彈體低速正穿甲鋁板/砂卵石組合靶的試驗研究

砂卵石層介質是一種典型的非均質多相脆性材料, 是機場跑道、公路等典型目標的重要組成部分[1,2,3]。當這些重要部位作為攻擊目標時, 如何有效摧毀目標和有效發揮其防護功能成為主要關注問題。在工程中砂卵石層介質一般為散體材料, 一般而言, 不加入膠結材料的卵石層介質可視為散體介質-砂卵石土, 對于砂卵石土的研究目前主要集中在靜載或低頻振動下的研究[4,5,6,7,8]。在材料的動態特性試驗研究上, 主要的測試方法有原位動力測試、動三軸實驗、共振柱實驗和振動臺實驗等[9,10,11,12,13], 而對于沖擊條件下卵石層的特性卻鮮有研究。

由于卵石層介質中卵石顆粒級配、尺寸及分布具有隨機性, 造成其具有非均勻性。在深層高速侵徹條件下, 砂卵石層介質多相、非均勻性對彈體侵徹的影響相對較小;但在低速侵徹條件下, 由于卵石受膨脹擠壓會發生不同程度的流動, 其多相非均勻性更加凸顯, 可能會嚴重的影響彈體的彈道偏轉、彈體彎曲、靶體的毀傷效果等。故文中采用侵徹試驗對其在動能彈穿甲作用下的響應特性進行初步的研究, 研究結果對于以卵石層介質為基層材料的機場跑道、公路等典型目標的毀傷評估, 以及對武器戰斗部的研究、設計改進具有參考價值。

考慮卵石級配的影響, 此處設計兩種級配的砂卵石靶體試件, 其中粒徑5～60 mm的石料采用卵石, 粒徑小于5 mm的為河砂, 并且控制材料含泥量, 對所有材料進行淘洗。按照表1所列質量百分比進行控制, 通過篩分試驗制得所需級配的兩組砂卵石材料, 分別命名為JP2, JP4。

由于砂卵石呈散體狀, 試驗過程中為保證靶體初始形狀, 故采用1 mm厚的鋁制材料作為外框面板, 四周采用4個角鋼 (L50 mm×3 mm) 組成整體框架, 為防止中部初始發生鼓曲, 在鋁板高度方向設置兩道加勁鋼條 (寬度50 mm, 厚度3 mm) , 頂部不封閉, 形成一個頂部為自由狀態的立方體盒子, 見圖1。靶板尺寸為長670 mm、高400 mm、厚150 mm (圖2) 。為了去除鋁制面板對子彈能量的消耗, 在子彈迎靶面正中預留一個直徑為50 mm圓孔, 由于出靶位置未知, 出靶面不作處理。將篩分得到的兩組級配砂卵石分別填入鋁制空箱中, 分3層依次填入, 填入一層并人工振動密實, 填滿鋁箱并保證上表面大致平整。鋁板采用工業鋁板1080制作, 彈性模量為70 GPa, 抗拉強度為100 MPa, 屈服強度為20～90 MPa, 伸長率為11%～25%, 20°時密度為2.7 g/cm3。

試驗采用直徑為25 mm、質量230 g的45#鋼實心半球頭彈 (如圖3所示) 。砂卵石靶板正放置于靶體基座上, 并使火炮軸線穿過靶板中心且與著靶面垂直。

本次試驗的主要目的是研究砂卵石在強沖擊荷載下的動力響應, 為此, 試驗設計了4種工況, 具體工況見表2。并且為分析彈體侵徹過程中應力波在卵石介質中的傳播, 在靶板背面水平中心線對稱布置應變片1～4號, 在側面中心位置布置應變片5號, 通過測量應變響應來反映沖擊過程的影響范圍。

對級配2和級配4的砂卵石土靶分別進行了370 m/s和530 m/s速度下的穿甲實驗。圖5給出了兩種級配在不同初始速度下的破壞模式, 試驗結束后, 測量了鋁板背面的破孔尺寸及卵石質量的變化情況。

