《1 前言》

1 前言

关于弹体侵彻混凝土介质的理论和实验研究的报道很多[1~5]，弹体侵彻混凝土是一个高过载、高应变率的强冲击过程，这对弹体结构强度提出很高要求。 一般情况下弹壁设计得较厚，而且弹体材料需具备高强高韧的性能。 但是在某些情况下，需要将弹体设计为薄壁结构，这就对弹体的结构强度和侵彻能力带来较大问题。 文章以实验为主，结合理论分析和数值计算，对一种薄壁结构的弹体侵彻钢筋混凝土靶板进行了系统的研究。

《2 弹体设计》

2 弹体设计

弹体为卵形结构（见图 1 ），材料采用 35CrMnSiA ，头形系数为 3 。弹尖采用底部直径 30 mm 、锥角 60° 的锥形结构。 弹体壁厚与外径比约 1∶20 ，属于薄壁结构。 弹体主要参数见表 1 。

《图1》

图1 弹体结构示意图

Fig.1 Schematic of projectile structure

《表1》

表1 弹体参数

Table1 Parameter of projectile structure

《3 弹体侵彻能力和结构强度分析》

3 弹体侵彻能力和结构强度分析

《3.1 侵彻过程理论分析》

3.1 侵彻过程理论分析

采用 YOUNG 方程[6]，预估弹体在 200 ~ 400 m/s 着速下，对 35 MPa（配筋率 1.5 % ）钢筋混凝土靶的侵彻能力。 计算表明，在保持结构完整的前提下，薄壁弹体以 300 m/s 的着速贯穿典型钢筋混凝土靶板（ 35 MPa ）的深度约为 0.6 m 。

采用 SAMPLL 程序预估弹体的侵彻过载，在300 m/s 的着速下，弹体侵彻 35 MPa 钢筋混凝土的过载峰值约为 20 000 g 。

结合理论分析的数据，初步确定所设计的薄壁弹体的侵彻能力为 0.6 m 厚钢筋混凝土层。

《3.2 弹体侵彻过程的数值计算》

3.2 弹体侵彻过程的数值计算

运用 LS - DYNA 软件分析弹体的侵彻过程。考虑到弹体为薄壁结构，贯穿厚靶时弹体结构强度可能受到较大影响，对该弹体贯穿薄靶（ 0.3 m 厚、35 MPa 钢筋混凝土靶板）进行了计算。 弹体着速为 300 m/s ，落角分别为 60° 和 90° 。 图 2 所示为弹体以 300 m/s 速度、60° 落角穿靶后弹体结构变形情况，图 3 所示为弹体以 300 m/s 速度垂直贯穿混凝土靶板过程中的弹体速度。

《图2》

图2 弹体以 300 m/s 速度、60° 落角穿靶后弹体结构变形情况

Fig.2 Schematic of projectile on penetrating concrete target．Impacting velocity is 300m/s， obliquity is 60°

《图3》

图3 弹体以 300 m/s 撞击速度垂直贯穿混凝土靶板过程中的弹体速度

Fig.3 Velocity of projectile on penetrating concrete target．Impacting velocity is 300 m/s， obliquity is 90° 

计算结果表明，不同条件下弹体均贯穿了 0.3 m 厚的钢筋混凝土靶板。 300 m/s 着速下，弹体垂直贯穿靶板后剩余速度约为 250 m/s ，动能为着靶前的 69 % ，证明弹体还具有继续侵彻的能力。 弹体结构基本完好，斜侵彻时侧壁及弹头弧线部发生少许塑性变形。

《4 弹体材料力学性能研究》

4 弹体材料力学性能研究

选用弹体材料的重要参考指标是材料的强度和韧性。 此外，薄壁弹体比厚壁弹体在强冲击载荷下更容易发生变形和断裂，对材料韧性的要求更高。 在 150 ~ 600 ℃ 范围内进行了一系列 35CrMnSiA 热处理实验，比较不同条件下材料力学性能参数，最终得到该材料的最佳力学性能，如表 2 所示为弹体材料力学性能参数。

《表2》

表2 弹体材料力学性能参数

Table2 Mechanical parameters of projectile material

《5 弹体侵彻钢筋混凝土实验研究》

5 弹体侵彻钢筋混凝土实验研究

《5.1 实验装置》

5.1 实验装置

采用 130 mm 气炮，侵彻过程中，通过激光测速装置测量弹体着靶速度，利用高速摄像系统拍摄弹体着靶姿态。 实验中弹体速度由气室内气压决定，弹体在发射管内姿态由弹托决定。 调整混凝土靶板的倾斜度，可进行不同倾角的实验。 实验原理如图 4 所示。

