韓衛(wèi)衛(wèi)，宋素亞，陳友治，李新平

(1.河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)，工程管理與房地產(chǎn)學(xué)院，鄭州 450046；2.武漢理工大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430070；3.武漢理工大學(xué)，道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

0 引 言

混凝土作為最大宗的人造石材之一，以其強(qiáng)度高、耐久性好和原材料來源廣泛、制備工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)而被廣泛、大量應(yīng)用于民用和軍事建筑領(lǐng)域。但是，在其應(yīng)用過程中存在自重大、脆性大(拉壓比小)、易開裂等不足，尤其當(dāng)受到彈體沖擊作用時(shí)作為靶體的混凝土常會(huì)因其脆性大而在強(qiáng)大作用力下產(chǎn)生爆裂和碎塊，造成對(duì)人員和設(shè)備的“二次危害”。

為改善混凝土靶體的脆性，降低沖擊荷載作用下產(chǎn)生的“二次危害”，提升整體結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能，目前最常用的技術(shù)手段是基于遮彈層理論，采用多層復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)。Shirai等[1]對(duì)平頭彈下雙層鋼筋混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)靶板的抗侵徹性能進(jìn)行了研究，指出采用雙層靶體設(shè)計(jì)能夠顯著提升單層靶體的抗沖擊性能。Tedesco等[2]通過對(duì)常規(guī)武器爆炸波下分層結(jié)構(gòu)相關(guān)性能的研究，指出相對(duì)單一結(jié)構(gòu)層材料而言，采用不同分層材料組合的結(jié)構(gòu)能夠顯著地提升結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能。宋博等[3]通過對(duì)不同分層結(jié)構(gòu)材料抗侵徹性能的研究，指出通過優(yōu)化組合多層復(fù)合材料的組成和結(jié)構(gòu)形式能夠顯著提升分層結(jié)構(gòu)材料的防護(hù)性能。Wang等[4]采用LS-DYNA數(shù)值模擬對(duì)不同初速度彈體下由混凝土和土壤組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)靶的抗侵徹性能進(jìn)行了研究，指出采用混凝土和土壤結(jié)構(gòu)復(fù)合能夠很好地提升靶體的整體抗侵徹性能。楊少偉[5]基于遮彈層理論分析提出了一種由活性粉末混凝土、蜂窩結(jié)構(gòu)、泡沫鋁及鋼纖維混凝土復(fù)合組成的多層復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)，并通過試驗(yàn)對(duì)其抗侵徹性能進(jìn)行了研究，指出相比單一纖維混凝土防護(hù)結(jié)構(gòu)而言，采用復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)其侵徹深度能夠降低1/3。楊柳等[6]基于DYNA-3D非線性有限元軟件對(duì)由氧化鋁陶瓷、鋼板和高強(qiáng)纖維混凝土組合成的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗侵徹性能進(jìn)行了研究，指出采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠顯著提升結(jié)構(gòu)的抗侵徹性能。相對(duì)單一混凝土防護(hù)結(jié)構(gòu)層，多層混凝土防護(hù)結(jié)構(gòu)雖然其整體防護(hù)能力較高，使整體防護(hù)結(jié)構(gòu)具有多種優(yōu)異的性能，但其在動(dòng)態(tài)沖擊荷載作用下，由于相鄰兩層結(jié)構(gòu)層間組成、性能相差一般較大而極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)層間發(fā)生相對(duì)位移或?qū)恿训默F(xiàn)象，也即結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了新裂縫或裂紋，最終造成整個(gè)結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的大大降低，甚至在某些特殊情況下還低于同等條件下單一混凝土防護(hù)結(jié)構(gòu)層。由此，為了進(jìn)一步提升混凝土結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能，必須改善和提升多層復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)中相鄰結(jié)構(gòu)層間的性能匹配性。

