摘 要: 為研究新型鋼絲網(wǎng)活性粉末混凝土RPC ( react ive pow der concrete) 避彈層的抗侵徹性能, 進(jìn)行了抗侵徹試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算分析。制作了鋼絲網(wǎng)RPC、鋼纖維RPC 試驗(yàn)靶體。分別采用步槍子彈和57mm 半穿甲彈進(jìn)行了沖擊試驗(yàn), 沖擊試驗(yàn)的彈體速度分別為710、340m /s , 主要比較靶體的破壞形態(tài)和彈體對(duì)靶體的侵徹深度。為利用AN SYS/L S-DYNA 動(dòng)力有限元分析軟件對(duì)上述靶體的抗侵徹性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析, 創(chuàng)建了新型鋼絲網(wǎng)RPC 的計(jì)算模型。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合, 證明了計(jì)算模型的合理性。試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果均表明: 鋼絲網(wǎng)RPC 具有較好的抗局部破壞和抗裂的性能, 且具有較高的效費(fèi)比。
關(guān)鍵詞: 活性粉末混凝土; 抗侵徹; 數(shù)值模擬
中圖分類(lèi)號(hào): TU 528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
鉆地武器的發(fā)展, 使得防護(hù)工程對(duì)抗侵徹的要求越來(lái)越高[ 1～ 4 ]。其中, 復(fù)合材料的抗侵徹性能研究成為抗深侵徹材料研究的重要方面[ 5 ]。RPC 材料作為一種超高強(qiáng)、高韌性、高耐久、體積穩(wěn)定性良好的新型水泥基復(fù)合材料[ 6～ 9 ] , 在軍事工程中將具有廣泛的應(yīng)用前景。分析表明, 將多層鋼絲網(wǎng)密排平鋪于RPC 中制成復(fù)合材料, 其纖維間距小, 具有阻裂作用, 能迅速傳遞應(yīng)力應(yīng)變, 且效費(fèi)比高[ 10～ 16 ]。
本文對(duì)鋼絲網(wǎng)活性粉末混凝土的抗侵徹性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究, 為將鋼絲網(wǎng)RPC 同鋼纖維RPC 在彈體作用下的抗侵徹性能進(jìn)行對(duì)比分析, 引用了文獻(xiàn)[10, 12 ]的部分試驗(yàn)結(jié)果, 并對(duì)侵徹過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。
1 子彈與半穿甲彈沖擊試驗(yàn)
1.1 靶 體
靶體分為兩類(lèi), 一類(lèi)是子彈射擊試驗(yàn)靶體, 另一類(lèi)是半穿甲彈沖擊試驗(yàn)靶體。以下為2 類(lèi)靶體的制作方案。
(1) 子彈射擊試驗(yàn)的靶體以C100 配制基體材料RPC, 其代號(hào)為B1?；呐淞霞芭浔萚 13 ]的具體參數(shù):水灰比為0.4; 減水劑摻量為4%; 粉煤灰為10%; 硅粉為30%; 水泥和砂子的質(zhì)量比為1∶1.2。研制鋼絲網(wǎng)RPC 靶體B2, 其中, 鋼絲網(wǎng)層間距為10 mm , 共鋪設(shè)15 層, 靶體體積含鋼量為1.02%; 另制作2 種體積含鋼量為3%、6% 的鋼纖維RPC 靶體N 3 和N 6。靶體尺寸為450 mm ×320 mm ×120 mm , 共12 個(gè)靶體。
(2) 57mm 半穿甲彈侵徹試驗(yàn)的靶體以C100 為基體材料配制RPC, 基材配料及配比同上。分別采用鋼絲網(wǎng)和鋼纖維增強(qiáng)。鋼絲網(wǎng)RPC 中, 鋼絲網(wǎng)體積含量為2.15%。鋼纖維RPC 中鋼纖維的體積含量分別為2.15%、6%。上述試件的代號(hào)依次為T(mén)2、C2 和C6。共制作靶體9 個(gè), 靶體尺寸為直徑3 m , 高1 m的圓柱體。
鋼絲網(wǎng)密度為7.8×103 kg/m 3, 拉伸強(qiáng)度均為1 150M Pa。鋼纖維為剪切型, 密度為7.8×103 kg/m 3, 抗拉強(qiáng)度≥600～ 800M Pa。靶體中, 鋼絲網(wǎng)以均勻的層間距平鋪, 網(wǎng)平面垂直于載荷方向。鋼絲直徑為1 mm , 鋼絲網(wǎng)孔徑為6 mm , 鋼絲網(wǎng)層間距為10mm。鋼纖維為均勻分散。
1.2 彈體及試驗(yàn)方法
