爆炸成型彈丸侵徹軌條砦毀傷行為研究

張 利，鐘世威，肖艷文，寸 輝

(1.安徽東風機電科技股份有限公司， 合肥 231202； 2.北京理工大學， 北京 100081； 3.陸軍裝備部裝備項目管理中心， 北京 100074)

1 引言

軌條砦是一種由鋼軌和混凝土基座組成的岸防工事，常成陣列排布于海岸，用于阻滯登陸，是登陸作戰中重點打擊目標。目前通常使用殺爆戰斗部毀傷軌條砦，但破片、爆轟產物等毀傷元對軌條砦毀傷能力不足，效率低下，且爆轟后的登陸場遍布炸坑，不利于后續登陸行動。因此，近年來爆炸成型彈丸(EFP)毀傷軌條砦成為研究熱點。

魏濤等研究了藥型罩厚度和炸藥爆轟參數對EFP成型影響，得出了戰斗部裝藥種類和藥型罩頂部厚度對EFP成型的影響規律。孫艷馥等研究了EFP成型過程和對混凝土靶目標的侵徹毀傷行為，揭示了聚能裝藥對混凝土目標具有顯著擴孔作用。Hu等采用了試驗與數值仿真，研究了EFP對混凝土靶的毀傷能力，獲得了藥型罩材料、混凝土類型和靶板結構對毀傷作用的影響規律，可用于藥型罩與裝藥匹配設計優化。

目前研究爆炸成型彈丸侵徹混凝土目標毀傷效應時，主要采用無限大、有限厚度的目標靶，其邊界效應可忽略不計，研究結論適用于碉堡工事等大型目標，而對于軌條砦這類小尺寸目標，EFP命中不同部位時目標的毀傷行為尚不清楚。本文中采用數值模擬與試驗驗證的方法對該問題進行研究。

2 有限元模型

為了研究EFP侵徹軌條砦毀傷作用行為，采用LS-DYNA有限元軟件，獲得EFP成型后速度、質量等特性參數作為侵徹行為研究初始參數，并對EFP命中軌條砦不同位置毀傷行為進行數值模擬。EFP聚能裝藥計算模型及有限元模型如圖1所示，其中裝藥口徑=106 mm，殼體厚度2 mm，靠炸藥一側藥型罩曲率半徑=80 mm，裝藥長度=75 mm，藥型罩軸線厚度=6 mm，藥型罩邊緣厚度=6 mm。殼體與藥型罩采用的狀態方程、強度模型及參數列于表1所示，材料參數來源于文獻。

圖1 EFP聚能裝藥有限元模型示意圖

殼體和藥型罩采用Shock狀態方程，該狀態方程表述為：

式中：=-1；和分別為Rankine-Hugoniont直線的截距和斜率；為Grüneisen系數。

藥型罩采用Johnson-Cook強度模型，該模型的屈服強度表述為：

式中：為材料屈服強度；為等效塑性應變；參考應變率=10 s；為準靜態下材料屈服強度；、為應變硬化影響因子；為應變率敏感系數；為溫度軟化指數；相對溫度=(-)(-)，其中，為溫度，為環境室溫，為材料熔點。

殼體采用Gruneisen方程，該方程中壓縮材料壓力可表述為：

式中：是沖擊波速度-曲線的截距；是Grüneisen系數；是修正系數，、、是-曲線斜率的系數。

混凝土采用HJC模型描述，考慮無量綱等效應力可表示為損傷度、壓力和應變率的函數，即：

=[(1-)+*][1+ln]

式中：=(為真實等效應力，為準靜態單軸抗壓強度)；=為無量綱壓力，單元真實靜水壓，無量綱應變率，、分別為真實和參考應變率，為材料損傷因子(0≤≤1)。和為歸一化內聚強度和壓力硬化系數，為材料硬化指數，為應變率系數。

由于無量綱應力隨無量綱壓力增大而增大，存在歸一化最大強度，定義為。而對于HJC模型的損傷演化方程，定義混凝土損傷因子為，0≤≤1，其表達式如下：

表1 數值模擬參數

表2 混凝土HJC模型主要參數

3 數值模擬結果與分析

為簡化計算，將成型后EFP等效為相同動能的一個半球頭部、圓柱彈體的侵徹體。等效侵徹體的直徑為24 mm，質量為3 620 g，速度為1 500 m/s。EFP等效模型與軌條砦靶標模型如圖2所示。

圖2 EFP等效模型與軌條砦基座模型示意圖

為分析EFP命中不同位置對軌條砦毀傷特性，選取目標正中心、中心左側200 mm與中心上方200 mm等多處為命中點，EFP以1 505 m/s速度侵徹軌條砦，典型侵徹結果如圖3所示，EFP侵徹軌條砦典型位置、典型時刻應力云圖如圖4、圖5所示。

