不同头部形状弹丸高速侵彻混凝土的研究
余曜1，钱建平1，周家胜2
(1. 南京理工大学，南京 210094；2. 海军驻沈阳弹药专业代表室，沈阳 110045)
摘要：针对着靶速度 1～2 km/s 的不同头部形状弹丸侵彻混凝土，采用数值模拟方法对其进行研究。介绍高速弹丸侵彻混凝土的数值仿真，分析不同头部形状对弹丸高速侵彻混凝土的影响，获得弹丸头部形状、着靶速度和侵彻深度的关系。
关键词：弹丸头部形状；侵彻；混凝土；数值模拟
中图分类号：TJ413.+2 文献标志码：A
Study of Projectile penetration into Concrete with Different No Shapes
Yu Yao1, Qian Jianping1, Zhou Jiasheng2
(1. Nanjing University of Sci. & Tec., Nanjing 210094, China;
2. Navy Permanent Reprentative in Shenyang, Shenyang 110045, China)
Abstract: Aiming at the penetration performance of projectile with different no shapes in 1~2km/s, numerical simulation method is ud to carry out rearch. Introduce the method of numerical simulation on high-velocity penetrators penetration into concrete and analysis of different no shapes of high-velocity projectile penetration concrete. The relationship between no shape, velocity and penetration depth is acquired.
Keywords: no shape of projectile; penetration; concrete; numerical simulation
0 引言
高速弹丸对坚固深层防御工事（一般以混凝土为主体材料构筑）的侵彻是一个研究历史相对较长的课题，国内外众多的科研工作者和工程技术人员通过长期的努力，在该领域取得了较多的成果。
在军事和民用领域，很多问题涉及到高速碰撞。在军事领域中，侵彻弹侵彻目标的能力和目标的防护能力引起各国的高度重视。一些重要设施（如指挥部、通讯设施和军用飞机跑道等）的防护结构越来越坚固、复杂，同时，反坚固目标的弹药（如穿甲弹、钻地弹等）的威力也越来越大。民用领域中，汽车碰撞、石油射孔、核反应堆外壳的防护和陨石撞击地球等，都涉及到高速碰撞。很多军事和民用设施的防护结构中使用了大量混凝土材料，如地下指挥室、战略导弹基地、桥梁以及电站等。
随着我国经济的不断发展，越来越多的商业利益也在海外不断延伸，我军新时期的作战任务，除了担负传统的保卫国土边疆的安全任务之外，还将担负起更重要的历史任务，即保卫我国的“利益边疆” 。根据这一指导方针，大力发展我军的武器装备，尤其是先进的深层钻地武器，成为目前紧迫的历史性任务。
对于高速弹丸侵彻混凝土的运动规律和弹丸形状的研究方面，多数研究中，弹丸的侵彻速度在1000~1500m/s。而对于着靶速度在1500m/s以上的研究较少。笔者在继承前人（侵彻速度为1000~1500m/s）研究成果的基础上略加创新，着重研究侵彻速度在1500~2000m/s时弹丸的运动规律以及弹丸头部形状对侵彻效应的影响。
1 弹丸高速侵彻混凝土研究现状
目前，国内外对中低速弹丸侵彻混凝土的研究较为透彻，但对高速条件下钻地弹的结构响应和侵彻规律研究相对较少。 理论与实验均表明，高速情况下的弹靶响应与低速下有很大的不同，当弹体撞击混凝土的速度增加到1~2km/s之间时，侵彻过程必须考虑弹体的强度，不能作为刚体处理。
在新型头形弹体侵彻混凝土的研究方面，孙传杰[1]等人做了很多的研究工作，他们针对几种典型的新型头形弹体开展了对抗压强度为9.0、28.4MPa的混凝土靶的侵彻实验。通过观测回收弹体和解剖靶体，初步认识了新型头形弹体侵彻混凝土介质的侵彻机理。
在弹体高速侵彻混凝土实验研究方面，Forrestal[2]等完成了弹头形状因子为3和4.25的2种卵形头部弹体以1300~1700m/s速度侵彻强度为19.5MPa的混凝土实验。陈小伟，李庆明[3]对处于不同速度范围的弹体，研究了其随着侵彻速度增加，侵彻机理由刚性弹体侵彻向半流体动力学侵彻的转变。武海军、王一楠和黄风雷[4]等人通过3种结构的弹体高速侵彻混凝土靶实验发现，带有刻槽的圆锥形弹体具有较好的侵彻性能，同时讨论了弹体刚性侵
彻特性。何翔、徐翔云[5]等进行了150g实心弹丸在800~1470m/s速度下侵彻素混凝土靶的实验以及不同条件下弹体高速侵彻混凝土系列实验，探讨了高速撞击条件下弹体侵彻能力、弹体侵彻稳定性、弹体变形和破坏等问题。梁斌[6]等人进行了1200m/s的弹体侵彻素混凝土靶的缩比实验研究，对高速条件下弹体的结构响应及质量侵蚀进行了讨论。宋梅利[7,8]等人针对两种不同头部形状的弹丸在800~1400m/s的速度下侵彻素混凝土靶进行了实验。上述研究基本上是针对实心弹丸开展的。