56 式步槍子彈試驗(yàn), 彈重7.69 g。子彈出口速度710 m / s。將步槍固定, 使用牽引繩扣動(dòng)扳機(jī), 槍口垂直于靶體表面, 距離為550mm。由于槍口與靶體的距離較近, 可認(rèn)為子彈垂直射向靶體, 且彈著點(diǎn)速度近似于子彈出口速度。測(cè)量子彈對(duì)靶體的侵徹深度。
57 mm 口徑的半穿甲彈試驗(yàn), 彈長(zhǎng)456.4 mm ,長(zhǎng)徑比8.0, 彈重4.43 kg, 彈尾采用張開(kāi)式尾翼, 材料30CrM nSi。發(fā)射裝置采用57mm 的滑膛炮。圖1為57 mm 彈侵徹試驗(yàn)示意圖。彈速控制在340 m /s
左右。試驗(yàn)中, 采用測(cè)試儀測(cè)量彈速, 采用高速攝影技術(shù)對(duì)彈丸撞擊到靶上并擠入靶但未完全埋入靶的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了錄像。在靶體側(cè)面設(shè)置高速攝影區(qū)域, 利用高速攝影儀(型號(hào)為FA STCAM u lt im a 40k, 分辯率256×256, 拍攝速度為4 500～ 40 000 幅/s) 進(jìn)行攝影。圖2 為高速攝影拍攝的彈體著靶姿態(tài)。試驗(yàn)中測(cè)量的參數(shù)為彈體著靶速度, 彈體著靶姿態(tài),彈體最大侵徹深度, 成坑口徑, 剝落直徑等。
1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析
7.62 mm 子彈射擊試驗(yàn)中, 基材靶體B1 被擊碎, 復(fù)合材料靶體B2、N 3 和N 6 未被擊碎。B2 的侵徹深度較N 3、N 6 都小, 說(shuō)明鋼絲網(wǎng)和鋼纖維均能有效提高基體材料的抗步槍子彈侵徹性能。表1 為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中,m 為彈重, v 為彈速。
57 mm 彈侵徹試驗(yàn)中, 與T2 含鋼量相同的C2靶體破碎。含鋼量6% 的鋼纖維增強(qiáng)靶體C6 的侵徹深度略小于T 2, 如圖3 所示。但C6 靶體表面有較深較明顯的裂紋, T 2 靶體的完整性明顯好于C6 靶體,說(shuō)明鋼絲網(wǎng)對(duì)基材抗裂性能的改善也大大優(yōu)于鋼纖維。即兩者呈現(xiàn)了不同的破壞形態(tài)。
2 數(shù)值模擬
2.1 幾何模型
鋼筋混凝土有限元模型的建立根據(jù)鋼筋的建模方式分為3 種[ 14 ] , 即分離式(D iscrete model)、分布式(Sm earedmodel) 和組合式模型。分離式模型把鋼筋和混凝土作為不同的單元處理?？梢愿鶕?jù)不同的單元類(lèi)型進(jìn)行組合, 在該模型中可以插入聯(lián)結(jié)單元考慮粘結(jié)和滑移, 如果認(rèn)為粘結(jié)很好, 也可以不考慮聯(lián)結(jié)單元問(wèn)題。分布式模型是把鋼筋以一定的角度分布于整個(gè)單元中并認(rèn)為二者為粘結(jié)很好的連續(xù)均勻的材料。組合式模型也認(rèn)為二者之間粘結(jié)很好, 沒(méi)有相對(duì)滑移。與分布式模型比較, 二者的差異在于:組合式是分別求出各自的剛度矩陣進(jìn)行組合, 而分布式是在彈性矩陣中考慮各自對(duì)剛度的貢獻(xiàn)。
在建立鋼絲網(wǎng)RPC 模型時(shí), 可以將鋼絲看作小直徑的鋼筋。但鋼絲網(wǎng)為密排形式, 數(shù)量多, 因此綜合考慮各種建模方式[ 15, 16 ]和計(jì)算機(jī)資源的限制, 并根據(jù)試驗(yàn)情況, 本文對(duì)鋼絲網(wǎng)RPC 靶體模型的建立進(jìn)行了簡(jiǎn)化。靶體的幾何模型采用so lid164 三維實(shí)體單元, 靶體整體為10 cm ×10 cm ×3 cm , 依據(jù)試驗(yàn)的侵徹深度模型設(shè)置鋼絲網(wǎng)為兩層。由于對(duì)稱(chēng), 建立1/4 模型。對(duì)靶體整體劃分單元后, 修改鋼絲網(wǎng)材料所在位置的單元屬性, 對(duì)鋼絲材料進(jìn)行定義, 鋼絲單元截面為邊長(zhǎng)1 mm 的正方形。靶體有限元模型如圖4 所示, 鋼絲網(wǎng)有限元模型如圖5 所示。靶體對(duì)稱(chēng)面上的節(jié)點(diǎn)設(shè)置了對(duì)稱(chēng)約束, 側(cè)面施加了邊界條件。
彈體的幾何模型也采用so lid164 三維實(shí)體單元, 彈體對(duì)稱(chēng)面上的節(jié)點(diǎn)設(shè)置了對(duì)稱(chēng)約束。彈體與靶體之間的接觸采用面—面接觸的侵蝕算法。彈體有限元模型, 如圖6 所示。
2.2 材料模型
