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1、第四届全国计算爆炸力学会议论文集 488 带弱连接结构弹体斜侵彻混凝土试验研究 吕中杰 徐钰巍 黄风雷 王周 皮爱国 段卓平 （北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081） 摘 要：摘 要：应用152mm轻气炮对弹体斜侵彻混凝土的侵彻轨迹进行了试验研究，利用高速摄影系统及 靶前镜面反射装置记录了弹体着靶前飞行姿态及侵彻初期弹尾偏转姿态，得到了弹坑区弹体速度、 方向偏转角、开坑尺寸、斜侵彻深度以及弹道破坏特征。设计了带弱连接结构弹体正斜侵彻混凝土 的试验，探讨了弱连接结构对侵彻初期弹体速度、方向偏转角变化趋势的影响，为带弱连接结构弹 体斜侵彻混凝土的理论研究提供了可靠的实验数
2、据。 关键词：关键词：方向偏转角；斜侵彻；弱连接结构；混凝土 Experimental Research on a Projectile with a Weakly-Connected-Structure Oblique Penetration into Concrete L Zhong-jie, XU Yu-wei, HUANG Feng-lei, WANG Zhou, PI Ai-guo, DUAN Zhuo-ping (State key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Techno
3、logy, Beijing 100081) Abstract: The ballistic trajectory of a projectile oblique penetration into concrete was investigated experimentally by 152mm gas gun. High-speed video camera and mirror in front of the target were used to record the attitudes of projectile and its tail near the target. A store
4、d acceleration meter was used to record the history of the acceleration during the penetration process. The projectile velocity, transverse deflection angle, crater dimension, oblique penetration depth and ballistic trajectory have been presented. A projectile with weakly-connected-structure oblique
5、 penetration had been investigated to demonstrate the effect of the weakly-connected-structure to projectile velocity and transverse deflection angle. Those experimental data would contribute to theoretical study about the mechanics of projectile with weakly-connected-structure oblique penetration.
6、Keyword: oblique penetration; weakly-connected-structure; concrete; transverse deflection angle 弹体对混凝土介质的侵彻现象一直是武器研制和防护工程的热点问题。近年来，有相关文献报 道了弹体对混凝土材料非正侵彻现象的试验研究和理论探讨1-7，文献中带前舱结构的侵彻现象以正 侵彻为主8-11， 对带弱连接结构弹体非正侵彻混凝土的实验研究和理论探讨仍有待深入。 前舱为导弹 仪器舱内装有导引头等关键部件， 其结构会对弹体的非正侵彻过程产生一定的影响。 本文利用152mm 轻气炮系统，以直径64mm的弹体对半
7、无限混凝土靶进行不同倾角的侵彻试验，测量了不同倾角的 侵彻开坑尺寸、侵彻深度以及弹道破坏特征，并使用高速摄影系统及靶前镜面反射装置记录了弹体 着靶前的飞行姿态、水平速度及侵彻初期弹尾偏转姿态，进而确定侵彻初期弹坑区弹体速度及方向 偏转角的变化情况。并与带弱连接结构的弹体正斜侵彻混凝土实验结果进行比较，以得到带弱连接 结构弹体对混凝土靶侵彻初期弹体速度、方向偏转角变化的影响效果。 带弱连接结构弹体斜侵彻混凝土试验研究 489 1 试验设计试验设计 如图1所示，152mm轻气炮由高压气室（容积100L） 、发射管（内径152mm长28m）和靶室 组成，使用气体是由隔膜气体压缩机加压、由高压储氮罐（
8、0.38m3）提供的高压氮气。靶室由金属 垫块、混凝土靶板、密封舱室组成。探针法测量弹速系统由触发探针、脉冲形成网络和示波器组成； 高速摄影系统由CCD高速摄像机、反射镜、背影板、光源系统、脉冲触发装置组成。 12345 6 79810 1.高压气室 2.快开阀 3.接真空泵 4.发射管 5.接真空泵 6.靶室 7.脱壳装置 8.CCD 高速摄像机 9.反射镜 10.混凝土靶 1. High pressure chamber 2. Quick-release valve 3. Jointing vacuum pump 4. Launch tube 5. Jointing vacuum pump
