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現代戰爭中的防御工事多采用混凝土作為防護材料，因此針對混凝土目標的侵徹研究成為武器研究部門關注的熱點［1］。從許多侵徹混凝土靶的實驗中均可看到，在混凝土靶受到沖擊時，靶板迎彈面有大塊的混凝土剝落，形成近似錐形坑。不論是半無限厚混凝土靶還是有限厚混凝土靶，受彈丸沖擊時靶面成坑是整個侵徹過程的初始階段，其反映了侵徹和防護的相當一部分能力，混凝土靶面的開坑效果直接影響靶板最終的侵徹效果。彈尖的形狀使彈靶接觸面不斷增大，所以動能彈侵徹混凝土靶形成錐形坑。侵徹過程中彈尖周圍的靶體材料產生擠壓,當擠壓過程產生的側向應力大于靶體材料的抗剪強度時，靶體材料就產生了剝落，應力越大，產生的剝落塊就越大。當彈頭全部進入靶體后，就不再產生靶面剝落。傳統的動能彈在混凝土靶的開坑階段彈靶接觸瞬間，由于碰撞產生了很高的應力，動能彈彈頭部開始發生變形，并逐漸出現質量的侵蝕，產生擠壓靶體材料的側向應力逐漸減小，剝落塊隨之變小，因此開坑范圍較小，并且彈頭部的變形和質量侵蝕使彈頭部變鈍，進一步加劇彈頭部的磨蝕，增加侵徹的阻力，從而影響最終的毀傷效果。作者從毀傷機理入手，提出將Tc作為彈頭材料，在14.5mm穿甲燃燒彈的基礎上對彈丸的結構進行改進，設計了一種Tc復合彈結構，利用Tc材料硬度高、磨蝕性能良好的特性，在攻堅彈高速沖擊混凝土目標時，Tc彈頭沖擊混凝土形成開坑，過程中伴隨著Tc與混凝土之間的相互磨蝕，形成更深、破壞范圍更大的開坑，即所謂的前期沖擊、開坑，為后續彈芯的繼續侵徹開辟通道，達到更高的毀傷效果。

1材料特性分析

純金屬材料或合金材料的化學鍵大都是金屬鍵，沒有方向性，因此金屬有很好的塑性變形性能。而Tc材料的化學鍵大都為共價鍵和離子鍵，鍵合牢固并有很強的方向性，同一般的金屬相比，其晶體結構復雜且表面能小。由于結合鍵的不同，金屬和Tc材料的性質差異極大，Tc的熔點和硬度可能比同種元素的金屬提高幾倍到十幾倍，所以，Tc具有高硬度、耐磨損、高熔點、耐腐蝕和耐熱性等優于金屬材料的基本屬性。圖1為試驗用Tc彈頭。

2Tc復合彈結構設計

以14.5mm槍彈為基型彈，在全彈外形尺寸限制不變的條件下，以滿足膛內發射強度為前提，設計一種Tc復合彈結構。Tc復合彈外形與現有制式彈基本一致。全彈（圖2）由Tc彈頭、金屬彈芯、銅殼組成，其外徑小于炮膛陽線尺寸，發射時彈頭不與炮膛發生擠壓、磨擦，不會對炮管造成磨損以保證身管使用壽命；金屬彈芯、銅殼等均采用制式產品。

3Tc復合彈與制式彈侵徹混凝土靶試驗

3.1試驗彈和混凝土靶試驗彈為14.5mm制式穿甲燃燒彈和兩發Tc復合彈（圖3）（記為Tc復合彈Ⅰ、Ⅱ）。靶體為1500mm×1500mm×500mm混凝土靶，強度為C30。試驗場地布置，如圖4所示。

3.2結果與分析

3.2.1數據記錄Tc復合彈和制式彈對1500mm×1500mm×500mm混凝土沖擊試驗，在彈丸初速為500m/s左右時靶板形成漏斗坑，彈芯均嵌入靶體。制式彈穿深為373.4mm，開坑深為60mm，靶板表面破損體積為470mm3；Tc復合彈Ⅰ穿深為420.6mm，開坑深為84.3mm，靶板表面破損體積為1560mm3；Tc復合彈Ⅱ穿深為437.2mm，開坑深為81.7mm，靶板表面破損體積為1710mm3（圖5）。

