蜂窩遮彈層抗彈丸侵徹實驗研究*

王起帆，石少卿，王 征，孫建虎，儲召軍

(1.后勤工程學院軍事土木工程系,重慶 401311;2.后勤工程學院巖土力學與地質(zhì)環(huán)境保護重慶市重點實驗室,重慶 401311)

蜂窩遮彈層抗彈丸侵徹實驗研究*

王起帆1,2，石少卿1,2，王 征1，孫建虎1，儲召軍1

(1.后勤工程學院軍事土木工程系,重慶 401311;2.后勤工程學院巖土力學與地質(zhì)環(huán)境保護重慶市重點實驗室,重慶 401311)

為研究蜂窩遮彈層的抗彈丸侵徹性能，采用15 mm彈體對六邊形單元蜂窩遮彈層結(jié)構(gòu)進行了侵徹實驗研究。實驗結(jié)果表明，同鋼筋混凝土遮彈層相比，蜂窩遮彈層的破壞僅發(fā)生在彈靶接觸的六邊形單元內(nèi)，且破壞面積較小，同時彈體在侵徹蜂窩遮彈層過程中易發(fā)生偏航現(xiàn)象。應用應力波傳播理論分析了實驗結(jié)果，主要是六邊形單元對其內(nèi)的混凝土約束作用及其自身阻隔作用，使混凝土抗壓強度和彈體在侵徹過程中受到的阻力增大，從而減小了彈體的破壞效應。

爆炸力學；侵徹；偏航；應力波；蜂窩遮彈層

圖1 單層蜂窩遮彈示意圖Fig.1 Schematic diagram of honeycomb layer

隨著精確制導鉆地武器打擊精度的提高，侵徹能力逐步增強，這使防護工程面臨著巨大的威脅[1]。遮彈層作為一種能提高防護工程生存能力的技術(shù)方法，引起了國內(nèi)外防護專家的高度重視，相繼研制出了如空心三棱柱遮彈層[2]、混凝土柵板遮彈層[3]、含高強RPC球柱的復合遮彈層[4]等許多遮彈層。目前，遮彈層材料、結(jié)構(gòu)形式等研究成為當今防護工程研究的重要課題。石少卿等[5]依據(jù)貝殼珍珠層的結(jié)構(gòu)及其增強機理研制了一種新型蜂窩遮彈層結(jié)構(gòu)：以外部是六邊形鋼管、內(nèi)部是混凝士的鋼管混凝土為基本單元，多個單元鋼管混凝土平行排列，且相互連接，形成了蜂窩狀結(jié)構(gòu)層[6]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于六邊形鋼管借助內(nèi)填的混凝土增強了鋼管的穩(wěn)定性，而鋼管內(nèi)的混凝土借助鋼管的約束作用，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使核心混凝土具有更高的抗壓強度和延性[7]；另外可將2個以上結(jié)構(gòu)層重疊組合成多層遮彈層結(jié)構(gòu)，層與層應錯開適當位置，交錯布置，形成多層蜂窩遮彈層。本文中對單層蜂窩遮彈層的抗彈丸侵徹性能進行實驗研究，結(jié)果表明同鋼筋混凝土遮彈層相比，蜂窩遮彈層的破壞面積明顯較小，且彈體發(fā)生了較明顯的偏航現(xiàn)象。

圖2 蜂窩遮彈層靶示意圖Fig.2 Schematic diagram of HST

1 實 驗

1.1 靶體

選用的混凝土抗壓強度為90 MPa；鋼筋抗拉強度為370 MPa；靶體厚度為200 mm，直徑為640 mm。靶體有2類：(1)蜂窩遮彈層靶(honeycomb shelter target, HST)，結(jié)構(gòu)如圖2所示，由7個六邊形鋼管混凝土單元組成，其中六邊形鋼管內(nèi)邊長120 mm，高度200 mm，鋼板厚4 mm；(2)鋼筋混凝土靶(reinforced concrete target, RCT)，在距離上下表面50 mm處各設置1層規(guī)格為70 mm×70 mm的鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑為18 mm，如圖3所示。