梯度功能材料(Functionally Graded Materials，簡(jiǎn)稱FGM)是指在材料制備和成型過程中，采用先進(jìn)的復(fù)合成型技術(shù)使材料各組分在特定方向(通常是指一維厚度方向)上形成組分或形態(tài)結(jié)構(gòu)呈梯度變化的一種材料[7](如圖1所示)。

圖1 梯度功能材料組分-性能變化示意圖Fig.1 Composition and performance change diagram of FGM

相對(duì)傳統(tǒng)復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，梯度功能結(jié)構(gòu)材料具有以下突出優(yōu)勢(shì)[8-10]：

(1)用梯度功能結(jié)構(gòu)材料作為復(fù)合結(jié)構(gòu)中兩層相鄰材料間的連接區(qū)段，由于梯度功能結(jié)構(gòu)材料組分和性能的漸變能夠較大程度地提高復(fù)合結(jié)構(gòu)中相鄰兩層材料間的粘結(jié)強(qiáng)度;

(2)用梯度功能材料作為兩分層結(jié)構(gòu)材料間的緩沖地帶，能夠很好地減小或降低材料由于成型方式過快、彈性模量和溫度等不同而造成的界面交叉點(diǎn)以及應(yīng)力自由端點(diǎn)的應(yīng)力奇異性；

(3)采用相應(yīng)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)間的梯度變化，亦即分層結(jié)構(gòu)間是靠梯度材料連接，使整體結(jié)構(gòu)材料在荷載作用下發(fā)生微裂紋破壞時(shí)，由于應(yīng)力在不同粒子中的移動(dòng)速度不同，梯度結(jié)構(gòu)中組分的漸變會(huì)使應(yīng)力在其傳播過程中發(fā)生分散效應(yīng)，從而能夠有效地阻止和延緩整體結(jié)構(gòu)內(nèi)、外部裂紋的擴(kuò)展趨勢(shì)和速度。

由此，若能夠采用相應(yīng)的技術(shù)手段等使多層復(fù)合結(jié)構(gòu)間的層間過渡界面能夠?qū)崿F(xiàn)或達(dá)到梯度形式的變化，則能夠較大程度上改善和解決多層混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)層間性能存在的不匹配性，從而進(jìn)一步提升多層混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的防護(hù)和其他性能。基于此，本文以多層復(fù)合材料中應(yīng)力波的傳播特性為理論依據(jù)并結(jié)合梯度功能結(jié)構(gòu)材料基本原理，采用梯度分層化設(shè)計(jì)方法，提出了一種梯度功能型復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合試驗(yàn)對(duì)其抗侵徹性能進(jìn)行了研究，以期為特殊環(huán)境下高性能防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制備提供重要的理論指導(dǎo)。

1 FGCS設(shè)計(jì)理論及方法

1.1 設(shè)計(jì)理論

圖2 彈體侵徹過程中應(yīng)力波的傳播示意圖Fig.2 Schematic diagram stress wave propagation during projectile penetration

當(dāng)復(fù)合層狀結(jié)構(gòu)材料受到彈體的沖擊作用時(shí)，基于應(yīng)力波理論可知，因材料組成、性能間存在差異導(dǎo)致聲阻抗不同，造成在層間界面處反射波和透射波的生成。假設(shè)彈體沖擊侵徹作用下產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力波在經(jīng)過復(fù)合層狀結(jié)構(gòu)的層間界面處時(shí)傳播方向與界面是保持垂直的，則當(dāng)某一入射應(yīng)力波δ1經(jīng)過兩種不同聲阻抗(前后聲阻抗分別為(ρ0C0)1和(ρ0C0)2)的靶體介質(zhì)時(shí)，就會(huì)在聲阻抗為(ρ0C0)1的介質(zhì)1上產(chǎn)生反射波δr和聲阻抗為(ρ0C0)2的靶體介質(zhì)2中傳播透射波δt(如圖2所示)。

假若沖擊波在傳播過程中不同聲阻抗靶體介質(zhì)始終能夠保持相連，則根據(jù)連續(xù)介質(zhì)理論和牛頓第三定律，入射應(yīng)力波、反射波和透射波速度間存在以下關(guān)系：