2 仿真模型的建立与计算分析
2.1仿真模型的建立
四种不同头部形状的弹丸为中空（空腔用来装填炸药，因为将卵锥形视作半穿甲弹的整个弹头，所以卵锥形弹丸为实心结构）结构，具体参数如表1所示。
表 1 四种不同头部形状弹丸的参数
弹形 | 弹长 L/mm | 弹径 D/mm | 材料密度 ρ/g/cm3 | CRH |
卵形 | 350 | 50 | 7.83 | 3 |
卵锥 | 350 | 50 | 7.83 | - |
锥形 | 350 | 50 | 7.83 | - |
新型 | 350 | 50 | 7.83 | - |
| | | | |
弹丸侵彻半无限靶板为轴对称问题，为减少计算时间，应用二维轴对称模型来求解。采用欧拉求解器，在空间中建立欧拉域并划分网格，在欧拉域内填充弹体模型及半无限混凝土靶板模型，其中弹体采用Johnson-Cook模型，混凝土靶板采用RHC模型，在弹靶响应的核心部位采用加密的网格以提高计算精度。弹丸的模型如图1所示。
(a)空心卵形 (b)实心卵锥 (c)空心锥形 (d)空心新头型
图 1 四种不同头部形状弹丸二维轴对称模型
在1000m/s到2000m/s的速度范围内，对各弹丸设置不同的着靶速度，进行侵彻仿真计算。得到如图2 所示的四种不同形状弹丸的着靶速度与侵彻深度曲线。
图2 四种形状弹丸的着靶速度-侵彻深度曲线
2.2 仿真计算结果分析
对于卵形头部弹丸，当它的侵彻速度在1000~1400m/s时，其侵彻深度随着速度的上升而增加，而在经过某一临界速度（在1400m/s左右）后，侵彻深度随着速度的增加而急剧下
降。即在1000~1600m/s之间，侵彻速度与侵彻深度之间呈抛物线关系。这与宋梅利[7,8]等人的研究结果基本一致，从而验证了该仿真模型的合理性。而在1600~1800m/s的速度范围内，侵彻深度持续减小，减小的趋势趋于平缓。而在1900~2000m/s的速度范围内侵彻深度基本不再随侵彻速度的增加而发生改变。
对于锥形头部弹丸，其侵彻规律与卵形头部弹丸基本保持一致，但是在1900~2000m/s的速度范围内其侵彻深度依旧保持较为明显的减小趋势。
对于新型头部弹丸，在1200m/s的侵彻速度下达到了其侵彻深度的极大值，随后侵彻深度迅速下降并在1900~2000m/s的速度范围内趋于平缓，侵彻深度基本不再随侵彻速度的增加而发生改变。
对于卵锥形头部弹丸，其侵彻深度一直在随侵彻速度的增加而增加，并在2000m/s的侵彻速度时其侵彻深度趋于平缓，在研究的速度范围全程内没有下降的趋势。但是观察仿真云图（如图3 所示）可以发现，卵锥形弹丸在侵彻速度在1600m/s时已经发生了很大的弹体长度减小、磨蚀和变形，虽然其侵彻深度一直与侵彻速度保持正相关，但是此时弹体已经失效。如果弹体材料的强度不够，该弹形与其他弹形相比并不适用于超高速侵彻目标。
图 3 1600m/s时卵锥形弹丸发生很大的磨蚀与变形
将各弹形的侵彻规律进行横向比较，可得出如下规律：当速度范围在1000~1200m/s时，卵锥形头部的侵彻效应最差，而其他三种头型的弹丸并无显著的差异；当速度范围在1200~1400m/s时，卵形头部弹丸的侵彻效应明显优于其他三者；当速度范围在1400~1700m/s时，锥形头部弹丸的侵彻效应要优于其他三者；当速度范围在1800m/s以上时，卵锥形弹丸由于发生大的磨蚀与变形此时已经失效，并且在此速度范围下，其他三种弹丸的侵彻效应逐渐趋于一致。
3 结束语
利用数值模拟方法研究不同头部形状弹丸在1000~2000m/s的着靶速度范围内侵彻半无限厚素混凝土靶的侵彻规律，获得弹丸头部形状、着靶速度和侵彻深度之间的关系。研究结果验证了前人在1000~1600m/s速度范围内得到的规律，并表明当速度范围在1400~1700m/
s时，锥形头部弹丸的侵彻效应要优于其他三者；当速度范围在1800m/s以上时，卵锥形弹丸由于发生大的磨蚀与变形此时已经失效，并且在此速度范围下，其他三种弹丸的侵彻效应逐渐趋于一致。研究结果对今后动能弹及半穿甲弹丸的弹形设计具有一定借鉴意义。
超高速弹对火炮发射条件、装药安定性等有严格的要求，这在现实条件下很难实现。因此高速弹侵彻效能的研究目前还是以数值计算模拟为主。下一步将继续开展装药安定性等相关问题的研究。
参考文献：
[1] 孙传杰, 卢永刚, 张方举, 等. 新型头形弹体对混凝土的侵彻[J]. 爆炸与冲击, 2010, 30(3): 269-275.
[2] Forrestal al.. A Model to Estimate Force on Conical Penetration into Dry Porous Rock.ASME.Journal of Applied Mechanics. Vol.48,1981
[3] Chen X W, Li Q M. Transition from Nondeformable Projectile Penetration to Semihydrodynamic Penetration[J]. Journal of Engineering Mechanics, 2004, 130(1):123-
127.
[4] 武海军, 黄风雷, 王一楠等. 高速侵彻混凝土弹体头部侵蚀终点效应实验研究[J]. 兵工学报, 2012, (1).
[5] 何翔, 徐翔云, 孙桂娟等. 弹体高速侵彻混凝土的效应实验[J]. 爆炸与冲击, 2010, 30(1):1-6.