鋼絲網(wǎng)RPC 靶體模型中含有鋼絲和RPC 兩種材料, 在材料模型中分別設(shè)置其材料參數(shù)。由于試驗(yàn)條件的限制, 模型中的材料參數(shù)并不能從試驗(yàn)中全部得到, 本文有限元分析中使用的參數(shù)是結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和參考此方面文獻(xiàn)資料后綜合得出的。其中, 鋼絲密度7 830 kg/m 3, 抗拉強(qiáng)度1 150M Pa, 鋼絲材料采用JOHN SON - COO K 模型。RPC 材料密度2 320kg/m 3, 泊松比0.22, 抗壓強(qiáng)度180M Pa, 彈性模量3.78×104 M Pa。鋼纖維RPC 模型將鋼纖維認(rèn)為是各向同性均勻分布在基體材料中, 等效為整體進(jìn)行參數(shù)設(shè)置, 其抗壓強(qiáng)度為158M Pa。靶體材料采用PLA ST IC- K IN EMA T IC 模型, 該模型的應(yīng)變效率由Cowper2Symonds 模型確定, 屈服應(yīng)力與因子1+ (E·/C ) 1/p 成比例關(guān)系。其中, E·為應(yīng)變效率; C 和P為Cowper2Symonds 模型的應(yīng)變率參數(shù)。模型通過(guò)硬化參數(shù)B 來(lái)調(diào)整隨動(dòng)硬化(B= 0) , 各向同性硬化(B= 1) 和混合硬化(0< B< 1)。彈體質(zhì)量為7.69 g,彈速為710 m / s。
2.3 計(jì)算結(jié)果
圖7 (a) 為侵徹計(jì)算結(jié)果, 取1/2 模型進(jìn)行觀察,可以看到鋼絲網(wǎng)RPC 的開(kāi)坑現(xiàn)象, 此結(jié)果與文獻(xiàn)[6 ]的試驗(yàn)現(xiàn)象是較一致的。圖8 為位移時(shí)程曲線(xiàn)。由位移時(shí)程曲線(xiàn)可以看出, 彈體的侵徹深度在N 6
和B2 材料中分別為2.5、2 cm 左右, 與試驗(yàn)測(cè)量侵徹深度數(shù)據(jù)吻合。表明數(shù)值計(jì)算中所選取的材料參數(shù)是合理的, 計(jì)算方法可行。
3 結(jié) 語(yǔ)
(1) 鋼絲網(wǎng)多層平面有序地分布在活性粉末混凝土中, 具有優(yōu)異的抗整體開(kāi)裂的性能, 且鋼絲網(wǎng)來(lái)源廣泛, 施工方便。鋼絲網(wǎng)RPC 可作為避彈層的優(yōu)選材料。
(2) 在數(shù)值計(jì)算中, 鋼絲網(wǎng)RPC 的等效模型的建立是關(guān)鍵問(wèn)題。本文數(shù)值模擬的侵徹深度計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符, 表明所建立的模型可以正確描述鋼絲網(wǎng)RPC 材料。
(3) 應(yīng)進(jìn)一步使用彈道試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法, 對(duì)鋼絲網(wǎng)RPC 在不同彈速下的侵徹深度進(jìn)行分析研究, 為其侵徹理論分析提供可靠的依據(jù)。
參考文獻(xiàn):
[1 ] HEW ISH M. A dding new punch to cruise m issilesspecialized w arheads can defeat hard and buried tar-gets[J ]. Janes Internat ionalDefense Review , 1998, 31(1) : 60-72.
[ 2 ] 鄧國(guó)強(qiáng), 周早生, 鄭金平. 鉆地彈爆炸聚焦效應(yīng)研究現(xiàn)狀及展望[J ]. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,2002, 3 (3) : 45-49.
DEN G Guo2qiang, ZHOU Zao-sheng, ZHEN G Q uan-p ing. Study status quo and development of aggregatedeffect of mut ip le earth penet rato r bursts detonated si-multaneously [J ]. Journal of PLA U niversity of Sci-ence and Techno logy: N atural Science Edit ion, 2002,3 (3) : 45-49. (in Ch inese).
[3 ] 金豐年, 劉 黎, 張麗萍, 等. 深鉆地武器的發(fā)展及其侵徹[J ]. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2002, 3 (2) :34-40.
