張 利，鐘世威，肖艷文，寸 輝

(1.安徽東風(fēng)機(jī)電科技股份有限公司， 合肥 231202； 2.北京理工大學(xué)， 北京 100081； 3.陸軍裝備部裝備項(xiàng)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(zhàn)中重點(diǎn)打擊目標(biāo)。目前通常使用殺爆戰(zhàn)斗部毀傷軌條砦，但破片、爆轟產(chǎn)物等毀傷元對(duì)軌條砦毀傷能力不足，效率低下，且爆轟后的登陸場(chǎng)遍布炸坑，不利于后續(xù)登陸行動(dòng)。因此，近年來爆炸成型彈丸(EFP)毀傷軌條砦成為研究熱點(diǎn)。

魏濤等研究了藥型罩厚度和炸藥爆轟參數(shù)對(duì)EFP成型影響，得出了戰(zhàn)斗部裝藥種類和藥型罩頂部厚度對(duì)EFP成型的影響規(guī)律。孫艷馥等研究了EFP成型過程和對(duì)混凝土靶目標(biāo)的侵徹毀傷行為，揭示了聚能裝藥對(duì)混凝土目標(biāo)具有顯著擴(kuò)孔作用。Hu等采用了試驗(yàn)與數(shù)值仿真，研究了EFP對(duì)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(jié)構(gòu)對(duì)毀傷作用的影響規(guī)律，可用于藥型罩與裝藥匹配設(shè)計(jì)優(yōu)化。

目前研究爆炸成型彈丸侵徹混凝土目標(biāo)毀傷效應(yīng)時(shí)，主要采用無限大、有限厚度的目標(biāo)靶，其邊界效應(yīng)可忽略不計(jì)，研究結(jié)論適用于碉堡工事等大型目標(biāo)，而對(duì)于軌條砦這類小尺寸目標(biāo)，EFP命中不同部位時(shí)目標(biāo)的毀傷行為尚不清楚。本文中采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證的方法對(duì)該問題進(jìn)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(zhì)量等特性參數(shù)作為侵徹行為研究初始參數(shù)，并對(duì)EFP命中軌條砦不同位置毀傷行為進(jìn)行數(shù)值模擬。EFP聚能裝藥計(jì)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(cè)藥型罩曲率半徑=80 mm，裝藥長(zhǎng)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(tài)方程、強(qiáng)度模型及參數(shù)列于表1所示，材料參數(shù)來源于文獻(xiàn)。

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(tài)方程，該狀態(tài)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(shù)。

藥型罩采用Johnson-Cook強(qiáng)度模型，該模型的屈服強(qiáng)度表述為：

式中：為材料屈服強(qiáng)度；為等效塑性應(yīng)變；參考應(yīng)變率=10 s；為準(zhǔn)靜態(tài)下材料屈服強(qiáng)度；、為應(yīng)變硬化影響因子；為應(yīng)變率敏感系數(shù)；為溫度軟化指數(shù)；相對(duì)溫度=(-)(-)，其中，為溫度，為環(huán)境室溫，為材料熔點(diǎn)。

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(shù)；是修正系數(shù)，、、是-曲線斜率的系數(shù)。

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

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

式中：=(為真實(shí)等效應(yīng)力，為準(zhǔn)靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度)；=為無量綱壓力，單元真實(shí)靜水壓，無量綱應(yīng)變率，、分別為真實(shí)和參考應(yīng)變率，為材料損傷因子(0≤≤1)。和為歸一化內(nèi)聚強(qiáng)度和壓力硬化系數(shù)，為材料硬化指數(shù)，為應(yīng)變率系數(shù)。

由于無量綱應(yīng)力隨無量綱壓力增大而增大，存在歸一化最大強(qiáng)度，定義為。而對(duì)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(dá)式如下：

表1 數(shù)值模擬參數(shù)

表2 混凝土HJC模型主要參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

為簡(jiǎn)化計(jì)算，將成型后EFP等效為相同動(dòng)能的一個(gè)半球頭部、圓柱彈體的侵徹體。等效侵徹體的直徑為24 mm，質(zhì)量為3 620 g，速度為1 500 m/s。EFP等效模型與軌條砦靶標(biāo)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(duì)軌條砦毀傷特性，選取目標(biāo)正中心、中心左側(cè)200 mm與中心上方200 mm等多處為命中點(diǎn)，EFP以1 505 m/s速度侵徹軌條砦，典型侵徹結(jié)果如圖3所示，EFP侵徹軌條砦典型位置、典型時(shí)刻應(yīng)力云圖如圖4、圖5所示。