圖3 鋼筋混凝土靶體示意圖Fig.3 Schematic diagram of RCT

1.2 實驗方法

彈體長度為70 mm，中段直徑為10 mm，長徑比為7，距尾部端面60 mm長度內(nèi)的直徑為15 mm，頭部曲徑比為1。實驗通過改變火藥用量調(diào)整彈丸著靶速度，采用錫箔靶和電子測時儀測定彈丸著靶速度，實驗現(xiàn)場布置見如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the test layout

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 侵徹結(jié)果

對2種靶體進行侵徹實驗，實驗主要參數(shù)與結(jié)果，如表1所示，表中v為彈體速度，α為彈體入射角，β為彈體偏轉(zhuǎn)角，H為侵徹深度，其中正面為迎彈面，背面為背彈面。

表1 實驗數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data

與鋼筋混凝土靶體相比，鋼管的存在會使彈體在侵徹過程中受到附加力的作用，從而使彈體更易發(fā)生偏航現(xiàn)象；同時六邊形鋼管對其內(nèi)的混凝土約束作用，提高了混凝土抗壓強度及其他性能，從而使蜂窩靶體的破壞面積較??；同時六邊形單元把蜂窩靶體分為若干個獨立單元，使各個單元之間的破壞相互影響小，因此破壞僅僅局限在彈靶接觸的六邊形單元內(nèi)，在靶體上不會出現(xiàn)放射性裂縫，如圖5所示。

2.2 六邊形單元抗侵徹分析

在沖擊荷載的作用下，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)能夠很好地約束核心混凝土的變形以及裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展，并且壓縮波的出現(xiàn)也增強了核心混凝土抵抗沖擊的能力，因此，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的動力性能以及抗沖擊侵徹能力[8]。從應力波傳播的角度來分析六邊形蜂窩靶體抗侵徹實驗結(jié)果。

在彈體侵徹六邊形單元內(nèi)的混凝土時，出現(xiàn)的應力波將以波陣面形式在構(gòu)件中傳播。根據(jù)應力波有關(guān)理論[9]，應力波在2種介質(zhì)界面處會產(chǎn)生反射波和透射波，同時應力波的入射波和反射波又遵循疊加原理。由于鋼的介質(zhì)密度大于混凝土的介質(zhì)密度，反射波以壓縮波的形式出現(xiàn)，所以混凝土又會受到1個壓縮波的作用，這將提高混凝土的抗壓強度及變形能力。從實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在彈體速度相差不大時，蜂窩結(jié)構(gòu)靶體的破壞面積都小于鋼筋混凝土靶體的破壞面積，例如圖5(a)中正面破壞面積為180 cm2，而圖5(b)中正面破壞面積達320 cm2；在彈體侵徹過程中，彈體表面也會受到1個壓縮波的作用。如果在彈體侵徹時彈著點不處于六邊形單元中心的位置，這時彈體會受到不對稱力的作用。當射彈的速度增大，產(chǎn)生的沖擊波就變強，在界面處反射的壓縮波幅值就高，不對稱力就會越大，彈體偏航角就會越大。在侵徹HST1和 HST2時彈著點都離六邊形單元中心遠，彈體速度從566.3 m/s增大到681.7 m/s時，彈體偏航角從10°增大到18°；當彈體速度為783.3 m/s彈體偏航角反而變小為6°，這主要與彈著點處于六邊形單元中心附近的有關(guān)。在侵徹鋼筋混凝土靶體時，彈體偏轉(zhuǎn)角較小，當彈體速度為568.6 m/s時，彈體偏航角為2°；當彈體速度為696.6 m/s時，彈體偏航角為10°，從圖5(d)靶體正面圖可以看到，彈體恰好命中在鋼筋上，這使彈體偏轉(zhuǎn)角增大。從實驗結(jié)果及分析可以看出，在侵徹蜂窩結(jié)構(gòu)靶體時，彈體更易發(fā)生偏航現(xiàn)象。

2.3 蜂窩結(jié)構(gòu)抗侵徹分析

圖6 應力波在2種介質(zhì)分界面上的傳播Fig.6 Propagation of the stress wave at the interface of the two germplasm

(1)

式中:A1=ρ1c1，A2=ρ2c2。

(2)

