弹体低速正穿甲铝板/砂卵石组合靶的试验研究*

邓勇军，姚 勇，孙加超，刘筱玲

(1 西南科技大学土木工程与建筑学院， 四川绵阳 621000；2 工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室， 四川绵阳 621000)

0 引言

砂卵石层介质是一种典型的非均质多相脆性材料，是机场跑道、公路等典型目标的重要组成部分[1-3]。当这些重要部位作为攻击目标时，如何有效摧毁目标和有效发挥其防护功能成为主要关注问题。在工程中砂卵石层介质一般为散体材料，一般而言，不加入胶结材料的卵石层介质可视为散体介质-砂卵石土，对于砂卵石土的研究目前主要集中在静载或低频振动下的研究[4-8]。在材料的动态特性试验研究上，主要的测试方法有原位动力测试、动三轴实验、共振柱实验和振动台实验等[9-13]，而对于冲击条件下卵石层的特性却鲜有研究。

由于卵石层介质中卵石颗粒级配、尺寸及分布具有随机性，造成其具有非均匀性。在深层高速侵彻条件下，砂卵石层介质多相、非均匀性对弹体侵彻的影响相对较小；但在低速侵彻条件下，由于卵石受膨胀挤压会发生不同程度的流动，其多相非均匀性更加凸显，可能会严重的影响弹体的弹道偏转、弹体弯曲、靶体的毁伤效果等。故文中采用侵彻试验对其在动能弹穿甲作用下的响应特性进行初步的研究，研究结果对于以卵石层介质为基层材料的机场跑道、公路等典型目标的毁伤评估，以及对武器战斗部的研究、设计改进具有参考价值。

1 侵彻试验设计

1.1 砂卵石土级配

考虑卵石级配的影响，此处设计两种级配的砂卵石靶体试件，其中粒径5～60 mm的石料采用卵石，粒径小于5 mm的为河砂，并且控制材料含泥量，对所有材料进行淘洗。按照表1所列质量百分比进行控制，通过筛分试验制得所需级配的两组砂卵石材料，分别命名为JP2，JP4。

表1 试件级配表

1.2 靶体设计

由于砂卵石呈散体状，试验过程中为保证靶体初始形状，故采用1 mm厚的铝制材料作为外框面板，四周采用4个角钢(L50 mm×3 mm)组成整体框架，为防止中部初始发生鼓曲，在铝板高度方向设置两道加劲钢条(宽度50 mm，厚度3 mm)，顶部不封闭，形成一个顶部为自由状态的立方体盒子，见图1。靶板尺寸为长670 mm、高400 mm、厚150 mm(图2)。为了去除铝制面板对子弹能量的消耗，在子弹迎靶面正中预留一个直径为50 mm圆孔，由于出靶位置未知，出靶面不作处理。将筛分得到的两组级配砂卵石分别填入铝制空箱中，分3层依次填入，填入一层并人工振动密实，填满铝箱并保证上表面大致平整。铝板采用工业铝板1080制作，弹性模量为70 GPa，抗拉强度为100 MPa，屈服强度为20～90 MPa，伸长率为11%～25%，20°时密度为2.7 g/cm3。

图1 靶板框架构造

图2 靶板尺寸

1.3 弹体尺寸

试验采用直径为25 mm、质量230 g的45#钢实心半球头弹(如图3所示)。砂卵石靶板正放置于靶体基座上，并使火炮轴线穿过靶板中心且与着靶面垂直。

图3 弹体

1.4 试验工况设计

本次试验的主要目的是研究砂卵石在强冲击荷载下的动力响应，为此，试验设计了4种工况，具体工况见表2。并且为分析弹体侵彻过程中应力波在卵石介质中的传播，在靶板背面水平中心线对称布置应变片1～4号，在侧面中心位置布置应变片5号，通过测量应变响应来反映冲击过程的影响范围。

表2 试验工况

图4 应变片布置图

2 试验结果及分析

2.1 砂卵石土试验破坏模式分析

对级配2和级配4的砂卵石土靶分别进行了370 m/s和530 m/s速度下的穿甲实验。图5给出了两种级配在不同初始速度下的破坏模式，试验结束后，测量了铝板背面的破孔尺寸及卵石质量的变化情况。