V1+Vr=Vt

(1)

σ1+σr=σt

(2)

其中，V1、σ1，Vr、σr，Vt、σt分別表示入射波、反射波和透射波的波速和沖擊波的應(yīng)力?；谌N波的波面動(dòng)量守恒定律則有：

(3)

由此，根據(jù)式(2)可得：

(4)

(5)

由式(4)和式(5)可知，當(dāng)相對(duì)(ρ0C0)2，(ρ0C0)1較大時(shí)，則經(jīng)界面反射后的應(yīng)力波與入射應(yīng)力波異號(hào)，此時(shí)相對(duì)入射波應(yīng)力波幅值而言，透射波應(yīng)力波的幅值較小，應(yīng)力波被減弱，應(yīng)力波的傳播就經(jīng)歷了所謂由“硬材料”到“軟材料”的過程。若想提升靶體結(jié)構(gòu)材料的防護(hù)性能，使應(yīng)力波的傳播經(jīng)歷從“硬材料”到“軟材料”的傳播過程，便是一種有效的提升措施。而大多防護(hù)結(jié)構(gòu)通過在其外部添加強(qiáng)度、硬度較高的材料作為遮彈層來提升整體結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能，也是基于這個(gè)理論。

當(dāng)(ρ0C0)1=(ρ0C0)2時(shí)，則Vr和σr均為零，也即在相鄰兩層介質(zhì)的界面處，入射波傳播過程中不會(huì)產(chǎn)生反射波，換言之兩層介質(zhì)間的波阻抗較好。動(dòng)態(tài)沖擊荷載作用下混凝土的破壞大多與自由表面上的拉伸應(yīng)力波相關(guān)，也即反射波相關(guān)。因此，若多層復(fù)合結(jié)構(gòu)中沖擊應(yīng)力波在相鄰界面處產(chǎn)生的Vr和σr均為零，則整體防護(hù)性能則得到極大提高。但是，一般多層復(fù)合結(jié)構(gòu)中相鄰兩層結(jié)構(gòu)材料組成、性能是不同的，也即(ρ0C0)1不會(huì)等于(ρ0C0)2，若采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段使(ρ0C0)1與(ρ0C0)2相差不大，則也能盡量降低界面處反射波的強(qiáng)度，最終實(shí)現(xiàn)整體防護(hù)性能的極大提高。

基于此并結(jié)合遮彈層理論，本文提出了一種梯度功能復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)外層是高強(qiáng)、高抗沖擊遮彈層吸收彈體沖擊作用下的大部分能量，同時(shí)其特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使之具有高的耐久性能；結(jié)構(gòu)內(nèi)層是吸能緩沖結(jié)構(gòu)層，較大程度上吸收經(jīng)結(jié)構(gòu)外層傳遞過來的能量，降低結(jié)構(gòu)背面產(chǎn)生的崩落現(xiàn)象；同時(shí)，中間過渡層由不同含量的結(jié)構(gòu)外層和結(jié)構(gòu)內(nèi)層組合而成，使其因?yàn)榧婢呓Y(jié)構(gòu)外層和結(jié)構(gòu)內(nèi)層的某些主要特性而能夠較大程度上降低和減小結(jié)構(gòu)外層和結(jié)構(gòu)內(nèi)層波阻抗匹配性，從而實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的最大發(fā)揮。然而，對(duì)于混凝土防護(hù)結(jié)構(gòu)材料而言，其性能的影響因素較多，且宏觀上看似是材料組分均分分布，其實(shí)微觀結(jié)構(gòu)上不同部位的材料組成相差較大，在準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下較少表現(xiàn)出來，當(dāng)其受到較大動(dòng)態(tài)荷載作用時(shí)，因其材料組成不均勻性引起的性能差異就可能變得十分明顯。因此，若要將混凝土結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)成在微觀程度上組分的變化遵循梯度結(jié)構(gòu)材料組分變化的規(guī)律將是十分困難，甚至難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@不僅涉及到材料學(xué)、流體力學(xué)，還與固體力學(xué)緊密相關(guān)。此外，有關(guān)水泥基梯度功能結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)理論和制備技術(shù)手段仍不成熟，極大限制了混凝土結(jié)構(gòu)在微觀程度上梯度變化的實(shí)現(xiàn)。故而，在結(jié)構(gòu)外層和結(jié)構(gòu)內(nèi)層中間梯度過渡層的設(shè)計(jì)和制備過程中，本文采用了梯度分層化技術(shù)，即將梯度過渡層進(jìn)行分層化處理(如圖3所示)，基于多相分層成型法制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從結(jié)構(gòu)外層到結(jié)構(gòu)內(nèi)層組分、含量的層狀變化。

