藥型罩材料對射流侵徹高強度混凝土影響研究*

張曉偉，肖強強，黃正祥，祖旭東，賈 鑫，馬 彬

(南京理工大學機械工程學院， 南京 210094)

0 引言

具有抗壓強度、耐久性、斷裂韌性等優異特性的高強度混凝土不斷應用于工程防護，為了有效毀傷高強度混凝土，學者們進行了研究：Elshenawy[1]對高壓下射流侵徹混凝土的研究表明隨著強度的增加聚能射流的侵徹深度呈線性下降；Resnyansky[2]針對射流侵徹C40和C200混凝土的試驗表明C200混凝土表面幾乎無崩落且侵徹深度減小22%；Zhu等[3]研究發現混凝土強度從100 MPa提高到400 MPa時，射流侵徹深度呈指數級下降，且200 MPa之后趨于極限，而孔徑僅變化1～2 mm；而Xiao[4]對于射流侵徹普通混凝土的研究表明，隨著普通混凝土強度等級提高，侵深下降了0.6%,而孔徑下降了29.2%。由此得出，高強度混凝土與普通混凝土的抗射流侵徹存在不同，為此文中將選用C200混凝土展開研究。同時學者們還根據現階段普通混凝土的藥型罩材料研究：肖強強等[5]、付恒等[6]研究表明射流對混凝土的開孔直徑隨著藥型罩密度下降而逐漸增大，且鈦合金相比紫銅開孔直徑提高了20%。王成等[7]研究了藥型罩材料對漏斗坑直徑和深度、侵徹孔直徑和侵徹深度等的影響規律。薛鑫瑩等[8]研究表明鈦合金射流侵徹鋼筋混凝土既能保證較高穿深又有較大孔徑。康彥龍等[9]研究表明鈦合金侵徹體相對紫銅、低碳鋼有能量轉換率高、獲得動能大、頭尾速度梯度小、外形更短粗等優勢，且在侵深略微減小的情況下平均孔徑提高20%。學者們關注于如何在保證一定穿深的條件下實現擴大孔，而高強度混凝土性能優異，故有必要研究藥型罩材料對侵徹高強度混凝土的影響。

綜上，針對C200混凝土，選取銅、鐵、鈦、鋁材料，設計了不同壁厚等質量藥型罩，并對其進行了數值仿真以及靜爆威力試驗，分析了藥型罩射流成型特性以及材料性能對射流侵徹C200混凝土的影響。

1 等質量藥型罩結構

為了研究材料性能對侵徹高強度混凝土的影響，同時盡量避免射流成型性能的影響，參考等質量藥型罩在相似結構下的射流特性相近[5]，以銅藥型罩為基準，改變壁厚b，設計鐵、鈦、鋁藥型罩，見圖1和表1。

圖1 藥型罩及聚能裝藥結構

表1 藥型罩參數

2 等質量藥型罩成型仿真

2.1 材料模型

主要包括藥型罩和炸藥：藥型罩銅、鐵、鈦、鋁均采用Johnson-Cook本構模型和Gruneisen狀態方程[6-7,10]，見表2、表3；炸藥8701采用JWL狀態方程[11]，見表4。

表2 藥型罩材料Johnson-Cook參數

表3 藥型罩材料Gruneisen參數

表4 炸藥8701的JWL參數

2.2 數值模型

采用Euler網格建模，在空氣域中填充炸藥、藥型罩，設置流出邊界，采用中心點起爆，見圖2。改變藥型罩壁厚，填充不同材料，即為4種聚能裝藥模型。

圖2 聚能裝藥結構仿真模型

2.3 仿真結果

將銅射流參數與文獻[12]中同種彈射流參數進行對比，文中頭部速度為6 186 m/s,文獻中X光試驗數據為6 410 m/s，兩者基本相近，表明文中數值方法基本可行，同時所采用參數來自于文獻[6-7,10-11]以及Autodyn材料庫，并在此基礎上分析等質量藥型罩下的射流成型特性。

對成型至炸高80 mm處射流狀態、頭尾速度分布、頭尾直徑、有效長度、有效質量占比、最大動能等進行統計，見圖3和表5。

圖3 射流速度分布

表5 射流成型參數

4種射流形態基本相似，隨著材料密度減小，射流直徑增加，銅射流最小，鋁射流最大；銅、鐵、鈦射流頭部速度相近，鋁射流速度較大；4種材料尾部速度相對接近；銅、鐵、鈦射流有效長度相近，鋁射流略長；有效質量占比約為30%。