圖7 通過鋼管后應力波的變化Fig.7 The change of stress wave after passing through the pipes

在實驗中，蜂窩結(jié)構(gòu)靶體正面混凝土的破壞都發(fā)生在彈靶接觸的六邊形單元內(nèi)，其他單元內(nèi)的混凝土都沒有發(fā)生破壞；靶體背面混凝土的漏斗坑破壞也局限在彈靶接觸的六邊形單元內(nèi)，其他六邊形單元內(nèi)的混凝土基本上沒有發(fā)生破壞。而鋼筋混凝土靶體內(nèi)混凝土的破壞除了在彈靶接觸的區(qū)域內(nèi)有漏斗坑外，在整個靶體上都有多條放射性裂縫存在。因此有了六邊形單元的阻隔作用，蜂窩結(jié)構(gòu)靶體的混凝土破壞范圍大大減小。

3 結(jié) 論

(1)相對鋼筋混凝土靶體，在侵徹蜂窩靶體過程中，彈體更易發(fā)生偏航現(xiàn)象，偏轉(zhuǎn)角的大小與彈體速度、彈著點等有關(guān)。

(2)六邊形單元提高了其內(nèi)部的混凝土抗壓強度及變形能力，蜂窩結(jié)構(gòu)靶體的混凝土破壞面積較鋼筋混凝土靶體的混凝土破壞面積小。

(3)蜂窩靶體由若干個六邊形單元組成，同時由于六邊形單元的阻隔作用，蜂窩結(jié)構(gòu)靶體的破壞范圍小于鋼筋混凝土靶體的破壞范圍。

[1] 方秦,柳錦春.地下防護結(jié)構(gòu)[M].北京:中國水利水電出版社.2009.

[2] 陳得興.層狀遮彈層研究論證報告[R].總參工程兵科研三所,1995.

[3] Underwood J M. Effectiveness of yaw-inducing deflection grids for defeating advanced penetrating weapons[R]. Air Force Civil Engineering Suport Agency, 1995.

[4] 王起帆,郭志昆,田強,等.含高強RPC球柱的復合遮彈層偏航試驗研究[J].地下空間與工程學報,2009,5(5):972-975. Wang Qifan, Guo Zhikun, Tian Qiang, et al. Experimental study on anti-penetration capabilities of a composite shelter of RPC Pummel on surface[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2009,5(5):972-975.

[5] 石少卿,劉穎芳.蜂窩狀鋼管約束混凝土防護結(jié)構(gòu):ZL03233831.7[P].2004.

[6] 石少卿,王起帆,劉穎芳,等.仿生蜂窩遮彈層抗侵徹機理及數(shù)值模擬研究[J].防護工程,2013(4):45-49. Shi Shaqing, Wang Qifan, Liu Yingfang, et al. An analysis of anti-penetration characteristics of honeycomb shelter and its numerical simulation[J]. Protective Engineering, 2013(4):45-49.

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[8] 王禮立.應力波基礎[M].2版.北京:國防工業(yè)出版社,2010.

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(責任編輯 王易難)

Experimental study on penetration-resistance characteristics of honeycomb shelter

Wang Qifan1,2, Shi Shaoqing1,2, Wang Zheng1,Sun Jianhu1, Chu Zhaojun1

(1.DepartmentofMilitaryCivilEngineering,LogisticalEngineeringUniversityofPLA,Chongqing401311,China;2.ChongqingKeyLaboratoryofGeomechanics&GeoenvironmentProtection,LogisticalEngineeringUniversityofPLA,Chongqing401311,China)

To study the hexagonal honeycomb shelter’s penetration-resistance performance, a series of experiments were done using a kind of projectile with a diameter of 15 mm. Compared with the steel reinforced concrete shelter, the penetration damage done to the honeycomb shelter occurs inside the hexagonal component element, the damaged area is relatively smaller, and the angle of the yaw in the honeycomb shelter is larger than the one found in the steel reinforced concrete shelter. Analyzing the experimental results based on the theory of the stress wave propagation, we studied the mechanism of the shelter’s strength enhancement and found that, due to the steel pipe’s restriction and countercheck, the compressive strength of the concrete and the resistance of the projectile were amplified in the process of the projectile’s penetration, thus reducing the projectile’s damaging effect on the honeycomb shelter.

mechanics of explosion; penetration; yaw; stress wave; honeycomb shelter

10.11883/1001-1455(2016)02-0253-06

2014-09-02；

王起帆(1979— )，男，博士研究生，qifan_wang@126.com。

O383 國標學科代碼： 13035

A

修回日期：2015-01-14