圖3 梯度功能復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖
Fig.3 Schematic diagram of FGCS design

1.2 材料體系設(shè)計(jì)

基于梯度功能復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)外層的高強(qiáng)、高抗沖擊性能以及結(jié)構(gòu)內(nèi)層的吸能緩沖功效，基于目前有關(guān)遮彈層結(jié)構(gòu)材料及吸能緩沖結(jié)構(gòu)材料的研究報(bào)道，本文選用超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete,簡(jiǎn)稱UHPC)作為結(jié)構(gòu)外層，多孔陶?；炷磷鳛榻Y(jié)構(gòu)內(nèi)層。相對(duì)普通混凝土和高性能混凝土，超高性能混凝土作為遮彈層具有突出的力學(xué)性能和耐久性等(如表1所示)。對(duì)于多孔結(jié)構(gòu)材料，在動(dòng)態(tài)荷載作用下，當(dāng)其受到的沖擊能量較低時(shí)，多孔材料會(huì)表現(xiàn)出宏觀上的均勻準(zhǔn)靜態(tài)變形。當(dāng)受到的沖擊能量較高時(shí)，多孔材料會(huì)發(fā)生內(nèi)部胞元的逐層崩塌，變形在內(nèi)部單元之間逐次傳播[11]，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線上有一段平行于X軸(即應(yīng)變)的曲線。由此，在動(dòng)態(tài)荷載作用下，多孔材料能夠發(fā)生較大的變形，且在該階段其受到的應(yīng)力能夠保持幾乎不變。通過此過程，多孔材料可將大量的能量轉(zhuǎn)化為塑性能并以熱能的形式耗散掉，從而起到緩沖、減震的效應(yīng)。多孔陶粒混凝土是以無機(jī)多孔陶粒作為骨料制備的多孔結(jié)構(gòu)材料，不僅使骨料與水泥砂漿基體間具有較強(qiáng)的粘結(jié)作用力，提高整體強(qiáng)度，減少和降低結(jié)構(gòu)外層和結(jié)構(gòu)內(nèi)層間因強(qiáng)度相差太大而引起的性能不匹配問題。同時(shí)，陶粒中大量孔隙結(jié)構(gòu)及凝結(jié)硬化后因水分蒸發(fā)、水泥水化等形成的孔隙結(jié)構(gòu)能夠在較大程度上減緩動(dòng)態(tài)沖擊荷載作用下的能量。

表1 混凝土相關(guān)性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of concrete

超高性能混凝土主要原料有：P·O 52.5水泥(C)，Ⅰ級(jí)粉煤灰(FA)，硅灰(SF)，河砂(0～0.6 mm(砂1)和0.6～1.25 mm(砂2))，直線型鋼纖維和聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，簡(jiǎn)稱PVA)纖維，SBT外加劑及碳酸鋰。其配合比如表2所示，坍落擴(kuò)展度830 mm，28 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別為20.2 MPa和162.3 MPa。多孔陶?；炷林饕嫌校篜·O 52.5水泥，Ⅰ粉煤灰，石英砂(0～0.6 mm)，陶粒(2～4 mm)及SP外加劑。其配合比如表3所示，28 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別為16.9 MPa和118.9 MPa。