對成型過程中射流動能變化情況進行對比，見圖4。得出：射流動能變化趨勢一致，峰值相近。

圖4 等質量藥型罩的動能變化規律

綜上分析，不同材料的等質量藥型罩射流成型特性基本一致。

3 等質量藥型罩侵徹試驗

經數值仿真初步研究后，進行了不同材料等質量藥型罩對高強度混凝土的靜爆威力試驗，以研究不同材料下等質量藥型罩對高強度混凝土的侵徹特性。

3.1 試驗布置

根據圖1結構，加工藥型罩，見圖5，藥型罩質量理論值為39.2 g，實際為(39.0±1.0) g；C200混凝土靶尺寸為Φ600 mm×600 mm，抗壓強度200 MPa，密度為2.4 g/cm3。

圖5 聚能裝藥實物

試驗原理及現場布置見圖6，聚能裝藥為Φ56 mm基準裝藥，靶板為高強度混凝土，炸高80 mm，采用8#火雷管中心起爆，每種材料2發靜爆威力試驗，共計8發。

圖6 靜爆威力試驗裝置

3.2 試驗結果分析

1)靶板毀傷狀況

射流對高強度混凝土的毀傷效果見圖7，射流撞擊靶板瞬間，在撞擊點處產生強壓縮波，進而混凝土介質開始沿軸向和徑向流動，同時壓縮波向四周傳播并在自由面反射形成拉伸波，兩者相互作用導致原先壓縮波迅速衰減而拉伸波不斷增強，當拉伸波強度超過混凝土動態抗拉極限時，混凝土斷裂形成漏斗坑，同時由于拉伸波作用靶板表面形成若干條“放射狀”宏觀裂紋。對比崩落區域，鈦射流最大，其次鋁、鐵，銅射流最小。

圖7 靶板毀傷效果

采用鉆芯取樣方法，取出芯樣，見圖8。4種等質量藥型罩射流均未穿透靶板，但銅射流侵徹深度最大，鐵、鋁次之，鈦射流最差；鐵、鈦、鋁射流侵徹孔徑均大于銅射流，且鈦射流侵徹孔徑較大。

圖8 射流對高強度混凝土的侵徹孔形

2)侵徹威力

統計圖8中試驗侵徹孔型，包括射流侵徹入孔直徑、孔底直徑、侵徹深度以及平均侵徹深度，見表6。

表6 侵徹試驗數據

銅、鐵、鈦射流對高強度混凝土的侵深基本服從密度法則，隨著密度降低，侵徹深度下降，鋁射流侵深略大于鈦射流，可能與鋁射流頭部速度、有效長度較大有關，還需進一步研究，見圖9。本試驗中，銅、鈦、鋁射流侵徹深度較穩定，最大與最小之差分別為12 mm、22 mm、24 mm；鐵射流侵徹深度波動較大，平均287 mm。本次試驗數據樣本量較少，數值是初步結果。

圖9 射流對高強度混凝土的侵徹深度

對比分析不同材料藥型罩在等質量下對高強度混凝土的開孔孔徑，見圖10，由圖可得：整體孔徑上，鈦射流孔徑較大，銅射流較小，鐵、鋁射流相對銅射流孔徑有所增大；在入孔直徑上，鈦射流最大，銅射流最小。

圖10 射流對高強度混凝土的開孔孔徑

對射流侵徹高強度混凝土的開孔容積進行近似計算，見表7，鈦射流的開孔容積最大，約為122 cm3，銅、鐵射流開孔容積相近，約為90 cm3，鋁射流開孔容積居中，約為101 cm3，整體來看，在等質量藥型罩結構下，鈦射流的開孔效率最高，有利于擴孔。

表7 開孔容積

4 結論

通過對不同材料等質量藥型罩射流成型仿真以及聚能裝藥對高強度混凝土的靜爆威力試驗研究，可得：

1)等質量藥型罩射流成型特性基本一致，但鋁射流頭部速度、有效長度略大于其余射流，且隨著密度減小，射流整體直徑增大；

2)銅、鐵、鈦射流侵徹深度基本服從密度法則：銅>鐵>鈦，鋁射流略大于鈦射流；相比銅射流，鈦射流侵徹孔徑最大，鐵、鋁射流居中；鈦射流開孔容積最大，開孔效率最高，鋁射流次之，銅、鐵射流基本相近。