彈體侵徹不同材料靶體的失效機理研究

藍王添羽 崔亞男 于俊濤 李久昊 陳曦

摘 要：對彈體侵徹鋁合金、混凝土和花崗巖靶體時的損傷模式進行了觀察和分析，隨著彈體初始速度的不斷增加，彈體發(fā)生了質(zhì)量侵蝕、變形、破碎和材料熔融流動損失，在此基礎上分析了彈體損傷失效機理，得出彈靶撞擊侵徹響應問題的一般性結(jié)論：彈體侵徹機制的轉(zhuǎn)變是導致其侵徹性能下降或失效的根本原因。

關鍵詞：彈體;靶體;侵徹;失效

1 緒論

侵徹，是一種具有重要軍事應用背景、廣泛存在的動力學現(xiàn)象。為了便于研究，常常將實際中戰(zhàn)斗部系統(tǒng)的打擊問題簡化為實驗的彈靶撞擊問題，目前，對于該問題已有了比較廣泛的研究，包括彈體侵徹金屬靶體、混凝土介質(zhì)類靶體、復合材料靶體以及巖石類靶體。彈靶撞擊問題的一個研究重點，是如何提高彈體的侵徹性能。從技術可行性角度看，提高彈體侵徹性能最直接的方法就是增加初始撞擊速度，彈體在侵徹過程中應盡可能減少變形以保持其結(jié)構(gòu)完整性，從而保證彈體有效的侵徹性能，這是一種理想的侵徹情況。但隨著研究重點由較低撞擊速度的彈體（初始撞擊速度V0<900m/s）向超/高速撞擊彈體轉(zhuǎn)移，結(jié)果是彈體發(fā)生不同程度的質(zhì)量侵蝕，早期是在Gerlach[1]的相關研究中發(fā)現(xiàn)的。隨著彈體速度的不斷提高，彈體磨蝕而導致質(zhì)量損失也不斷加劇，甚至會發(fā)生彈體形態(tài)的變化，錢偉長[2]指出一般彈體在侵徹靶體后存在三種形態(tài)：完整、變形和破裂。

基于彈體在侵徹過程中存在的各種失效模式，本文針對彈體侵徹鋁合金靶體、混凝土靶體和巖石類靶體時的失效機理進行分析，總結(jié)出關于彈體失效機理的一般性結(jié)論。

2 彈體損傷分析

選用三個不同撞擊工況下的實驗結(jié)果，對彈體的失效模式進行分析，包括Forrestal MJ和Piekutowski AJ[3]利用卵形長桿彈對6061-T6511鋁合金靶的侵徹實驗結(jié)果、Mu Zhongcheng和Zhang Wei[4]利用卵形頭彈體撞擊混凝土靶體的實驗結(jié)果和李干、宋春明、邱艷宇[5]等人對花崗巖靶撞擊實驗結(jié)果。

利用X光記錄不同速度下彈體侵徹鋁合金靶時典型的彈體損傷圖，彈體速度范圍為600m/s-3000m/s，如圖1所示。在較低撞擊速度條件下，彈體基本沒有發(fā)生明顯的損傷，而隨著彈體撞擊速度的不斷增大，彈體發(fā)生了彎曲變形和不同程度的質(zhì)量磨蝕，在3075m/s時，彈體發(fā)生了明顯的材料流動損失，結(jié)果導致彈體長度嚴重減小。

圖2為彈體侵徹混凝土靶體工況回收的彈體，從低速到高速，彈體均發(fā)生了不同程度的質(zhì)量侵蝕，彈體頭部曲徑比CRH（頭部曲率半徑與直徑之比）逐漸減小，從1291m/s到1499m/s彈體頭部經(jīng)歷了一個由半球化到錐形化的變化過程，彈體長度減小。

圖3為侵徹花崗巖靶工況典型撞擊速度下彈體的損傷圖，彈體初始撞擊速度范圍為1000m/s-2000m/s。由圖可見，在低速撞擊條件下，彈體僅僅發(fā)生了質(zhì)量磨蝕，而隨著彈體速度的進一步增大，彈體頭部發(fā)生了彎曲變形，當速度為1808m/s時，彈體甚至發(fā)生了破碎。

總結(jié)以上彈體侵徹三種不同材料的靶體時的損傷情況發(fā)現(xiàn)，在較低速條件下彈體均發(fā)生了不同程度的磨蝕現(xiàn)象，隨著彈體速度的不斷增大，彈體會發(fā)生彈身或彈體頭部的變形，甚至發(fā)生整體結(jié)構(gòu)的破碎和材料流動損失。