表2 超高性能混凝土配合比Table 2 Mix proportion of UHPC

注：鋼纖維和PVA纖維的添加量是體積摻量。

表3 陶?；炷僚浜媳萒able 3 Mix proportion of haydite concrete

1.3 組分及結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)

梯度功能結(jié)構(gòu)材料一般是指由兩種組分不同的材料沿著某個(gè)方向按照一定的規(guī)律(例如粘結(jié)力最大、導(dǎo)熱系數(shù)最低、熱應(yīng)力最小[12]等)進(jìn)行分布的結(jié)構(gòu)材料。由此，若要對(duì)某一梯度功能結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先要基于理論分析或試驗(yàn)研究確定梯度功能結(jié)構(gòu)材料兩種材料的主要組分，并依據(jù)一定的規(guī)律或計(jì)算算法確定這兩種組分在梯度結(jié)構(gòu)空間位置上的分布規(guī)律。其次，在兩種材料組分部分規(guī)律確定的基礎(chǔ)上，通過理論和試驗(yàn)研究對(duì)梯度結(jié)構(gòu)的形式進(jìn)行確定。所以，梯度功能結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)包括組分設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩大部分。

(1)組分設(shè)計(jì)：根據(jù)FGCS設(shè)計(jì)理論，利用ANSYS/LS-DYNA軟件首先對(duì)不同梯度分布指數(shù)下由超高性能混凝土、梯度過渡層及多孔陶?；炷两M成的梯度結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗侵徹性能研究?；趶楏w侵徹深度、彈體剩余速度及靶體總吸收能量的綜合分析，得到滿足設(shè)計(jì)要求的梯度功能結(jié)構(gòu)的最佳組分形式。

(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：對(duì)于梯度功能結(jié)構(gòu)材料而言，最重要的便是過渡層的設(shè)計(jì)及制備。基于梯度功能結(jié)構(gòu)材料基本原理可知，對(duì)于某一種復(fù)合層狀結(jié)構(gòu)材料而言，假若將界面進(jìn)行無限界面劃分，那么在某種程度上可認(rèn)為其是遵循梯度分布的。然而對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)材料而言，若將上下兩層界面分為無限層或者很多層，那么不僅難以制備，同時(shí)在成分上也難以確定等。因此，為了便于試驗(yàn)研究，本研究中將梯度過渡層設(shè)置為2層，即FGCS由超高性能混凝土(結(jié)構(gòu)外層)、梯度過渡層1、梯度過渡層2和多孔陶粒混凝土(結(jié)構(gòu)內(nèi)層)四部分組成。梯度過渡層是由不同體積分?jǐn)?shù)的結(jié)構(gòu)外層和結(jié)構(gòu)內(nèi)層組成，其體積分?jǐn)?shù)的大小受到梯度分布指數(shù)的控制?；贔GCS最佳組分形式，采用共和梯度方法，利用fortran計(jì)算軟件對(duì)總厚度為L(zhǎng)(本文以24 cm為例)的靶體材料進(jìn)行梯度結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究，求得基于彈體最小剩余速度和最小侵徹深度下FGCS不同結(jié)構(gòu)功能層的最佳厚度分布。FGCS組分及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程可簡(jiǎn)化為圖4所示，其計(jì)算結(jié)果如表4和表5所示。