實驗中, 彈體基本都從靶板背面中心位置處出靶, 出靶面鋁板受到彈體沖擊, 整體有向外鼓屈的趨勢, 且在中心位置鋁板呈花瓣狀張開, 形成橢圓形孔洞 (主要是由于邊界條件造成, 若為無限靶, 則理論上應該為規則的圓形) 。其中JP2在370 m/s速度下開孔尺寸為36 mm×56 mm, 在530 m/s速度下開孔尺寸為86 mm×110 mm。JP4在370 m/s速度下開孔尺寸為41 mm×42 mm, 在530 m/s速度下開孔尺寸為77 mm×100 mm?？梢园l現, 在同一速度下, 開孔尺寸JP2要大于JP4, 說明卵石級配對于穿甲的破壞程度有一定的影響;且根據表1可知, 相比JP4來說, JP2靶體里面含有50 mm直徑的骨料, 可以初步的認為骨料的尺寸是形成這種差別的重要因素。

同時在彈體沖擊作用下, 砂卵石在著靶預留孔位置 (即開坑處) 形成反向噴射流;在出靶位置, 彈體周圍的卵石在穿甲過程中獲得了部分動能, 且由于卵石極易流動, 便在靶體背面破孔處形成噴射流, 造成靶體質量損失, 且530 m/s速度下的卵石質量損失量大于370 m/s時的質量損失, 如圖5。

為更清楚的觀察彈體穿甲卵石靶的過程, 圖6給出了兩種級配在不同速度下的高速攝影過程。

從圖6中可以看出, 彈體對砂卵石靶板的整個侵徹過程主要有以下幾個階段:

1) 彈體撞擊在迎彈面時, 由于應力波在邊界的反射效應, 首先在著靶預留孔出現飛濺現象, 并形成反向的噴射流。

2) 彈體在靶體內部運動, 并且帶動彈體周圍的卵石一起運動, 使周圍的卵石獲得初始動能。

3) 彈體穿透靶體, 并形成破孔, 彈體周圍的卵石隨彈體一起從破孔噴出, 形成噴射流;同時著靶處的飛濺過程繼續, 噴射流結束后在骨料顆粒重力及慣性力作用下, 砂卵石土沿著開孔處繼續流出, 直至靶體內砂卵石土達到新的平衡, 運動停止。

穿甲過程中, 速度為530 m/s時卵石的噴射流量明顯大于370 m/s時。

實驗過程中在鋁板的不同位置布置了應變傳感器, 目的是了解彈體在穿甲過程中應力波的傳播及卵石的運動狀態。圖7給出了370 m/s速度下JP4的5號應變響應 (靶板側面應變響應) 。

從圖中曲線的趨勢可以看出, 靶板側面的應變響應可反映彈體穿過靶板過程中卵石對側板的擠壓情況。當彈體開始撞擊卵石靶時, 彈體會對周圍卵石施加擠壓力, 迫使周圍卵石向兩側運動, 從而使側板受到卵石的瞬間沖擊力, 反應在應變數據上為第一個峰值 (側面板受拉伸向外彎曲變形, 板中心應變為負) 。當彈體穿透卵石靶時, 卵石將在侵徹通道坍塌, 并在前坑和后坑處形成噴射流, 此時由于卵石質量損失, 側面板擠壓作用消失, 拉伸變形恢復, 在空氣負壓作用下內凹, 板中心應變為負, 即在曲線上出現了第二個反向的峰值, 該過程持續時間約為3 ms。

為進一步分析卵石的運動, 給出了JP4背靶上的3號和4號應變時程數據, 如圖8所示。從圖中分析可知, 受到彈體的撞擊, 鋁板背面中心處首先受卵石擠壓向外變形, 應變值達到負向最大值;且由于3號應變相對于4號更靠近中心位置, 故3號應變達到最大負值時間為2.54 ms, 小于4號應變片的3.26 ms。同理, 當彈體穿透卵石靶時, 彈道周圍的卵石受彈體影響獲得了一定的動能, 并隨著彈體向外噴出, 造成質量損失, 而鋁板受彈體撞擊形成花瓣形的破孔, 鋁板向外翻轉, 導致附近應變片受壓, 故圖8中, 3號和4號應變值最后在正向達到一個峰值。

文中設計了鋁板-砂卵石的組合靶正穿甲試驗, 通過不同速度下兩種級配砂卵石靶的正穿甲試驗研究, 得到了以下結論:

1) 與混凝土等連續介質不同的是:在前后坑處均會出現噴射流現象, 這是由于卵石的流動性造成的。且卵石級配對于穿甲性能有一定的影響。

2) 穿甲過程中彈道遠處的卵石會向彈道周圍運動, 并導致邊界處鋁板受反向壓力作用。