鄧勇軍，姚 勇，孫加超，劉筱玲

(1 西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 四川綿陽(yáng) 621000；2 工程材料與結(jié)構(gòu)沖擊振動(dòng)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川綿陽(yáng) 621000)

0 引言

砂卵石層介質(zhì)是一種典型的非均質(zhì)多相脆性材料，是機(jī)場(chǎng)跑道、公路等典型目標(biāo)的重要組成部分[1-3]。當(dāng)這些重要部位作為攻擊目標(biāo)時(shí)，如何有效摧毀目標(biāo)和有效發(fā)揮其防護(hù)功能成為主要關(guān)注問(wèn)題。在工程中砂卵石層介質(zhì)一般為散體材料，一般而言，不加入膠結(jié)材料的卵石層介質(zhì)可視為散體介質(zhì)-砂卵石土，對(duì)于砂卵石土的研究目前主要集中在靜載或低頻振動(dòng)下的研究[4-8]。在材料的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)研究上，主要的測(cè)試方法有原位動(dòng)力測(cè)試、動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)、共振柱實(shí)驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)等[9-13]，而對(duì)于沖擊條件下卵石層的特性卻鮮有研究。

由于卵石層介質(zhì)中卵石顆粒級(jí)配、尺寸及分布具有隨機(jī)性，造成其具有非均勻性。在深層高速侵徹條件下，砂卵石層介質(zhì)多相、非均勻性對(duì)彈體侵徹的影響相對(duì)較小；但在低速侵徹條件下，由于卵石受膨脹擠壓會(huì)發(fā)生不同程度的流動(dòng)，其多相非均勻性更加凸顯，可能會(huì)嚴(yán)重的影響彈體的彈道偏轉(zhuǎn)、彈體彎曲、靶體的毀傷效果等。故文中采用侵徹試驗(yàn)對(duì)其在動(dòng)能彈穿甲作用下的響應(yīng)特性進(jìn)行初步的研究，研究結(jié)果對(duì)于以卵石層介質(zhì)為基層材料的機(jī)場(chǎng)跑道、公路等典型目標(biāo)的毀傷評(píng)估，以及對(duì)武器戰(zhàn)斗部的研究、設(shè)計(jì)改進(jìn)具有參考價(jià)值。

1 侵徹試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 砂卵石土級(jí)配

考慮卵石級(jí)配的影響，此處設(shè)計(jì)兩種級(jí)配的砂卵石靶體試件，其中粒徑5～60 mm的石料采用卵石，粒徑小于5 mm的為河砂，并且控制材料含泥量，對(duì)所有材料進(jìn)行淘洗。按照表1所列質(zhì)量百分比進(jìn)行控制，通過(guò)篩分試驗(yàn)制得所需級(jí)配的兩組砂卵石材料，分別命名為JP2，JP4。

表1 試件級(jí)配表

1.2 靶體設(shè)計(jì)

由于砂卵石呈散體狀，試驗(yàn)過(guò)程中為保證靶體初始形狀，故采用1 mm厚的鋁制材料作為外框面板，四周采用4個(gè)角鋼(L50 mm×3 mm)組成整體框架，為防止中部初始發(fā)生鼓曲，在鋁板高度方向設(shè)置兩道加勁鋼條(寬度50 mm，厚度3 mm)，頂部不封閉，形成一個(gè)頂部為自由狀態(tài)的立方體盒子，見(jiàn)圖1。靶板尺寸為長(zhǎng)670 mm、高400 mm、厚150 mm(圖2)。為了去除鋁制面板對(duì)子彈能量的消耗，在子彈迎靶面正中預(yù)留一個(gè)直徑為50 mm圓孔，由于出靶位置未知，出靶面不作處理。將篩分得到的兩組級(jí)配砂卵石分別填入鋁制空箱中，分3層依次填入，填入一層并人工振動(dòng)密實(shí)，填滿鋁箱并保證上表面大致平整。鋁板采用工業(yè)鋁板1080制作，彈性模量為70 GPa，抗拉強(qiáng)度為100 MPa，屈服強(qiáng)度為20～90 MPa，伸長(zhǎng)率為11%～25%，20°時(shí)密度為2.7 g/cm3。

