基于毀傷度的多層復(fù)合目標(biāo)內(nèi)爆毀傷評(píng)估

于繼來(lái),焦志剛*,李帥孝,黃維平

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.陸軍裝備部駐沈陽(yáng)地區(qū)軍事代表局駐沈陽(yáng)地區(qū)第二軍事代表室,遼寧沈陽(yáng) 110004；3.遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110045)

引言

機(jī)場(chǎng)跑道是典型多層復(fù)合目標(biāo),現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,機(jī)場(chǎng)跑道是重要打擊目標(biāo),有效的破壞機(jī)場(chǎng)跑道就可達(dá)到封鎖敵方機(jī)場(chǎng)、奪取制空權(quán)并掌控戰(zhàn)爭(zhēng)主動(dòng)權(quán)的目的[1]。

裝藥在結(jié)構(gòu)內(nèi)部爆炸產(chǎn)生的破壞是在結(jié)構(gòu)表面爆炸產(chǎn)生的破壞的20 倍左右[2]。所以研究穿甲爆破彈侵徹合適的深度之后爆炸摧毀其內(nèi)部結(jié)構(gòu)成為研究焦點(diǎn)。

李國(guó)杰等人[3]對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道進(jìn)行侵徹和毀傷的理論計(jì)算,并且進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比；齊振偉[4]進(jìn)行了隨進(jìn)彈對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道的毀傷研究。

本文采用毀傷度對(duì)不同延時(shí)彈丸在機(jī)場(chǎng)跑道內(nèi)部爆炸毀傷分析。

1 復(fù)合目標(biāo)內(nèi)爆數(shù)值模擬

1.1 模型的建立

機(jī)場(chǎng)跑道為四層,第一層為加鋪層,厚度為100mm的高強(qiáng)度混凝土,第二層為400mm 厚的混凝土,第三層為500mm 厚的砂石層,第四層為土壤層,為了方便計(jì)算,半無(wú)限的厚土壤厚度設(shè)置為600mm。彈丸口徑122mm。在裝配彈靶模型時(shí)建立1/2 模型。

圖1 彈丸垂直侵徹1#機(jī)場(chǎng)跑道

1.2 材料模型及參數(shù)

炸藥選用B 炸藥,采用Liner 態(tài)方程以及JWL 模型?；炷敛捎肞-alpha 狀態(tài)方程,RHT Concrete 模型,混凝土材料參數(shù),如表1、表2 所示,砂石與土壤的材料參數(shù)見(jiàn)表 3、表 4。

2 仿真結(jié)果分析

彈丸(戰(zhàn)斗部)在復(fù)合介質(zhì)中爆炸是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題,本文研究彈丸著速400m/s,垂直侵徹機(jī)場(chǎng)跑道,接觸機(jī)場(chǎng)跑道后引信延時(shí)起爆,引信延時(shí)時(shí)間分別為0.1ms、0.2ms、0.3ms、0.4ms,其中爆炸作用時(shí)間設(shè)置 0.1ms。

表1 加鋪層混凝土主要材料參數(shù)

表2 第一層混凝土主要材料參數(shù)

表4 土壤材料參數(shù)

毀傷度是目標(biāo)毀傷后,目標(biāo)剛度減小的百分比。損傷可變標(biāo)度從0(無(wú)損傷,剛度降低0%)到指定的最大剛度降低。可能的最大降低量為1(完全損壞,降低100%的剛度)。剛度則是在宏觀彈性范圍內(nèi),零件荷載與位移成正比的比例系數(shù),即引起單位位移所需的力。

毀傷度取值范圍[0,1],如圖5,毀傷度可分為十個(gè)等級(jí),分別為 0～0.1、0.1～0.2、0.～0.3、0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～0.7、0.7～0.8、0.8～0.9、0.9～1.0,可以憑此劃分毀傷度界限,進(jìn)而鑒定機(jī)場(chǎng)跑道的毀傷程度。毀傷程度可分為輕度、中度、重度、摧毀。

毀傷分析：

機(jī)場(chǎng)跑道仿真結(jié)果圖像處理如圖2。

通過(guò)圖2 分析,引信延時(shí)0.1ms 起爆,彈尾部在跑道上方,彈體一半侵入目標(biāo),彈丸此時(shí)速度為339m/s,炸藥爆炸為拋擲爆炸模式,大部分能量都作用在第一層加鋪層與第二層混凝土上,形成明顯漏斗坑,同時(shí)產(chǎn)生大量混凝土碎塊以及少許彈體破片拋出,以及出現(xiàn)層裂情況,砂石層極少部分破壞。通過(guò)毀傷度分析,其中完全毀傷的部分主要處在第一層與第二層,砂石層完全毀傷部分由彈頭沖擊造成,夯土層無(wú)毀傷。完全毀傷的部分外圍毀傷度不斷衰減,摧毀部分接近倒三角形狀。炸坑主要是由炸藥爆炸膨脹以及爆轟壓力的作用,第一層與第二層混凝土毀傷部分主要是彈丸沖擊,炸藥爆炸膨脹和爆轟壓力作用,爆炸后,混凝土層先產(chǎn)生徑向裂紋,緊接著產(chǎn)生環(huán)向裂紋,環(huán)向裂紋與徑向裂紋相互貫穿使混凝土結(jié)構(gòu)遭到破壞,砂石層主要是由爆轟壓力毀傷。