3 彈體失效機理分析

由實驗后彈體表面損傷可知，彈體和靶體材料間的摩擦作用是導致彈體發(fā)生質(zhì)量侵蝕的主要原因，而彈體變形、破碎和流動損失等現(xiàn)象，彈體熱軟化現(xiàn)象則是其誘因。彈體侵徹混凝土本質(zhì)上是一個減速的能量守恒過程，在此過程中，彈體的動能轉(zhuǎn)化為熱能，而極短時間的侵徹接觸過程可認為是絕熱的，所以彈體的溫度必然會升高，使得彈體材料出現(xiàn)熱軟化現(xiàn)象，當速度進一步增大，彈體動能與熱能之間的轉(zhuǎn)化將更加迅速，彈體頭部溫升會更加明顯，軟化加重。在高溫高壓作用下，一方面彈體質(zhì)量侵蝕加重，另一方面，若彈體承受非對稱載荷作用，熱軟化狀態(tài)的彈體很容易發(fā)生變形，短桿彈的變形常常發(fā)生于頭部，長桿彈易發(fā)生于彈身部位，彈體彎曲變形到一定程度便導致其斷裂。

在彈靶撞擊侵徹問題的研究中，彈體失效，一般指彈體失去對靶體的侵徹性能。本文主要以彈體最終侵徹深度為參量，評估彈體的侵徹性能。圖4為三種工況下侵徹深度隨初始速度的變化規(guī)律，可見，在各工況既定速度范圍內(nèi)侵徹深度均呈現(xiàn)出先增大后減小、之后又略增大的變化趨勢，體現(xiàn)出彈體侵徹性能強弱的變化。

由圖1-圖3可知，當彈體速度較小時，彈體沒有發(fā)生明顯的變形破壞，可認為彈體處于剛性侵徹機制，彈體保持較好的侵徹性能。對于鋁合金靶和花崗巖靶體侵徹工況，當彈體速度增大到約1800m/s時，彈體發(fā)生了質(zhì)量流動損失，則是由于彈體在該速度下進入了半流體侵徹機制，在3075m/s時則認為彈體進入了流體侵徹機制，在彈體侵徹的初期彈體具有較好的侵徹性能，隨著侵徹的繼續(xù)進行，進入半流體或流體侵徹機制的彈體的侵徹性能大大降低，可認為彈體完全失效。對于鋁合金靶、混凝土靶和花崗巖靶體，發(fā)現(xiàn)當速度大概為1037m/s、1291m/s和1654m/s時，侵徹深度突然下降，如圖4橢圓標識部分，對應速度下的彈體分別發(fā)生了彈身彎曲變形、彈體頭部半球化和頭部變形，而此速度下彈體既不處于剛性侵徹機制，也不處于半流體侵徹機制，彈體進入了一種介于剛性侵徹機制和半流體侵徹機制之間的“過渡侵徹機制”，并且這種機制僅存在于一段很小的速度范圍內(nèi)，侵徹深度的突然降低可作為進入過渡機制的標志，宏觀體現(xiàn)為彈體的變形或頭部CRH的減小，導致彈體侵徹性能的降低，這種侵徹機制下的彈體視為處于半失效狀態(tài)。

總結(jié)以上分析結(jié)果可知，隨著彈體速度的不斷增大，彈體經(jīng)歷了由剛性侵徹機制、過渡侵徹機制、半流體侵徹機制到流體侵徹機制的轉(zhuǎn)變，彈體的侵徹性能因此降低直至失效。

4 總結(jié)

針對鋁合金、混凝土和花崗巖三種不同材料靶體的侵徹工況，分析了彈體的不同損傷模式，在此基礎上分析了彈體的損傷和失效機理，主要得出以下結(jié)論：

（1）隨著彈體速度的不斷增大，彈體發(fā)生了質(zhì)量磨蝕、變形、破碎和熔融狀態(tài)下的流動性質(zhì)量損失。

（2）彈體的熱軟化現(xiàn)象是彈體發(fā)生結(jié)構(gòu)性損傷的誘因，而彈體侵徹機制的轉(zhuǎn)變則是導致彈體侵徹性能降低或者失效的根本原因。

參考文獻：

[1]Gerlach U.Microstructural analysis of residual projectiles-a new method to explain penetration mechanisms[J].Metallurgical and Materials Transactions A，1986，17（3）：435-442.

[2]錢偉長.穿甲力學[M].北京：國防工業(yè)出版社，1984.

[3]Forrestal MJ，Piekutowski AJ.Penetration experiments with 6061-T6511 aluminum targets and spherical-nose steel projectiles at striking velocities between 0.5 and 3.0 km/s[J].Int J Impact Eng，2000，24（1）：57-67.

[4]Mu ZC，Zhang W.An investigation on mass loss of ogival projectiles penetrating concrete targets[J].Int J Impact Eng，2011，38（8）：770-778.

[5]李干，宋春，邱艷宇，等.超高速彈對花崗巖侵徹深度逆減現(xiàn)象的理論與實驗研究[J].巖石力學與工程學報，2018，37（1）：60-66.

項目來源：天津市級創(chuàng)新訓練項目（項目編號：201810059083）

作者簡介：崔亞男（1992-），男，河北衡水人，碩士，主要研究方向：沖擊動力學。