圖3 等效EFP毀傷軌條砦仿真結果示意圖

圖4 軌條砦典型位置毀傷結果應力云圖

圖5 軌條砦典型時刻毀傷結果應力云圖

由圖可知，EFP侵徹軌條砦時，主要產生徑向與環向2種裂紋。彈靶碰撞瞬間在混凝土中內形成高壓應力波，撞擊點及其周圍小范圍內材料因為碰撞沖擊壓力而粉碎；隨著應力波的迅速擴散，其壓力峰值迅速降低，無法繼續壓碎混凝土，而是通過壓力導致材料“劈裂”，形成大量較為均勻的徑向裂紋；當應力波傳播至軌條砦表面，壓縮應力波在自由界面反射為拉伸應力波，重新向目標內部傳播，在混凝土中形成大量周向裂紋。徑向裂紋與周向裂紋共同造成了軌條砦的碎裂。

侵徹軌條砦中心位置時，EFP對混凝土靶整體毀傷效果較好，在各個方向上都出現了貫穿裂紋；侵徹中心左側200 mm位置時，周向裂紋多集中于上部，右側裂紋較少，但也呈貫穿狀；侵徹正中心上方時，周向裂紋主要集中在靶體上部，底座部分裂紋非常少。這是因為徑向裂紋由壓縮波產生，其分布受邊界條件影響很小，因此當EFP命中目標不同部位時，徑向裂紋都以命中位置為中心較均勻分布；而周向裂紋由應力波自由邊界反射產生，受命中點位置影響明顯。命中點離某一邊界越近，壓縮波到達邊界時峰值越高，反射波的拉應力峰值也就越大，產生的周向裂紋也就越多。

4 有效性驗證

4.1 試驗方法

采用靜爆威力試驗驗證數值模擬的有效性，研究EFP戰斗部對軌條砦的毀傷效果。試驗中使用的軌條砦尺寸與數值模擬中一致，混凝土基座按C35標準澆制而成，養護期為28 d。EFP戰斗部水平放置于地面距離軌條砦3 m處，瞄準點為混凝土基座中心左側4處與中心上側35處，利用高速攝影拍攝毀傷全過程。試驗現場布置與瞄準點如圖6所示。

圖6 試驗示意圖和現場布置圖

4.2 典型試驗結果

EFP戰斗部對混凝土基座毀傷過程典型高速攝影如圖7所示。全過程可分為EFP成型、飛行、侵徹，混凝土基座碎裂、碎片飛散過程。通過高速攝影可以看到，試驗選用的藥型罩成型良好，EFP準確擊中混凝土基座，并通過動能侵徹混凝土基座。混凝土基座在碰撞位置形成侵孔，靶體產生裂紋。EFP彈丸侵入混凝土基座內部，靶體裂紋迅速擴張，混凝土基座前部開始碎裂飛散，裂紋不斷向靶體兩側擴展。最終，混凝土基座除底部外，其他部分均掀飛、碎裂，混凝土基座迎彈面碎裂程度更高，背面靶體殘塊體積稍大。

圖7 EFP對軌條砦毀傷過程高速攝影

4.3 試驗與仿真結果對照

EFP侵徹軌條砦毀傷結果數值模擬與試驗對比圖如圖8所示，由圖8可知，EFP戰斗部對混凝土基座實際毀傷效果、裂紋情況同數值模擬結果比較接近，表明等效EFP對混凝土侵徹數值模擬能夠比較真實地反映混凝土基座裂紋及毀傷情況。

圖8 混凝土基座上部位置中心正侵徹數值模擬 與試驗局部對比圖

從對比圖中可以看出，在裂紋分布情況上，仿真與試驗結果擬合較好。當瞄準點位于中心偏左時，軌條砦右上角部分幾乎完整脫落，形成了一個大尺寸碎塊，而軌條砦的左半部分則碎成了較為均勻的小塊；當瞄準點位于中心偏上時，軌條砦迎彈面上部碎成了較為均勻的小塊，而下半部分基本保持完整留在原地，也形成了大尺寸碎塊。同時從高速攝像中可以發現，EFP命中目標中心上部后，從側面看，混凝土中裂紋主要向下延伸，因而形成了比仿真中更大的后部碎塊。這是因為鋼軌的加入使其周圍的混凝土材料獲得了類似鋼筋混凝土結構的更好的抗拉強度，從而抑制了這一區域裂紋的延伸。

試驗結果表明，由于混凝土材料抗拉強度遠小于其抗壓強度的特性，當命中位置偏離中心時，在命中點與較近的界面之間產生裂紋集中現象，周向裂紋大量集中于這一很小的范圍內，導致目標破碎不均勻，更容易形成大尺寸碎塊，清障效果變差。

5 結論

采用LS-DYNA動力學軟件對爆炸成型彈丸侵徹軌條砦毀傷效應進行了數值模擬研究，并驗證了數值計算結果的有效性。主要結論如下：

1) EFP毀傷軌條砦時徑向裂紋主要由壓應力產生，周向裂紋主要由拉伸波產生。徑向裂紋以命中點為中心均勻分布，命中位置對其分布情況影響較小。命中中心位置時，周向裂紋均勻分布，命中點偏離中心時，周向裂紋集中于命中點和與其較近的自由表面之間。

2) 通過數值模擬與試驗發現，當EFP命中位置偏離軌條砦中心時，更容易形成大塊完整的混凝土殘骸，導致清障效果不佳，驗證了數值模擬的有效性。