J IN Feng2nian, L IU L I, ZHAN G L i2p ing, et al. De-velopment of p ro ject iles and their penet rat ion [ J ].Journal of PLA U niversity of Science and Techno lo-gy: N atural Science Edit ion, 2002, 3 ( 2) : 34-40. ( inCh inese).
[4 ] 王 濤, 余文力, 王少龍, 等. 國(guó)外鉆地武器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J ]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)輸技術(shù), 2005, 278 (5) : 51-56.
WAN G Tao, YU W en-li, WAN G Shao-long, et al.P resent status and tendency of fo reign earth-penet rat-ing w eapons [J ]. M issiles and Space V eh icles, 2005,278 (5) : 51-56. (in Ch inese).
[5 ] 王年橋. 防護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算原理與設(shè)計(jì)[M ]. 南京: 工程兵工程學(xué)院, 1998.
[6 ] BONN EAU O , LACHEM IM , DALLA IRE E, et al.M echanical p ropert ies and durability of two indust rialreact ive pow der concretes[J ]. AC IM aterials Journal,1997, 94 (4) : 286-290.
[ 7 ] R ICHARD P, CHEYREZYM. Compo sit ion of reac-t ive pow der concretes [J ]. Cement and Concrete Re-search, 1995, 25 (7) : 1501-1511.
[ 8 ] BONN EAU O , POUL IN C,DU GA T J , et al. React ivepow der concrete: from theo ry to p ract ice [J ]. ConcreteInternat ional, 1996, 18 (4) : 47-49.
[ 9 ] 沈榮熹, 崔 琪, 李清海. 新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料[M ]. 北京, 中國(guó)建材工業(yè)出版社, 2004.
[10 ] 張宏梅, 王耀華, 畢亞軍, 等. 含鋼絲網(wǎng)避彈層的結(jié)構(gòu)靶的力學(xué)性能與槍彈射擊試驗(yàn)研究[J ]. 兵工學(xué)報(bào), 2005,26 (2) : 224-227.
ZHAN G Hong-mei, WAN G Yao-hua, B I Ya-jun, etal. Study on themechanical and ant i-penet rat ion char-acterist ics of steel-w ire-net reinfo rced ant i-penet rat ionst ructure [J ]. A cta armamentarii, 2005, 26 (2) : 224-227. ( in Ch inese).
[11 ] 張宏梅, 王耀華, 畢亞軍, 等. 鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)特種混凝土的靜動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究[J ]. 實(shí)驗(yàn)力學(xué), 2005, 20 (2) : 315-319.ZHAN G Hong-mei, WAN G Yao-huan, B I Ya-jun, etal. A n invest igat ion on the stat ic and dynam ic perfo r-mance fo r the part icular k ind of concrete reinfo rcedw ith steel-w ire-net [J ]. Journal of ExperimentalM e-chanics. 2004, 20 (2) : 315-319. ( in Ch inese).
[12 ] 肖燕妮, 王耀華, 畢亞軍, 等. 增強(qiáng)活性粉末混凝土抗侵徹試驗(yàn)研究[J ]. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,2005, 6 (3) : 262-264.
X IAO Yan-ni, WAN G Yao-hua, B I Ya-jun, et al.A nt i-penet rat ion of reinfo rced react ive-pow der-con-crete [J ]. Journal of PLA U niversity of Scicnce andTechno logy: N at rural Science Edit ion, 2005, 6 ( 3) :262-264. ( in Ch inese).
[ 13 ] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院. 普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[M ]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2001.
[14 ] 陸新征, 江見(jiàn)鯨. 利用AN SYS So lid65 單元分析復(fù)雜應(yīng)力條件下的混凝土結(jié)構(gòu)[J ]. 建筑結(jié)構(gòu), 2003, 33 (6) :22-24.
LU Xin-zheng, J IAN G J ian. A nalysis fo r concretest ructure under comp lex st ress condit ion w ith so lid 65FEA element of AN SYS [ J ]. Building St ructure,2003, 33 (6) : 22-24. (in Ch inese).
[15 ] 武海軍, 黃風(fēng)雷, 金乾坤, 等. 彈體貫穿鋼筋混凝土數(shù)值模擬[J ]. 爆炸與沖擊, 2003, 23 (6) : 545-550.
WU Hai-jun, HUAN F Feng-lei, J IN Q ian-kun, et al.N umerical simulat ion on perfo rat ion of reinfo rced con-crete targets[J ]. Exp lo sion and ShockW aves, 2003,23 (6) : 5452550.
[ 16 ] STEV EN S D J , KRAU THAMM ER T I. A dvancedconst itut ive model fo r the analysis of dynam icallyloaded reinfo rced concrete beam s [C ]//Computers inEngineering, P roceedings of Internat ional Computersin Engineering Conference and Exh ibit. N ew Yo rk:A SM E, 1989.