图5 铝板开孔大小及砂卵石土质量损失情况

实验中，弹体基本都从靶板背面中心位置处出靶，出靶面铝板受到弹体冲击，整体有向外鼓屈的趋势，且在中心位置铝板呈花瓣状张开，形成椭圆形孔洞(主要是由于边界条件造成，若为无限靶，则理论上应该为规则的圆形)。其中JP2在370 m/s速度下开孔尺寸为36 mm×56 mm，在530 m/s速度下开孔尺寸为86 mm×110 mm。JP4在370 m/s速度下开孔尺寸为41 mm×42 mm，在530 m/s速度下开孔尺寸为77 mm×100 mm。可以发现，在同一速度下，开孔尺寸JP2要大于JP4，说明卵石级配对于穿甲的破坏程度有一定的影响；且根据表1可知，相比JP4来说，JP2靶体里面含有50 mm直径的骨料，可以初步的认为骨料的尺寸是形成这种差别的重要因素。

同时在弹体冲击作用下，砂卵石在着靶预留孔位置(即开坑处)形成反向喷射流；在出靶位置，弹体周围的卵石在穿甲过程中获得了部分动能，且由于卵石极易流动，便在靶体背面破孔处形成喷射流，造成靶体质量损失，且530 m/s速度下的卵石质量损失量大于370 m/s时的质量损失，如图5。

2.2 砂卵石试验侵彻过程

为更清楚的观察弹体穿甲卵石靶的过程，图6给出了两种级配在不同速度下的高速摄影过程。

图6 弹体对砂卵石靶的穿甲过程

从图6中可以看出，弹体对砂卵石靶板的整个侵彻过程主要有以下几个阶段：

1)弹体撞击在迎弹面时，由于应力波在边界的反射效应，首先在着靶预留孔出现飞溅现象，并形成反向的喷射流。

2)弹体在靶体内部运动，并且带动弹体周围的卵石一起运动，使周围的卵石获得初始动能。

3)弹体穿透靶体，并形成破孔，弹体周围的卵石随弹体一起从破孔喷出，形成喷射流；同时着靶处的飞溅过程继续，喷射流结束后在骨料颗粒重力及惯性力作用下，砂卵石土沿着开孔处继续流出，直至靶体内砂卵石土达到新的平衡，运动停止。

穿甲过程中，速度为530 m/s时卵石的喷射流量明显大于370 m/s时。

2.3 应变响应

实验过程中在铝板的不同位置布置了应变传感器，目的是了解弹体在穿甲过程中应力波的传播及卵石的运动状态。图7给出了370 m/s速度下JP4的5号应变响应(靶板侧面应变响应)。

图7 370 m/s速度时JP4靶板侧面应变响应

从图中曲线的趋势可以看出，靶板侧面的应变响应可反映弹体穿过靶板过程中卵石对侧板的挤压情况。当弹体开始撞击卵石靶时，弹体会对周围卵石施加挤压力，迫使周围卵石向两侧运动，从而使侧板受到卵石的瞬间冲击力，反应在应变数据上为第一个峰值(侧面板受拉伸向外弯曲变形，板中心应变为负)。当弹体穿透卵石靶时，卵石将在侵彻通道坍塌，并在前坑和后坑处形成喷射流，此时由于卵石质量损失，侧面板挤压作用消失，拉伸变形恢复，在空气负压作用下内凹，板中心应变为负，即在曲线上出现了第二个反向的峰值，该过程持续时间约为3 ms。

为进一步分析卵石的运动，给出了JP4背靶上的3号和4号应变时程数据，如图8所示。从图中分析可知，受到弹体的撞击，铝板背面中心处首先受卵石挤压向外变形，应变值达到负向最大值；且由于3号应变相对于4号更靠近中心位置，故3号应变达到最大负值时间为2.54 ms，小于4号应变片的3.26 ms。同理，当弹体穿透卵石靶时，弹道周围的卵石受弹体影响获得了一定的动能，并随着弹体向外喷出，造成质量损失，而铝板受弹体撞击形成花瓣形的破孔，铝板向外翻转，导致附近应变片受压，故图8中，3号和4号应变值最后在正向达到一个峰值。

3 结论

文中设计了铝板-砂卵石的组合靶正穿甲试验，通过不同速度下两种级配砂卵石靶的正穿甲试验研究，得到了以下结论：

1)与混凝土等连续介质不同的是：在前后坑处均会出现喷射流现象，这是由于卵石的流动性造成的。且卵石级配对于穿甲性能有一定的影响。

2)穿甲过程中弹道远处的卵石会向弹道周围运动，并导致边界处铝板受反向压力作用。

图8 370 m/s速度下JP4靶板背面水平方向应变响应