵石在著靶預(yù)留孔位置(即開坑處)形成反向噴射流；在出靶位置，彈體周圍的卵石在穿甲過程中獲得了部分動能，且由于卵石極易流動，便在靶體背面破孔處形成噴射流，造成靶體質(zhì)量損失，且530 m/s速度下的卵石質(zhì)量損失量大于370 m/s時的質(zhì)量損失，如圖5。

2.2 砂卵石試驗侵徹過程

為更清楚的觀察彈體穿甲卵石靶的過程，圖6給出了兩種級配在不同速度下的高速攝影過程。

圖6 彈體對砂卵石靶的穿甲過程

從圖6中可以看出，彈體對砂卵石靶板的整個侵徹過程主要有以下幾個階段：

1)彈體撞擊在迎彈面時，由于應(yīng)力波在邊界的反射效應(yīng)，首先在著靶預(yù)留孔出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象，并形成反向的噴射流。

2)彈體在靶體內(nèi)部運(yùn)動，并且?guī)訌楏w周圍的卵石一起運(yùn)動，使周圍的卵石獲得初始動能。

3)彈體穿透靶體，并形成破孔，彈體周圍的卵石隨彈體一起從破孔噴出，形成噴射流；同時著靶處的飛濺過程繼續(xù)，噴射流結(jié)束后在骨料顆粒重力及慣性力作用下，砂卵石土沿著開孔處繼續(xù)流出，直至靶體內(nèi)砂卵石土達(dá)到新的平衡，運(yùn)動停止。

穿甲過程中，速度為530 m/s時卵石的噴射流量明顯大于370 m/s時。

2.3 應(yīng)變響應(yīng)

實(shí)驗過程中在鋁板的不同位置布置了應(yīng)變傳感器，目的是了解彈體在穿甲過程中應(yīng)力波的傳播及卵石的運(yùn)動狀態(tài)。圖7給出了370 m/s速度下JP4的5號應(yīng)變響應(yīng)(靶板側(cè)面應(yīng)變響應(yīng))。

圖7 370 m/s速度時JP4靶板側(cè)面應(yīng)變響應(yīng)

從圖中曲線的趨勢可以看出，靶板側(cè)面的應(yīng)變響應(yīng)可反映彈體穿過靶板過程中卵石對側(cè)板的擠壓情況。當(dāng)彈體開始撞擊卵石靶時，彈體會對周圍卵石施加擠壓力，迫使周圍卵石向兩側(cè)運(yùn)動，從而使側(cè)板受到卵石的瞬間沖擊力，反應(yīng)在應(yīng)變數(shù)據(jù)上為第一個峰值(側(cè)面板受拉伸向外彎曲變形，板中心應(yīng)變?yōu)樨?fù))。當(dāng)彈體穿透卵石靶時，卵石將在侵徹通道坍塌，并在前坑和后坑處形成噴射流，此時由于卵石質(zhì)量損失，側(cè)面板擠壓作用消失，拉伸變形恢復(fù)，在空氣負(fù)壓作用下內(nèi)凹，板中心應(yīng)變?yōu)樨?fù)，即在曲線上出現(xiàn)了第二個反向的峰值，該過程持續(xù)時間約為3 ms。

為進(jìn)一步分析卵石的運(yùn)動，給出了JP4背靶上的3號和4號應(yīng)變時程數(shù)據(jù)，如圖8所示。從圖中分析可知，受到彈體的撞擊，鋁板背面中心處首先受卵石擠壓向外變形，應(yīng)變值達(dá)到負(fù)向最大值；且由于3號應(yīng)變相對于4號更靠近中心位置，故3號應(yīng)變達(dá)到最大負(fù)值時間為2.54 ms，小于4號應(yīng)變片的3.26 ms。同理，當(dāng)彈體穿透卵石靶時，彈道周圍的卵石受彈體影響獲得了一定的動能，并隨著彈體向外噴出，造成質(zhì)量損失，而鋁板受彈體撞擊形成花瓣形的破孔，鋁板向外翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致附近應(yīng)變片受壓，故圖8中，3號和4號應(yīng)變值最后在正向達(dá)到一個峰值。

3 結(jié)論

文中設(shè)計了鋁板-砂卵石的組合靶正穿甲試驗，通過不同速度下兩種級配砂卵石靶的正穿甲試驗研究，得到了以下結(jié)論：

1)與混凝土等連續(xù)介質(zhì)不同的是：在前后坑處均會出現(xiàn)噴射流現(xiàn)象，這是由于卵石的流動性造成的。且卵石級配對于穿甲性能有一定的影響。

2)穿甲過程中彈道遠(yuǎn)處的卵石會向彈道周圍運(yùn)動，并導(dǎo)致邊界處鋁板受反向壓力作用。

圖8 370 m/s速度下JP4靶板背面水平方向應(yīng)變響應(yīng)