3.2.2結果分析試驗彈丸初速達到500m/s時，14.5mm制式穿燃彈彈尖與靶面接觸瞬間，在彈靶界面處產生很強的應力，應力波在彈丸和靶板內傳播，碰撞點處的應力最高，遠遠超出靶板的極限抗壓強度，此處靶板材料被沖擊壓力破壞的部分成為粉末狀。彈著點附近與混凝土靶面平行的混凝土微裂縫和微空隙由于壓應力的作用而被壓縮，另外，與靶面不平行的裂縫也會由于彈對靶的壓力作用而擴展。由于混凝土的抗拉強度和抗剪切強度比抗壓強度低，隨著彈尖向靶內運動，彈對靶的壓力逐漸大于混凝土材料的抗壓強度，彈尖與靶的接觸面積也逐漸增大。在這種情況下，彈尖下面應力集中區不僅有向下延伸的周向裂紋，還出現放射狀的徑向裂紋。周向裂紋與徑向裂紋相互交錯，形成球狀的粉碎核。壓力增大到最大值時，徑向裂紋擴展至混凝土靶面，由周向裂紋和徑向裂紋交錯形成的混凝土碎塊從靶體中分離出來，這時粉碎核內儲存的大量能量被釋放，推動較小的碎塊以很高的速度飛散，最后形成深為60mm、靶板表面破損體積為470mm3、近似于錐形的彈坑。14.5mm的Tc復合彈開坑過程與制式彈類似，但不同的是，由于Tc彈頭的高硬度、高磨蝕度及對變形的高度敏感性，并且發生沖擊壓縮損傷的閥值應力遠大于混凝土，因此在開坑過程中，隨著彈尖向靶內運動，靶體材料一直向兩邊擠壓，過程中伴隨Tc彈頭的質量磨蝕，直至達到Tc彈頭的破壞應力后仍有一個滯后時間，Tc彈頭才發生碎裂，Tc彈頭對混凝土起到前期開坑擴孔的作用，為后續的金屬彈芯開辟通道，減小彈芯的質量磨損，從而在一定程度上保護金屬彈芯，達到了更高的毀傷效果。制式彈在開坑過程中由于金屬彈頭發生塑性變形，因此形成彈坑的直徑小于Tc復合彈，在開坑的深度上，Tc彈頭利用其高磨蝕度的特點對縱向靶體材料不斷磨蝕，直至破壞碎裂。而制式彈由于發生壓縮變形，故開坑深度不如Tc復合彈，從實驗結果看，Tc復合彈對C30混凝土的開坑深度較制式彈高30％左右，成坑容積為制式彈的3.6倍，穿深略高于制式彈。

4動能彈對混凝土靶的數值模擬

利用TrueGrid軟件對動能彈和混凝土靶進行前處理劃分網格，用LS-DYNA軟件對動能彈侵徹混凝土靶的過程進行數值模擬。

4.1材料模型與參數模型采用8節點六面體實體單元，制式彈鋼芯用MAT_JOHNSON_COOK材料模型、EO混凝土用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE模型和MAT_ADD_EROSION失效準則描述，彈丸侵徹目標靶板及彈體部件間的接觸類用S_GRUNEISEN狀態方程描述，Tc彈頭用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CE⁃RAMICS材料模型，材料參數見表1。包含侵蝕面面接觸CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE及自動面面接觸CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE［8］，模型（圖6）用cm-g-μs單位制。

4.2數值模擬結果及分析用動力分析軟件LS-DYNA對彈體初速v0=500m/s垂直侵徹混凝土靶板進行數值模擬，兩種彈丸侵徹混凝土靶板過程的對比,如圖7、8所示。左邊為制式彈，右邊為Tc復合彈。圖7測定在100μs時，制式彈開坑深為45.5mm，Tc復合彈開坑深為60.2mm。圖8測定制式彈所沖擊靶板的表面破損最長為66.2mm，Tc復合彈所沖擊靶板的表面破損最長為100.5mm。從表2可以看出，試驗的兩發Tc復合彈結果相近，試驗與仿真誤差低于15%；在開坑方面，Tc復合彈開坑深度較制式彈高30%左右，Tc復合彈開坑體積約為制式彈的3.5倍左右；在穿深方面，Tc復合彈略高于制式彈，基本與仿真結果吻合。圖9中曲線A為制式彈速度時程曲線，曲線B為Tc復合彈速度時程曲線。圖10中曲線C為Tc復合彈質量隨時間變化曲線，曲線D為制式彈質量隨時間變化曲線，t為時間，v為彈體速度，m為彈體質量。結合圖9、10，從彈體余速和彈體質量磨蝕兩個角度對開坑過程進行分析。t=5.9μs時，彈丸開始侵徹靶板，在撞擊表面產生較強的壓縮波（撞擊后幾微秒內），使彈丸和混凝土內部的壓應力迅速擴張，Tc彈頭開始磨蝕，制式彈頭開始變形，并逐漸出現卷邊現象。t=45.9μs時，出現明顯的成坑現象，此時制式彈外面的銅皮逐步脫離鋼芯，由鋼芯繼續侵徹，制式鋼芯受到壓縮應力的作用開始磨蝕，產生較少的混凝土碎粒，阻礙了鋼芯的侵徹，動能減小。由于Tc材料具有硬度高的特點，在侵徹初期瞬間對混凝土靶進行沖擊，產生較多的混凝土碎粒，動能較大。t=65.9μs時，Tc彈頭與制式鋼芯繼續磨蝕，制式鋼芯在擠壓混凝土材料的同時，與之發生摩擦，產生高溫高壓，使鋼芯頭部變形或者變鈍，增加侵徹阻力，加速了鋼芯頭部的磨蝕，而Tc彈頭具有較高的磨蝕度，因此質量損失較少，阻力較小，速度較大。t=100μs時，靶板開坑已基本形成，Tc彈頭磨蝕殆盡，鋼芯繼續侵徹。

5結論

1）Tc復合彈對C30混凝土靶的開坑效果優于制式彈。2）Tc復合彈通過高強度Tc彈頭對混凝土靶的沖擊和磨蝕，起到前期開坑擴孔的作用，在一定程度上保護鋼芯的完整性，為后續鋼芯的繼續侵徹開辟了通道。

作者：芮亮 王堅茹 陳智剛 李鴿 霍奕宇 單位：中北大學 地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室 中國兵器工業 第208研究所