带偏移层的复合遮弹层的设计与试验研究

带偏移层的复合遮弹层的设计与试验研究

20世纪60年代以来，美国和其他西方国家的许多研究机构对土壤、岩石、混凝土等介质和各种结构形式进行了一些试验。据统计，进行了3000多个模型和原型试验。在中国，也对各种材料和结构形式进行了大量的试验研究。在抗深钻地武器工程设计方面,当前国内外的研究主要分为两类:一是设计抗侵彻能力很强的遮弹材料,使钻地弹在遮弹层中爆炸或破坏,主要包括高强混凝土、钢纤维混凝土、块石、RPC等;另一类是设计各种偏航结构,使弹体偏离目标,主要有钢棒偏航结构、块石层、混凝土空心三棱柱、混凝土栅板、表面异形偏航板+钢纤维混凝土、钢管栅+钢纤维混凝土、刚玉块石(含刚玉球)混凝土、含钢球(RPC球)钢纤维混凝土,等等。但对于实际工程应用,都程度不同地存在问题,因此很难进入实用阶段。新型遮弹层的防护特征可分为两类:一类为主动式,即在来袭常规武器弹道末端尚未接触遮弹层前,将被遮弹层的反应系统所击毁,或使其丧失攻击能力或偏离目标;另一类为被动式,即依靠提高自身的抗侵彻能力实现防护目的。1层的材料和选择分析1.1遮弹技术的优点笔者认为,一种新的遮弹技术在实际工程中得到推广应用的必要条件是,它满足以下8个方面的要求:(1)抗侵彻性能优。就是使来袭弹发生“偏航”、“弹体变形或破坏”、“减速耗能”等作用显著,以大大削弱弹体的侵彻能力,表现出优异的抗侵彻性能。(2)可靠度高。就是使来袭弹发生“偏航”、“弹体变形或破坏”和“减速耗能”等作用发生的概率高。(3)不给其他防护措施带来负面效应。伪装、电磁脉冲防护等是工程防护不可缺少的,拟设置的遮弹技术措施不影响这些防护措施的效能,或带来新的防护问题。(4)便于设计。即新型遮弹技术应该有一套完整的工程设计方法。(5)方便施工。即新型遮弹技术的实施,不应该有过高的施工工艺要求,能在确保施工质量的前提下,实现方便快捷的施工。(6)耐久性好。因为许多遮弹技术措施不可能临战构筑,必须在平时结合工程建设预设,因此必须经得起长期“风吹雨打”的考验,其抗侵彻性能不发生明显的改变。(7)易修复。即需要修复时,取材方便,施工工艺比较简便。(8)造价低廉。这是任何建设必须考虑的一个现实问题。正因为如此,尽管近年来国内外研究了许多新的遮弹技术,但被具体工程建设采用的并不多,而是继续广泛沿用普通钢筋混凝土遮弹层。8条要求正是本文进行遮弹层材料选用和结构构造形式选择所遵循的原则。1.2由复合涂层组成本文提出的复合遮弹层由偏转层和基本层构成,如图1所示。1.2.1调整后的确立偏转层设置在复合遮弹层的顶面,采用曲面形式,来袭弹体首先接触该层。因此该层材料要求强度高、硬度大,以减少接触变形和接触时间。由于弹体头部与偏转层接触瞬间受到强烈非对称力作用,其运动姿态立刻发生改变,出现偏转现象。这种姿态的改变可以进一步有效地增大弹体的侵彻阻力,从而大大减小弹体进一步侵彻的深度,为遮弹层整体达到“抗侵彻性能优”奠定坚实的基础。目前可用作偏转层的材料主要有钢材、刚玉、高强钢纤维混凝土(如RPC)、陶瓷等,按照“强度高、硬度大”的要求,综合考虑其他因素(参见表1),笔者选用电工陶瓷作为偏转层的面层材料。除表1所列举的性能外,电工陶瓷相对雷达波几乎是“透明”的,同时又是绝缘材料,因此不会给伪装、电磁脉冲防护等带来负面效应。构造上,偏转层的表面要求坚硬、光滑,与基本层能结合牢固。经过比较分析,偏转层的基本单元采用2种形式,如图2所示。①半球面电工陶瓷壳+RPC球面柱,其中RPC的实测立方体强度为258.4MPa;②球面电工陶瓷体。采用陶瓷釉,很容易达到表面光滑的要求。1.2.2偏航后偏航材料的选定基本层的作用包括两方面,一方面为偏转层提供坚实的基础,使偏转层能够充分发挥作用;另一方面是抵抗来袭弹经过偏转层发生偏航后的进一步侵彻作用。因此,选材方面在参考上述八项原则的同时,重点考察材料的强度和冲击韧性。参考近年来国内外的研究成果,具有高强度、高韧性的RPC,以及其它性能优异的新型水泥基复合材料,可以作为首选对象。本文复合遮弹层的基本层选用RPC制作,实测立方体强度为143.8MPa。2抗疲劳试验，42.1实际发射试验试验(如图3所示)所采用的发射装置为85mm加农榴弹炮改装。弹体直径D为57mm,弹长L为456mm,L/D=8.0,弹重4.44kg,弹体材料为30CrMnSi(30CrMnSi-GB3077-88/棒65-GB702-86),调质处理:HRC38～42,σs=885MPa,σb=1080MPa,相当于半穿甲弹,如图4所示。靶体尺寸为∅×h=1000mm×300mm,在靶板中间呈正方形均匀布置5行5列以“半球面电工陶瓷壳+RPC球面柱”为单元的偏转层,其中,RPC球面柱的直径为100mm,中距为124mm,电工陶瓷壳的厚度为10mm,如图5、6所示。