《图4》

图4 弹体斜侵彻混凝土靶板示意图

Fig.4 Schematic of projectile on oblique penetrating into concrete target

注：1 ―弹托；2 ―弹体；3 ―激光测速系统；4 ―脱壳装置；5 ―混凝土靶板；6 ―炮管；7 ―靶箱；8 ―光测窗口；9 ―高速摄像系统。

《5.2 钢筋混凝土靶板》

5.2 钢筋混凝土靶板

实验用钢筋混凝土靶板强度为 35 MPa ，外用厚度为 5 mm 的薄钢板箍紧。 直靶厚度 300 mm ，斜靶倾角 30° ，中心厚度 500 mm ，配筋率 0.6 % ，钢筋直径 6.5 mm ，钢筋网格 100 mm × 100 mm ，层间距 100 mm 。 考虑到气炮实验时靶室的尺寸限制，选取钢筋混凝土靶板的尺寸为 1 200 mm 。 实验时在目标靶板背面约 400 mm 距离处放置 1 200 mm ×300 mm 钢筋混凝土挡靶一块，用于弹体回收和防护。

《5.3 弹体侵彻钢筋混凝土实验》

5.3 弹体侵彻钢筋混凝土实验

5.3.1 斜侵彻实验

研究在斜侵彻过程中薄壁弹体的结构强度。实验条件为：速度约 300 m/s ，30° 倾角。 实验结果：弹体结构基本完整，尾部有少量塑性变形；弹体贯穿斜靶后嵌入挡靶之中，侵彻深度约 600 mm ，如图 5 所示为实验前后弹体及实验后靶板破碎图片。

《图5》

（ a ）实验前弹体图片

（ b ）实验后弹体图片

（ c ）实验后混凝土靶图片

图5 弹体及混凝土靶板图片

Fig.5 Photographs of projectile and concrete target

5.3.2 攻角侵彻实验

实验条件：速度 300 m/s ，0° 倾角。 攻角 5° ，考核弹体在攻角侵彻环境下的结构强度。 实验结果：弹体结构完整，300 mm 厚钢筋混凝土靶板被穿透，侵彻深度约 600 mm ，如图 6 所示为实验前后弹体图片。

《图6》

（ a ）实验前弹体图片

（ b ）实验后弹体图片

图6 5° 攻角时弹体图片

Fig.6 Photographs of projectile at 5° yawed angle

5.3.3 垂直侵彻实验

垂直侵彻系列实验的条件为：速度约 300 m/s ，0° 倾角，0° 攻角，考核薄壁弹体垂直贯穿钢筋混凝土靶板时弹体的结构强度和侵彻深度。 实验结果：弹体穿透目标靶板和第一块挡靶，并嵌入第二块挡靶中，有效侵深约 700 mm，如图 7 所示为实验前后弹体图片。

《图7》

（ a ）实验前弹体图片

（ b ）实验后弹体图片

图7 弹体图片

Fig.7 Photographs of projectile

5.4 实验小结

实验结果汇总见表 3 。

《表3》

表3 130 mm 气炮实验结果

Table3 Experimental result on 130 mm gas－gun

理论分析认为，弹体在结构不发生破坏的前提下，有效侵深为 0.6 m 。 数值计算的结果表明，薄壁弹体在 300 m/s 着速下可成功贯穿 0.3 m 厚钢筋混凝土层，且具有继续侵彻的能力。 130 mm 气炮实验的结果表明，弹体以 250 ~ 320 m/s 速度垂直侵彻钢筋混凝土靶板时，弹体结构完整，无明显塑性变形，弹体的侵彻深度 0.6 ~ 0.7 m 。 从侵彻深度来讲，实验结果与理论分析和数值计算的结果吻合。

数值计算中，弹体斜侵彻时侧壁及弹头弧线部发生少许塑性变形，该现象与文献[7]分析结果一致，认为距弹尖三分之一弹长处，弹体承受着最大弯矩，因此该处弹壁最有可能发生塑性变形。 而在 130 mm 气炮实验中，弹体头部未出现塑性变形，可能是靶板配筋率偏低所造成。 实验中靶板配筋率为 0.6 % ，而理论分析时采用配筋率为 1.5 % ，两者有一定差异。 钢筋的疏密对弹体强度有一定影响，因此实验中薄壁弹体的弹头部分未见到塑性变形。

6 结语

设计了大装填比的薄壁弹体，从理论上研究该弹体低速侵彻混凝土靶板过程中，弹体的侵彻深度、轴向过载等参数，并给出了数值分析结果。 进行了弹体材料的力学性能实验研究，得到了 35CrMnSiA 材料的最佳力学性能。 通过气炮实验，考核了弹体的结构强度和侵彻深度。 理论分析和侵彻实验的结果相吻合，进一步证实了薄壁弹体研究工作的合理性。 研究表明：所设计的薄壁弹体在低速侵彻钢筋混凝土靶板时，弹体结构不会发生破坏，300 m/s 速度下具备侵彻贯穿 600 mm 钢筋混凝土层的能力。