圖1 靶板框架構(gòu)造

圖2 靶板尺寸

1.3 彈體尺寸

試驗(yàn)采用直徑為25 mm、質(zhì)量230 g的45#鋼實(shí)心半球頭彈(如圖3所示)。砂卵石靶板正放置于靶體基座上，并使火炮軸線穿過(guò)靶板中心且與著靶面垂直。

圖3 彈體

1.4 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)的主要目的是研究砂卵石在強(qiáng)沖擊荷載下的動(dòng)力響應(yīng)，為此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4種工況，具體工況見(jiàn)表2。并且為分析彈體侵徹過(guò)程中應(yīng)力波在卵石介質(zhì)中的傳播，在靶板背面水平中心線對(duì)稱布置應(yīng)變片1～4號(hào)，在側(cè)面中心位置布置應(yīng)變片5號(hào)，通過(guò)測(cè)量應(yīng)變響應(yīng)來(lái)反映沖擊過(guò)程的影響范圍。

表2 試驗(yàn)工況

圖4 應(yīng)變片布置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 砂卵石土試驗(yàn)破壞模式分析

對(duì)級(jí)配2和級(jí)配4的砂卵石土靶分別進(jìn)行了370 m/s和530 m/s速度下的穿甲實(shí)驗(yàn)。圖5給出了兩種級(jí)配在不同初始速度下的破壞模式，試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)量了鋁板背面的破孔尺寸及卵石質(zhì)量的變化情況。

圖5 鋁板開(kāi)孔大小及砂卵石土質(zhì)量損失情況

實(shí)驗(yàn)中，彈體基本都從靶板背面中心位置處出靶，出靶面鋁板受到彈體沖擊，整體有向外鼓屈的趨勢(shì)，且在中心位置鋁板呈花瓣?duì)顝堥_(kāi)，形成橢圓形孔洞(主要是由于邊界條件造成，若為無(wú)限靶，則理論上應(yīng)該為規(guī)則的圓形)。其中JP2在370 m/s速度下開(kāi)孔尺寸為36 mm×56 mm，在530 m/s速度下開(kāi)孔尺寸為86 mm×110 mm。JP4在370 m/s速度下開(kāi)孔尺寸為41 mm×42 mm，在530 m/s速度下開(kāi)孔尺寸為77 mm×100 mm?？梢园l(fā)現(xiàn)，在同一速度下，開(kāi)孔尺寸JP2要大于JP4，說(shuō)明卵石級(jí)配對(duì)于穿甲的破壞程度有一定的影響；且根據(jù)表1可知，相比JP4來(lái)說(shuō)，JP2靶體里面含有50 mm直徑的骨料，可以初步的認(rèn)為骨料的尺寸是形成這種差別的重要因素。

同時(shí)在彈體沖擊作用下，砂卵石在著靶預(yù)留孔位置(即開(kāi)坑處)形成反向噴射流；在出靶位置，彈體周圍的卵石在穿甲過(guò)程中獲得了部分動(dòng)能，且由于卵石極易流動(dòng)，便在靶體背面破孔處形成噴射流，造成靶體質(zhì)量損失，且530 m/s速度下的卵石質(zhì)量損失量大于370 m/s時(shí)的質(zhì)量損失，如圖5。

2.2 砂卵石試驗(yàn)侵徹過(guò)程

為更清楚的觀察彈體穿甲卵石靶的過(guò)程，圖6給出了兩種級(jí)配在不同速度下的高速攝影過(guò)程。

圖6 彈體對(duì)砂卵石靶的穿甲過(guò)程

從圖6中可以看出，彈體對(duì)砂卵石靶板的整個(gè)侵徹過(guò)程主要有以下幾個(gè)階段：

1)彈體撞擊在迎彈面時(shí)，由于應(yīng)力波在邊界的反射效應(yīng)，首先在著靶預(yù)留孔出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象，并形成反向的噴射流。

2)彈體在靶體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，并且?guī)?dòng)彈體周圍的卵石一起運(yùn)動(dòng)，使周圍的卵石獲得初始動(dòng)能。

