基于毁伤度的多层复合目标内爆毁伤评估

于继来,焦志刚*,李帅孝,黄维平

(1.沈阳理工大学 装备工程学院,辽宁 沈阳 110159；2.陆军装备部驻沈阳地区军事代表局驻沈阳地区第二军事代表室,辽宁沈阳 110004；3.辽沈工业集团有限公司,辽宁 沈阳 110045)

引言

机场跑道是典型多层复合目标,现代战争中,机场跑道是重要打击目标,有效的破坏机场跑道就可达到封锁敌方机场、夺取制空权并掌控战争主动权的目的[1]。

装药在结构内部爆炸产生的破坏是在结构表面爆炸产生的破坏的20 倍左右[2]。所以研究穿甲爆破弹侵彻合适的深度之后爆炸摧毁其内部结构成为研究焦点。

李国杰等人[3]对机场跑道进行侵彻和毁伤的理论计算,并且进行了数值模拟仿真与实验数据对比；齐振伟[4]进行了随进弹对机场跑道的毁伤研究。

本文采用毁伤度对不同延时弹丸在机场跑道内部爆炸毁伤分析。

1 复合目标内爆数值模拟

1.1 模型的建立

机场跑道为四层,第一层为加铺层,厚度为100mm的高强度混凝土,第二层为400mm 厚的混凝土,第三层为500mm 厚的砂石层,第四层为土壤层,为了方便计算,半无限的厚土壤厚度设置为600mm。弹丸口径122mm。在装配弹靶模型时建立1/2 模型。

图1 弹丸垂直侵彻1#机场跑道

1.2 材料模型及参数

炸药选用B 炸药,采用Liner 态方程以及JWL 模型。混凝土采用P-alpha 状态方程,RHT Concrete 模型,混凝土材料参数,如表1、表2 所示,砂石与土壤的材料参数见表 3、表 4。

2 仿真结果分析

弹丸(战斗部)在复合介质中爆炸是一个复杂的问题,本文研究弹丸着速400m/s,垂直侵彻机场跑道,接触机场跑道后引信延时起爆,引信延时时间分别为0.1ms、0.2ms、0.3ms、0.4ms,其中爆炸作用时间设置 0.1ms。

表1 加铺层混凝土主要材料参数

表2 第一层混凝土主要材料参数

表4 土壤材料参数

毁伤度是目标毁伤后,目标刚度减小的百分比。损伤可变标度从0(无损伤,刚度降低0%)到指定的最大刚度降低。可能的最大降低量为1(完全损坏,降低100%的刚度)。刚度则是在宏观弹性范围内,零件荷载与位移成正比的比例系数,即引起单位位移所需的力。

毁伤度取值范围[0,1],如图5,毁伤度可分为十个等级,分别为 0～0.1、0.1～0.2、0.～0.3、0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～0.7、0.7～0.8、0.8～0.9、0.9～1.0,可以凭此划分毁伤度界限,进而鉴定机场跑道的毁伤程度。毁伤程度可分为轻度、中度、重度、摧毁。

毁伤分析：

机场跑道仿真结果图像处理如图2。

通过图2 分析,引信延时0.1ms 起爆,弹尾部在跑道上方,弹体一半侵入目标,弹丸此时速度为339m/s,炸药爆炸为抛掷爆炸模式,大部分能量都作用在第一层加铺层与第二层混凝土上,形成明显漏斗坑,同时产生大量混凝土碎块以及少许弹体破片抛出,以及出现层裂情况,砂石层极少部分破坏。通过毁伤度分析,其中完全毁伤的部分主要处在第一层与第二层,砂石层完全毁伤部分由弹头冲击造成,夯土层无毁伤。完全毁伤的部分外围毁伤度不断衰减,摧毁部分接近倒三角形状。炸坑主要是由炸药爆炸膨胀以及爆轰压力的作用,第一层与第二层混凝土毁伤部分主要是弹丸冲击,炸药爆炸膨胀和爆轰压力作用,爆炸后,混凝土层先产生径向裂纹,紧接着产生环向裂纹,环向裂纹与径向裂纹相互贯穿使混凝土结构遭到破坏,砂石层主要是由爆轰压力毁伤。

图2 不同时刻1#机场跑道毁伤情况

表5 不同延时时间起爆毁伤数据

引信延时0.2ms 起爆,弹丸已完全进入机场跑道内部,弹尾部运动至第一层与第二层交界处附近,弹丸速度为293m/s,爆炸后大部分能量作用在第二层上,形成接近U 形空腔,弹丸穿孔被撑开,产生的碎块被顺着弹丸的穿孔飞出,出现层裂情况,跑道出现“鼓包”现象。其中完全毁伤的部分处于第一、二、三层,摧毁部分接近正方形。摧毁部分周围在爆炸冲击的作用下毁伤度逐渐降低。第一、二层毁伤部分是由弹丸冲击应力波以及爆炸膨胀爆轰压力造成,第三层毁伤部分主要是由弹丸冲击和爆轰压力毁伤。

引信延时0.3ms 起爆,弹尾部运动到第二层中间位置,弹丸速度为267m/s,弹丸爆炸大部分能量作用在第三层砂石层,一二层混凝土抗压强度较大,内部爆炸后,弹丸的穿孔没有被撑开,应力波和爆炸产生的碎块顺着穿孔被排出去,出现层裂情况。完全毁伤的部分处于第一、二、三、四层,摧毁范围较大。第一层摧毁部分是弹丸侵彻时所毁伤,第二层为侵彻和爆炸时毁伤,第三层是爆炸时膨胀与爆轰压力毁伤,第四层为弹头部受爆炸时压力作用,使其加速冲击所毁伤。与0.2ms 时刻相比,此时形成比较明显的空腔且较大,能量损失较小,大部分作用在机场跑道上,第四层夯土层有轻微损伤。

引信延时0.4ms 起爆,弹尾部运动到第三层中间位置,弹头部进入第四层,弹丸速度为109m/s,弹丸爆炸能量绝大部分作用在第三、四层,由于侵彻深度较深,受围压的作用,穿孔没有撑开迹象,只有内部的碎块被爆炸产生的爆轰压力被排出去,能量基本没有损失,全部作用在机场跑道内部,出现层裂情况。完全损坏的部分处于第一、二、三、四层,完全毁伤区域接近“葫芦”状,形成水滴状空腔,与0.2ms、0.3ms 时刻相比,此时形成的空腔最大,第一、二层穿孔内壁受爆轰作用,造成毁伤。第三层受弹丸爆炸破片冲击以及炸药爆轰双重作用,摧毁最为严重。第四层毁伤部分是由弹头部冲击、炸药爆炸造成。

3 结束语

随着引信延时时间增加,弹丸侵彻深度增加,完全毁伤的部分先增大后减小。0.1ms 起爆,爆炸形成的漏斗坑,比较容易修复,而0.2ms 起爆,加铺层、混凝土层、砂石层有一半完全毁伤。0.3ms 起爆,混凝土层三分之一完全毁伤,砂石层一半完全毁伤。0.4ms 起爆,受介质围压的影响,完全毁伤的部分最小,砂石层完全毁伤部分不到一半。机场跑道内部结构在爆轰波、应力波、冲击波作用下破坏,完全毁伤部分不容易修复。对于这种结构机场跑道,在第二层混凝土层起爆,毁伤效果最优。