表4 FGCS最佳組分分布Table 4 Optimal component of FGCS /%

注：表中含量是結(jié)構(gòu)外層在該層的質(zhì)量含量。

表5 FGCS最佳厚度分布Table 5 Optimal thickness of FGCS /cm

圖4 FGCS設(shè)計(jì)流程圖
Fig.4 Flowchart of FGCS design

2 抗侵徹性能試驗(yàn)及結(jié)果討論

試驗(yàn)過程中測(cè)試試樣有FGCS組和雙疊層結(jié)構(gòu)組(由超高性能混凝土結(jié)構(gòu)外層和多孔陶?；炷两Y(jié)構(gòu)內(nèi)層兩層組成)兩種。且測(cè)試試樣均采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，基于其最佳材料組分及結(jié)構(gòu)形式，采用多相分層成型法依次對(duì)各功能層進(jìn)行澆筑，后一層的澆筑應(yīng)在前一層澆筑混凝土初凝之前完成，同時(shí)在后一層澆筑時(shí)應(yīng)盡量不要對(duì)前一層造成很大的影響。澆筑順序依次為結(jié)構(gòu)內(nèi)層、梯度過渡層2、梯度過渡層1和結(jié)構(gòu)外層。在結(jié)構(gòu)外層澆筑完后，用抹刀對(duì)表面進(jìn)行處理，以便成型試樣表面平整利于試驗(yàn)研究。

測(cè)試試樣為直徑36.1 cm的圓柱體，高度24 cm，其周圍用鋼管固定。FGCS的厚度分布以圖4的計(jì)算為準(zhǔn)，同時(shí)雙疊層結(jié)構(gòu)組第一層為純超高性能混凝土結(jié)構(gòu)外層，厚度為FGCS的結(jié)構(gòu)外層和梯度過渡層1的厚度總和，而雙疊層結(jié)構(gòu)組第二層為純多孔陶?；炷两Y(jié)構(gòu)內(nèi)層，厚度為FGCS的梯度過渡層2和結(jié)構(gòu)內(nèi)層的厚度總和。

圖5 侵徹過程示意圖Fig.5 Schematic diagram of the penetration process

試驗(yàn)在江蘇省南京市南京理工大學(xué)湯山軍工試驗(yàn)中心進(jìn)行，其試驗(yàn)過程：將測(cè)試試樣(靶體)通過吊裝設(shè)備進(jìn)行吊裝并結(jié)合其他設(shè)備對(duì)其在特定位置進(jìn)行固定，然后將高速攝像機(jī)(每秒2000幀)、錫箔靶、擋板和發(fā)射槍也分別進(jìn)行固定和安裝，最后在所有設(shè)備安裝完畢及完好的情況下，通過火藥推動(dòng)彈體使彈體獲得初始動(dòng)能對(duì)靶體進(jìn)行侵徹試驗(yàn)研究(如圖5所示)。彈丸采用30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度合金鋼(直徑×長(zhǎng)度：14.5 mm×87 mm)，彈頭曲率比CRH=4，質(zhì)量為65 g，硬度HRC=45，彈體密度為7850 kg/m3，彈體速度為500～1000 m/s。在試驗(yàn)過程中對(duì)破壞后靶體試樣進(jìn)行留照(如圖6所示)，同時(shí)對(duì)不同測(cè)試組試驗(yàn)的彈體侵徹深度、成坑深度等分別進(jìn)行記錄，其結(jié)果如表6所示。

圖6 彈體侵徹作用下靶體破壞形貌圖
Fig.6 Graphic of the samples after penetration

表6 抗侵徹試驗(yàn)結(jié)果
Table 6 Results of penetration test

名稱彈體速度V/(m/s)平均成坑面積A/mm2成坑深度h/mm侵徹深度H/mmFGCS組5255680.9717.12846247097.3118.381056849670.2421.0111071410338.3421.6812076910909.0522.6612781411698.3122.9913386413901.5323.2614587914078.6325.6714996215328.9126.39155雙疊層結(jié)構(gòu)組5335876.2817.201005716077.6618.691085986553.5522.371156959855.8323.6713473710392.4624.3215377511665.7525.8916483012451.7826.2417288814441.5326.8718994615237.9927.12201