圖2 不同時(shí)刻1#機(jī)場(chǎng)跑道毀傷情況

表5 不同延時(shí)時(shí)間起爆毀傷數(shù)據(jù)

引信延時(shí)0.2ms 起爆,彈丸已完全進(jìn)入機(jī)場(chǎng)跑道內(nèi)部,彈尾部運(yùn)動(dòng)至第一層與第二層交界處附近,彈丸速度為293m/s,爆炸后大部分能量作用在第二層上,形成接近U 形空腔,彈丸穿孔被撐開(kāi),產(chǎn)生的碎塊被順著彈丸的穿孔飛出,出現(xiàn)層裂情況,跑道出現(xiàn)“鼓包”現(xiàn)象。其中完全毀傷的部分處于第一、二、三層,摧毀部分接近正方形。摧毀部分周圍在爆炸沖擊的作用下毀傷度逐漸降低。第一、二層毀傷部分是由彈丸沖擊應(yīng)力波以及爆炸膨脹爆轟壓力造成,第三層毀傷部分主要是由彈丸沖擊和爆轟壓力毀傷。

引信延時(shí)0.3ms 起爆,彈尾部運(yùn)動(dòng)到第二層中間位置,彈丸速度為267m/s,彈丸爆炸大部分能量作用在第三層砂石層,一二層混凝土抗壓強(qiáng)度較大,內(nèi)部爆炸后,彈丸的穿孔沒(méi)有被撐開(kāi),應(yīng)力波和爆炸產(chǎn)生的碎塊順著穿孔被排出去,出現(xiàn)層裂情況。完全毀傷的部分處于第一、二、三、四層,摧毀范圍較大。第一層摧毀部分是彈丸侵徹時(shí)所毀傷,第二層為侵徹和爆炸時(shí)毀傷,第三層是爆炸時(shí)膨脹與爆轟壓力毀傷,第四層為彈頭部受爆炸時(shí)壓力作用,使其加速?zèng)_擊所毀傷。與0.2ms 時(shí)刻相比,此時(shí)形成比較明顯的空腔且較大,能量損失較小,大部分作用在機(jī)場(chǎng)跑道上,第四層夯土層有輕微損傷。

引信延時(shí)0.4ms 起爆,彈尾部運(yùn)動(dòng)到第三層中間位置,彈頭部進(jìn)入第四層,彈丸速度為109m/s,彈丸爆炸能量絕大部分作用在第三、四層,由于侵徹深度較深,受圍壓的作用,穿孔沒(méi)有撐開(kāi)跡象,只有內(nèi)部的碎塊被爆炸產(chǎn)生的爆轟壓力被排出去,能量基本沒(méi)有損失,全部作用在機(jī)場(chǎng)跑道內(nèi)部,出現(xiàn)層裂情況。完全損壞的部分處于第一、二、三、四層,完全毀傷區(qū)域接近“葫蘆”狀,形成水滴狀空腔,與0.2ms、0.3ms 時(shí)刻相比,此時(shí)形成的空腔最大,第一、二層穿孔內(nèi)壁受爆轟作用,造成毀傷。第三層受彈丸爆炸破片沖擊以及炸藥爆轟雙重作用,摧毀最為嚴(yán)重。第四層毀傷部分是由彈頭部沖擊、炸藥爆炸造成。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著引信延時(shí)時(shí)間增加,彈丸侵徹深度增加,完全毀傷的部分先增大后減小。0.1ms 起爆,爆炸形成的漏斗坑,比較容易修復(fù),而0.2ms 起爆,加鋪層、混凝土層、砂石層有一半完全毀傷。0.3ms 起爆,混凝土層三分之一完全毀傷,砂石層一半完全毀傷。0.4ms 起爆,受介質(zhì)圍壓的影響,完全毀傷的部分最小,砂石層完全毀傷部分不到一半。機(jī)場(chǎng)跑道內(nèi)部結(jié)構(gòu)在爆轟波、應(yīng)力波、沖擊波作用下破壞,完全毀傷部分不容易修復(fù)。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)機(jī)場(chǎng)跑道,在第二層混凝土層起爆,毀傷效果最優(yōu)。