每靶1弹,共进行6次试验(参见表2),实际发射距离为49m。为进行偏航效果比较,T6号试验以靶体的背面为迎弹面。2.2试验结果及分析2.2.1rpc内柱飞离靶体的观察与观察表2列出了部分试验结果,偏转效果显著,最大偏转角达64°。在试验T1和T2中,都发生了RPC球面柱被侵彻的弹体“撬”出并反向飞离靶体的现象,飞离距离达370m左右。观察发现该球面柱在靶体中位于沿弹道方向最靠近弹着点处。这从另一个方面证明,弹体与靶体接触后,发生了强烈的偏转。2.2.2弹簧弯曲型弹体有3种典型的破坏情况,如图7所示。①弹头弯曲型,发生在T1～T4中,其中,T2最具代表性;②弹头镦平型,发生在T6中;③基本完好型,发生在弹速较低的T5中。2.2.3结构的动态破坏特征正面入射(T1～T5)时,弹着点及其附近的RPC球面柱被破坏,迎弹面均无明显漏斗坑;在背弹面,破坏最严重的是T4,而当弹速较大时,破坏程度相对较轻,T5是破坏程度最小的。这再一次证明,结构的动态破坏程特征,与外来作用和结构自身的动态响应都密切相关。反面入射(T6)时,靶体的破坏特征同普通砼靶体。3ri轴分析3.1弹体与球形体的碰撞由于真实的偏航结构材料构成复杂、结构形式多样,但本质上它们都是利用异形体非平直表面使弹体产生非对称力。如图8所示,为了使问题便于分析,我们可以将弹体与异形体的碰撞简化成偏心球体与固定半球体的斜碰撞问题来考虑。Johnson研究表明,当发生塑性变形时,塑性变形的效果是减小接触压力脉冲的强度,从而减少转变为弹性波的动能,仍然可以采用准静态接触理论进行碰撞分析。对于弹体与陶瓷、混凝土等材料的碰撞,容易验算满足上述条件,因而这里采用准静态的接触变形理论对其进行弹塑性动力分析。为了描述弹体与异形体碰撞的接触力—位移关系,采用的弹体与球形体撞击的接触模型为:式中:fn、fτ分别为法向和切向接触力;δn、δτ分别为法向和切向弹塑性位移;Kn、Kτ分别为法向和切向弹性接触刚度;en、eτ分别为法向和切向恢复系数。3.2接触刚性3.2.1hertz接触理论为了简化计算,假设接触区为椭圆形,引入等效相对曲率半径R*,定义为:式中:R′、R″分别为两接触体在接触点处的主曲率半径。由Hertz接触理论可知,两接触体的法向相对位移δn及接触区有效半径a的表达式分别为:式中:;下标p、b分别代表弹体和异形体;vp、vb分别为两接触体的泊松比;Ep、Eb分别为两接触体的弹性模量。根据刚度的定义,求式(4)对法向接触力fn微分的倒数,可以确定法向接触刚度为:由式(4)～(6),得到:3.2.2切向接触k的极性目前对于切向接触刚度Kτ还没有统一的确定方法。在缺乏固体力学理论基础上,很多研究者都假定Kτ≈Kn。3.3恢复系数3.3.1材料表向恢复系数根据Thornton的研究,两接触体弹性碰撞的法向恢复系数表达式为:式中:vY为屈服速度。由Hertz接触理论可知:式中:pm为材料屈服时的法向平均接触压力;M*=MpMb/(Mp+Mb)≈Mp。3.3.2切向恢复系数的确定对于弹塑性接触冲击问题的切向恢复系数eτ,迄今为止还没有一个普遍认可的近似表达式,作为工程应用上的一种近似,采用切向恢复系数eτ与法向恢复系数en之间的关系为:式中:ατ是与入射角和摩擦系数有关的量。3.4接触力时间关系3.4.1弹性接触的分析方法根据牛顿第二运动定律,两接触体弹塑性法向运动方程为:式中:。式(11)对δn积分,并令相对运动速度,则得到最大弹塑性法向压缩量δ*n为:借鉴Hertz关于弹性接触的分析方法,弹塑性压入时间tep可通过对式(11)的第二次积分来确定:式中:Γ(·)为Gamma函数。假定在弹性恢复阶段法向相对速度从零变到v′n,0=envn,0,并由Hertz理论控制,则弹性恢复阶段所需的时间为:由此可知,弹塑性接触时间由弹塑性压入时间tep和弹性恢复时间t′e两部分组成:令Z=δn/δ*n,对式(11)积分可以得到法向位移δn与时间t之间的近似关系为:将式(16)代入式(4)可以得到法向接触力—时间近似关系:3.4.2切向接触力时间关系当命中角较大时,切向与法向接触力随时间几乎是同步变化的,因此得到:式中:δ*τ为最大切向弹塑性位移量。3.5攻击角效应是由壳体和异体攻击引起的根据经典撞击理论及图9、10中的几何关系,可以得到弹体的攻角和角速度的表达式为:3.6弹体攻角效应计算结果以弹体与陶瓷或活性粉末混凝土(简称RPC)材料的异形体撞击为例,分别计算分析弹体入射状态及命中速度、异形体材料特性及几何尺寸对弹体攻角效应的影响,具体计算参数,如表3、4所示,计算结果,如图11～16所示。(1)弹头与异形体曲率半径比对弹体攻角和角速度影响。(2)弹体命中速度对弹体攻角和角速度影响。(3)不同入射角对弹体攻角和角速度影响。4带偏转层的新型复合遮弹层的工程应用提出了新型遮弹技术在实际工程中推广应用必须具备的基本条件,