由表6可以看出，隨著彈體侵徹速度的增大，F(xiàn)GCS組及雙疊層結(jié)構(gòu)組靶體的平均成坑面積、成坑深度及侵徹深度均呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。同時(shí)，相對(duì)于雙疊層結(jié)構(gòu)組靶體，F(xiàn)GCS組靶體的平均成坑面積、成坑深度變化不大，但相近速度下彈體的侵徹深度存在一定的差異，且隨著彈體侵徹速度的增加這種差異越明顯。為進(jìn)一步對(duì)此結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)靶體不同彈體速度侵徹作用下的成坑面積、成坑深度和侵徹深度進(jìn)行了擬合求解，如圖7至圖9所示。

由圖7可知，隨著彈體侵徹速度的增加，兩種不同結(jié)構(gòu)組靶體的成坑面積均表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，且其成坑面積與彈體侵徹速度間存在以下的線性關(guān)系：

FGCS組靶體：

A=23.17944V-6633.88607

(6)

雙疊層結(jié)構(gòu)組靶體：

A=24.34149V-7493.75372

(7)

混凝土靶體在彈體侵徹作用下，因?yàn)閺椡枧c靶體接觸面處產(chǎn)生較大的應(yīng)力，且此應(yīng)力遠(yuǎn)大于混凝土靶體的極限抗壓強(qiáng)度，而使接觸面處的混凝土靶體材料產(chǎn)生壓縮和剪切破壞，在碰撞點(diǎn)附件產(chǎn)生徑向裂紋，最終形成一個(gè)較大的侵徹面積，也即成坑面積。隨著彈體侵徹速度的增加，其在靶體接觸處產(chǎn)生的沖擊作用力也會(huì)隨之增加，進(jìn)而因壓縮和剪切破壞而在碰撞點(diǎn)附近產(chǎn)生的徑向裂紋也會(huì)不斷增大，最終形成較大的成坑面積。因此，隨著彈體侵徹速度的增加，靶體成坑面積也隨之增大。同時(shí)，結(jié)合不同彈體侵徹速度下FGCS組和雙疊層結(jié)構(gòu)組靶體成坑面積的變化規(guī)律(式(6)、式(7))可知，在同一彈體侵徹速度下，F(xiàn)GCS組靶體的成坑面積較小，但其大小相差不大。這主要是因?yàn)榕c彈體接觸的混凝土靶體材料均由同一組分超高性能混凝土組成，在彈體沖擊作用下，其材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性相似，故而具有相似的成坑面積。

圖7 成坑面積與彈體速度參數(shù)關(guān)系圖
Fig.7 Crater area against projectile impact velocity

圖8 成坑深度與彈體速度參數(shù)關(guān)系圖
Fig.8 Crater depth against projectile impact velocity

與彈體成坑面積相似，隨著彈體侵徹速度的增加，彈體在靶體結(jié)構(gòu)材料上的成坑深度也不斷增大(圖8)?；趶楏w成坑面積形成的過程分析可知，彈體在靶體結(jié)構(gòu)材料上的成坑深度也主要與彈體初始能量(動(dòng)能)大小有關(guān)，當(dāng)彈體動(dòng)能較大時(shí)，則成坑面積較大，成坑也較深，反之成坑面積和成坑深度均會(huì)較小。因此，對(duì)于FGCS組靶體和雙疊層結(jié)構(gòu)組靶體而言，隨著彈體侵徹速度的增加，其成坑深度也會(huì)隨之增大。同時(shí)，靶體的成坑深度與彈體侵徹速度間滿足以下關(guān)系：

FGCS組靶體：

h=0.02153V+5.77687

(8)

雙疊層結(jié)構(gòu)組靶體：

h=0.02314V+6.70007

(9)

由圖8及式(8)、式(9)易知，在相同彈體侵徹速度下，F(xiàn)GCS組靶體的成坑深度較小，這可能是因?yàn)樵谙嗤瑥楏w侵徹作用下，雖然侵徹彈體的初始動(dòng)能相同，但是由于靶體的結(jié)構(gòu)形式存在差異，造成彈體在形成漏斗狀的成坑過程中靶體材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性不同，使之彈體在侵徹過程中所受侵徹阻力的大小不同所致。