9、 6. Testing chamber 7.Uncoating section 8.CCD camera 9. Mirror 10. Concrete target 图 1 侵彻实验设备示意图 Fig.1 The schema of penetration experimental equipment 弹体材料为35CrMnSiA，头部CRH系数为3，长径比为5。弹托及弱连接结构如图2所示，弱 连接结构材料为LY12硬铝，壁厚为2.5mm，圆锥形头部的锥角为64.5，内嵌圆柱形尼龙块。混凝 土靶长1.1m，直径1.2m，周围有厚度为3mm的钢箍，靶板前表面预制不同倾角，以实现弹道平面 内弹轴与
10、靶板前表面不同夹角的侵彻过程。混凝土弹性模量为26.88GPa，密度为2.265g/cm3。 2 试验结果及分析试验结果及分析 1.弹托 2.底板 3.支撑环 4.弹体 5.尼龙块 6.弱连接结构 1.Cabin 2. Soleplate 3.Underlaying loop 4. Projectile 5. Nylon block 6. Weakly-connected-structure 图 2 弹托及弱连接结构示意图 Fig.2 The schema of cabin and weakly-connected-structure 2.1 侵彻靶破坏特征侵彻靶破坏特征 实验在152 mm一
11、级轻气炮上进行，实验后靶板破坏情况如图3 所示，靶板破坏区域明显可分 为弹坑区和隧道区两个区域。倾角越大，靶板表面的破坏区域越大。在正侵彻情况下，靶板破坏区 域关于弹着点对称，并伴有明显的对称裂纹。当倾角 30时，沿弹体侵彻方向靶板破坏范围增大，靶板表面破坏区近似呈椭圆形，同时垂直侵彻深 度Hp 逐渐减小。 10.5o 15.5o 21.5o 31.4o *31.0o 0o *0o 图 3 不同倾角下靶板破坏情况（*为带有弱连接结构弹体的试验） Fig. 3 Damage on targets at different oblique angles（* denotes the situatio
12、n with weakly-connected-structure） 图4给出了描述靶板表面及弹道破坏特征的相应参数。Y轴与H轴平面为弹道平面，弹体方向 偏转（由方向偏转角描述）发生在弹道平面内。对于斜侵彻，弹体（虚线所示）在弹坑区的方向 12 3 465 12 3 4 第四届全国计算爆炸力学会议论文集 490 偏转角会随侵彻进程而有所变化，且不同弹速、不同侵角的方向偏转角的变化不尽相同。O点为 弹着点，Ho为弹着点最大侵深。Hp为弹体最大垂直侵深。Tp为弹体姿态修正后最大侵深。侵彻弹体 终态轴线与靶板表面在弹道平面内的夹角为 。 对于倾角为31的侵彻 （编号4、5） ， 夹角小于5， 弹体终
13、态轴线几乎与靶板表面平行。不同倾角的弹道轨迹如图5所示，Y/d为弹道平面内弹道轨迹 各点沿Y轴的位移与弹径之比，H/d为相应的垂直深度与弹径之比。倾角较小的弹道轨迹近似呈直 线，超出一定倾角（约30）的弹道轨迹出现了明显拐点。若侵角再增大会有跳弹现象出现。 比较图5中倾角31.0（带弱连接结构）和31.4的侵彻轨迹可以发现，带弱连接结构弹体的最 大垂直侵深Hp值比不带弱连接结构弹体最大垂直侵深Hp值略小（Tp值相同） ，同时其侵彻速度也略 低。分析弱连接结构对侵彻过程的影响，由于着靶前的弱连接结构与弹体速度相同，具有一定的动 能，其结构处于弹体前部，能够对混凝土材料产生一定的预开坑作用，同时也
14、对弹体侵彻有阻挡作 用产生一定的能量耗散。预开坑作用可以增加弹体的侵彻效果，但是弹体对弱连接结构的结构解体 也会损失一部分动能，这与文献11报道相一致。上述两种作用的综合影响集中发生在着靶点附近， 致使弱连接结构对冲击过程的综合影响效果无法直接应用靶板表面及弹道等破坏特征参数的数据变 化来描述。 图 4 非正侵彻靶板表面及弹道破坏特征 图 5 不同倾角的弹道轨迹 Fig.4. Character of target surface and ballistic trajectory Fig.5. Ballistic trajectories for difference oblique angl
15、e 随倾角增大，弹着点下方混凝土材料由于反射拉伸波的作用破坏区最大半轴长（Ya）增大，上方 崩落破坏区最大半轴长（Yb）减小。破坏区最大半轴长随倾角变化的相对趋势如图6所示。在相对较小 的侵角范围内（20o） ，弹着点下方破坏区域最大相对半轴长受侵角影响变化不大（5 Ya/d20o） ，Ya/d受侵角的影响有明显增加趋势。弹着点上方破坏区域最大相对半轴 长（Yb/d）随侵角的增加呈线性减小趋势。但这种趋势无法明确地表现出弱连接结构对冲击过程的 影响。 图 6 弹着点下方及上方破坏区域随侵角变化趋势 Fig.6. Destroyed tendencies under and upper cont
16、act point 表1为侵彻弹速及侵深数据。对于正侵彻，最大垂直侵深Hp/d、与Ho/d数值相同。对于斜侵彻， 随倾角增加，Tp/d逐渐大于Hp/d，Ho/d逐渐减小。开坑后弹体进入隧道区的侵彻可近似为弹体侵 彻半无限混凝土的过程。因此，应用动态空腔膨胀理论12的半经验公式可计算得到弹体理论侵深 Hp1/d。如表1所示，Hp1/d应以相应的Tp/d数据为比较对象，由相对误差数据可知，Hp1/d与Tp/d数 据相差不大。但侵深数据仍无法直观描述弱连接结构的影响情况。 带弱连接结构弹体斜侵彻混凝土试验研究 491 表表 1 侵彻弹速及侵深数据侵彻弹速及侵深数据 Table 1 Data of projectile velocity and depth of penetration 编 号 Vcamera （ms-1） vprobe （ms-1） （o） （o） Hp/d Tp/d Hp1/d 相对误差 1 423 42