圖3 等效EFP毀傷軌條砦仿真結(jié)果示意圖

圖4 軌條砦典型位置毀傷結(jié)果應(yīng)力云圖

圖5 軌條砦典型時(shí)刻毀傷結(jié)果應(yīng)力云圖

由圖可知，EFP侵徹軌條砦時(shí)，主要產(chǎn)生徑向與環(huán)向2種裂紋。彈靶碰撞瞬間在混凝土中內(nèi)形成高壓應(yīng)力波，撞擊點(diǎn)及其周圍小范圍內(nèi)材料因?yàn)榕鲎矝_擊壓力而粉碎；隨著應(yīng)力波的迅速擴(kuò)散，其壓力峰值迅速降低，無法繼續(xù)壓碎混凝土，而是通過壓力導(dǎo)致材料“劈裂”，形成大量較為均勻的徑向裂紋；當(dāng)應(yīng)力波傳播至軌條砦表面，壓縮應(yīng)力波在自由界面反射為拉伸應(yīng)力波，重新向目標(biāo)內(nèi)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(shí)，EFP對(duì)混凝土靶整體毀傷效果較好，在各個(gè)方向上都出現(xiàn)了貫穿裂紋；侵徹中心左側(cè)200 mm位置時(shí)，周向裂紋多集中于上部，右側(cè)裂紋較少，但也呈貫穿狀；侵徹正中心上方時(shí)，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?yàn)閺较蛄鸭y由壓縮波產(chǎn)生，其分布受邊界條件影響很小，因此當(dāng)EFP命中目標(biāo)不同部位時(shí)，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(yīng)力波自由邊界反射產(chǎn)生，受命中點(diǎn)位置影響明顯。命中點(diǎn)離某一邊界越近，壓縮波到達(dá)邊界時(shí)峰值越高，反射波的拉應(yīng)力峰值也就越大，產(chǎn)生的周向裂紋也就越多。

4 有效性驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)方法

采用靜爆威力試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬的有效性，研究EFP戰(zhàn)斗部對(duì)軌條砦的毀傷效果。試驗(yàn)中使用的軌條砦尺寸與數(shù)值模擬中一致，混凝土基座按C35標(biāo)準(zhǔn)澆制而成，養(yǎng)護(hù)期為28 d。EFP戰(zhàn)斗部水平放置于地面距離軌條砦3 m處，瞄準(zhǔn)點(diǎn)為混凝土基座中心左側(cè)4處與中心上側(cè)35處，利用高速攝影拍攝毀傷全過程。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置與瞄準(zhǔn)點(diǎn)如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)示意圖和現(xiàn)場(chǎng)布置圖

4.2 典型試驗(yàn)結(jié)果

EFP戰(zhàn)斗部對(duì)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(yàn)選用的藥型罩成型良好，EFP準(zhǔn)確擊中混凝土基座，并通過動(dòng)能侵徹混凝土基座?；炷粱谂鲎参恢眯纬汕挚?，靶體產(chǎn)生裂紋。EFP彈丸侵入混凝土基座內(nèi)部，靶體裂紋迅速擴(kuò)張，混凝土基座前部開始碎裂飛散，裂紋不斷向靶體兩側(cè)擴(kuò)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(duì)軌條砦毀傷過程高速攝影

4.3 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)照

EFP侵徹軌條砦毀傷結(jié)果數(shù)值模擬與試驗(yàn)對(duì)比圖如圖8所示，由圖8可知，EFP戰(zhàn)斗部對(duì)混凝土基座實(shí)際毀傷效果、裂紋情況同數(shù)值模擬結(jié)果比較接近，表明等效EFP對(duì)混凝土侵徹?cái)?shù)值模擬能夠比較真實(shí)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?cái)?shù)值模擬 與試驗(yàn)局部對(duì)比圖

從對(duì)比圖中可以看出，在裂紋分布情況上，仿真與試驗(yàn)結(jié)果擬合較好。當(dāng)瞄準(zhǔn)點(diǎn)位于中心偏左時(shí)，軌條砦右上角部分幾乎完整脫落，形成了一個(gè)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(dāng)瞄準(zhǔn)點(diǎn)位于中心偏上時(shí)，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(shí)從高速攝像中可以發(fā)現(xiàn)，EFP命中目標(biāo)中心上部后，從側(cè)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?yàn)殇撥壍募尤胧蛊渲車幕炷敛牧汐@得了類似鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的更好的抗拉強(qiáng)度，從而抑制了這一區(qū)域裂紋的延伸。

試驗(yàn)結(jié)果表明，由于混凝土材料抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度的特性，當(dāng)命中位置偏離中心時(shí)，在命中點(diǎn)與較近的界面之間產(chǎn)生裂紋集中現(xiàn)象，周向裂紋大量集中于這一很小的范圍內(nèi)，導(dǎo)致目標(biāo)破碎不均勻，更容易形成大尺寸碎塊，清障效果變差。

5 結(jié)論

采用LS-DYNA動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)爆炸成型彈丸侵徹軌條砦毀傷效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的有效性。主要結(jié)論如下：

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

2) 通過數(shù)值模擬與試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)EFP命中位置偏離軌條砦中心時(shí)，更容易形成大塊完整的混凝土殘骸，導(dǎo)致清障效果不佳，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的有效性。