由圖9可以看出，隨著彈體侵徹速度的增加，彈體的侵徹深度也隨之增加，且當(dāng)彈體侵徹速度相差不大時(shí)，F(xiàn)GCS組靶體的侵徹深度較小。同時(shí)，靶體的侵徹深度與彈體侵徹速度間存在以下關(guān)系：

FGCS組靶體：

H=0.16714V-1.5796

(10)

雙疊層結(jié)構(gòu)組靶體：

H=0.2508V-34.72544

(11)

圖9 侵徹深度與彈體速度參數(shù)關(guān)系圖Fig.9 Penetration depth against projectile impact velocity

侵徹深度，作為防護(hù)結(jié)構(gòu)防護(hù)性能評(píng)價(jià)中最直接、最重要的指標(biāo)參數(shù)，無論是對(duì)于防護(hù)結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的評(píng)價(jià)，還是對(duì)于結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的設(shè)計(jì)均具有重要的研究意義。侵徹深度，是指從彈體與靶體接觸位置開始算起到彈體在靶體中運(yùn)動(dòng)軌跡的垂直長(zhǎng)度。侵徹深度小，則說明靶體結(jié)構(gòu)的抗侵徹性能好，反之，則說明靶體結(jié)構(gòu)的抗侵徹性能差。若彈體速度較高擊穿了靶體結(jié)構(gòu)，則可通過彈體最后剩余速度大小來評(píng)價(jià)靶體結(jié)構(gòu)的抗侵徹性能。彈體剩余速度小，則說明靶體結(jié)構(gòu)的抗侵徹性能較好，反之，則說明靶體結(jié)構(gòu)的抗侵徹性能較差。結(jié)合圖9及式(10)、式(11)可知，在相同彈體侵徹速度下，F(xiàn)GCS組靶體的侵徹深度較小，且隨著彈體速度的增大FGCS組靶體與雙疊層結(jié)構(gòu)組靶體侵徹深度間的差異越明顯。當(dāng)彈體速度為950 m/s時(shí)，相對(duì)雙疊層結(jié)構(gòu)組靶體，F(xiàn)GCS組靶體的侵徹深度減少了25.6%。

這說明了相對(duì)單一材料結(jié)構(gòu)組靶體和雙疊層結(jié)構(gòu)組靶體，采用梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的梯度結(jié)構(gòu)組靶體具有較高的抗侵徹性能。

3 結(jié) 論

(1)以多層復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)力波的傳播特性為理論依據(jù)并結(jié)合梯度功能結(jié)構(gòu)材料基本原理，采用梯度分層化設(shè)計(jì)方法，提出了特殊環(huán)境下梯度功能復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)果主要由高抗沖擊結(jié)構(gòu)外層、梯度過渡層和吸能緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)層三部分組成。同時(shí)，利用ANSYS/LS-DYNA和fortran軟件通過對(duì)不同梯度分布指數(shù)下抗侵徹性能及不同厚度組合下抗侵徹性能的計(jì)算研究，指出了梯度功能復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)的最佳組分及最佳厚度組成。

(2)通過對(duì)不同彈體侵徹速度下FGCS組靶體和雙疊層結(jié)構(gòu)組靶體抗侵徹性能的試驗(yàn)研究，指出彈體成坑面積、成坑深度及侵徹深度與彈體速度間均存在線性的變換關(guān)系。同時(shí)，相對(duì)雙疊層結(jié)構(gòu)組靶體，F(xiàn)GCS組靶體表現(xiàn)出優(yōu)異的抗侵徹性能，且隨著彈體侵徹速度的增加，其抗侵徹性能會(huì)變得更突出。當(dāng)彈體速度為950 m/s時(shí)，相對(duì)雙疊層結(jié)構(gòu)組靶體，F(xiàn)GCS組靶體的侵徹深度減少了25.6%。