3)彈體穿透靶體，并形成破孔，彈體周圍的卵石隨彈體一起從破孔噴出，形成噴射流；同時(shí)著靶處的飛濺過(guò)程繼續(xù)，噴射流結(jié)束后在骨料顆粒重力及慣性力作用下，砂卵石土沿著開(kāi)孔處繼續(xù)流出，直至靶體內(nèi)砂卵石土達(dá)到新的平衡，運(yùn)動(dòng)停止。

穿甲過(guò)程中，速度為530 m/s時(shí)卵石的噴射流量明顯大于370 m/s時(shí)。

2.3 應(yīng)變響應(yīng)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中在鋁板的不同位置布置了應(yīng)變傳感器，目的是了解彈體在穿甲過(guò)程中應(yīng)力波的傳播及卵石的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。圖7給出了370 m/s速度下JP4的5號(hào)應(yīng)變響應(yīng)(靶板側(cè)面應(yīng)變響應(yīng))。

圖7 370 m/s速度時(shí)JP4靶板側(cè)面應(yīng)變響應(yīng)

從圖中曲線的趨勢(shì)可以看出，靶板側(cè)面的應(yīng)變響應(yīng)可反映彈體穿過(guò)靶板過(guò)程中卵石對(duì)側(cè)板的擠壓情況。當(dāng)彈體開(kāi)始撞擊卵石靶時(shí)，彈體會(huì)對(duì)周圍卵石施加擠壓力，迫使周圍卵石向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，從而使側(cè)板受到卵石的瞬間沖擊力，反應(yīng)在應(yīng)變數(shù)據(jù)上為第一個(gè)峰值(側(cè)面板受拉伸向外彎曲變形，板中心應(yīng)變?yōu)樨?fù))。當(dāng)彈體穿透卵石靶時(shí)，卵石將在侵徹通道坍塌，并在前坑和后坑處形成噴射流，此時(shí)由于卵石質(zhì)量損失，側(cè)面板擠壓作用消失，拉伸變形恢復(fù)，在空氣負(fù)壓作用下內(nèi)凹，板中心應(yīng)變?yōu)樨?fù)，即在曲線上出現(xiàn)了第二個(gè)反向的峰值，該過(guò)程持續(xù)時(shí)間約為3 ms。

為進(jìn)一步分析卵石的運(yùn)動(dòng)，給出了JP4背靶上的3號(hào)和4號(hào)應(yīng)變時(shí)程數(shù)據(jù)，如圖8所示。從圖中分析可知，受到彈體的撞擊，鋁板背面中心處首先受卵石擠壓向外變形，應(yīng)變值達(dá)到負(fù)向最大值；且由于3號(hào)應(yīng)變相對(duì)于4號(hào)更靠近中心位置，故3號(hào)應(yīng)變達(dá)到最大負(fù)值時(shí)間為2.54 ms，小于4號(hào)應(yīng)變片的3.26 ms。同理，當(dāng)彈體穿透卵石靶時(shí)，彈道周圍的卵石受彈體影響獲得了一定的動(dòng)能，并隨著彈體向外噴出，造成質(zhì)量損失，而鋁板受彈體撞擊形成花瓣形的破孔，鋁板向外翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致附近應(yīng)變片受壓，故圖8中，3號(hào)和4號(hào)應(yīng)變值最后在正向達(dá)到一個(gè)峰值。

3 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了鋁板-砂卵石的組合靶正穿甲試驗(yàn)，通過(guò)不同速度下兩種級(jí)配砂卵石靶的正穿甲試驗(yàn)研究，得到了以下結(jié)論：

1)與混凝土等連續(xù)介質(zhì)不同的是：在前后坑處均會(huì)出現(xiàn)噴射流現(xiàn)象，這是由于卵石的流動(dòng)性造成的。且卵石級(jí)配對(duì)于穿甲性能有一定的影響。

2)穿甲過(guò)程中彈道遠(yuǎn)處的卵石會(huì)向彈道周圍運(yùn)動(dòng)，并導(dǎo)致邊界處鋁板受反向壓力作用。

圖8 370 m/s速度下JP4靶板背面水平方向應(yīng)變響應(yīng)