聚能装药载荷下混凝土破坏行为的实验研究(2)
图1 射流成型过程Fig.1 Shaped-charge forming process
2.2 射流侵彻混凝土靶的作用机理
聚能装药成型形成射流后,在射流头部触靶之前,射流将不断被拉伸、变长。射流头部触及混凝土靶时,接触位置处混凝土靶板的压力、温度及速度将发生突变,同时产生一个强冲击波入射进混凝土靶板和一个反射冲击波进入射流中。随着射流的侵彻,头部区域会有金属射流堆积,并有一部分向靶板表面方向反溅,此过程是一个不稳定的阶段,接触区域的压力、温度和速度发生急剧变化。混凝土靶上表面受到炸药爆炸产生的爆炸冲击波和射流侵彻混凝土产生的强应力波的综合作用,将形成一个孔径较大的倒锥形坑。随着射流侵彻混凝土靶的深入,进入一段稳定侵彻的阶段,在该阶段,射流自接触点往后速度不断下降,接触点处的参数连续下降,此时射流侵彻混凝土靶形成的孔洞近似圆柱形。随着侵彻的深入,后续的金属射流由于速度梯度的存在将不断拉伸甚至发生断裂,此时穿孔的表面出现弧面,显得不再光滑。
对于混凝土而言,在射流侵彻孔洞周围存在3个区域:以侵彻孔洞为中心,向外分别是脆性破碎区、塑性区和弹性区。同时,混凝土靶的上表面发生崩落,混凝土靶板背面产生层裂现象。崩落主要由爆炸冲击波在近距离对混凝土靶的破坏以及初始侵彻阶段射流对混凝土靶的综合作用造成。层裂是由射流侵彻产生的强应力波传播到背板反射而产生的拉伸应力波所造成的,尤其对于混凝土这类压缩强度远大于拉伸强度的脆性材料,更易发生层裂。
3 实验方案设计
3.1 聚能装药结构
实验选用侵彻性能较好的等壁厚的90°锥角结构,装药直径为320 mm,装药长径比为1.0∶1.5,选用铸装的B炸药,密度为1.67 g/cm3。药型罩材料为20钢,外壳材料为普通45钢。炸药和药型罩的材料参数分别列于表1和表2。
图2 聚能装药尺寸及结构Fig.2 Dimensions and structure of the shaped-charge
表1 炸药的材料参数Table 1 Material parameters of the explosive composition BDensity/(g/cm3)Detonationvelocity/(m/s)C?Jpressure/(GPa)Initialinternalenergy/(J/g)0085
表2 药型罩的材料参数Table 2 Material parameters of the linearDensity/(g/cm3)Elasticmodulus/(GPa)Yieldstrength/(MPa)Possionsratio78
3.2 混凝土靶体结构设计
基于前期的数值模拟结果[18-19]可知,本实验设计的大口径聚能装药结构所需的混凝土靶体直径应大于4 m。本实验设计的混凝土靶为边长4 m、厚2 m的长方体靶板,整体位于地下,以加强径向约束预防靶体的严重破坏,同时在混凝土靶体周围加3圈间隔为10 cm的钢筋网(由于边缘处射流侵彻对混凝土的破坏为弹性破坏,因此增加钢筋抱箍并不影响后期对混凝土其他区域的分析),并在下面铺厚度为0.5 m的砂石,如图3所示。采用同批次搅拌的混凝土,由浇灌车进行浇筑,浇筑好的混凝土靶表面用塑料薄膜进行密封,采用标准的自然养护方法养护28天。在浇筑时额外浇筑3个边长为10 cm的立方体混凝土试件,并将其放置在混凝土靶板附近进行相同条件养护,以作混凝土材料强度测试使用。
标准养护28天后,进行聚能装药实验。将聚能装药结构放在一个高度为500 mm(炸高为1.56倍装药直径)的空心木架子上,在药型罩底部装一个起爆雷管,用于起爆主装药。
图3 靶板及实验布置Fig.3 Concrete target and experimental arrangement
实验前对混凝土进行强度测试。测试在浇注混凝土靶板的工厂进行,由于采用的材料测试机仅能测量混凝土的抗压强度,故仅对混凝土的抗压强度进行了测试。测试结果如表3所示,平均抗压强度为69.4 MPa。图4为测试前、后混凝土试件的照片。
表3 混凝土材料强度测试结果Table 3 Concrete material strength test resultsTestNo.Compressivestrength/(MPa)1#6942#7033#686
图4 压缩破坏前、后的混凝土材料试件Fig.4 Concrete material specimens before and after compressed damage
4 实验结果分析
爆炸后,射流在混凝土靶上形成一个近似圆柱形的孔洞,靶板表面出现了许多细小裂纹,靶板的整体结构较为完好,未出现大面积的整体结构破坏。混凝土的主要裂纹如图5(a)所示,在洞口附近有近似圆形的裂纹1,周围存在几条较明显的大裂纹,其中裂纹2贯穿整个靶板,说明射流对整个混凝土靶板均造成毁伤。其他裂纹的宽度比裂纹2小,裂纹整体布局呈现近似对称,也说明聚能装药侵彻混凝土靶的问题是对称性问题。
实验过后,过孔洞中心为截面对混凝土靶体进行剖切,由此可观测聚能装药侵彻混凝土靶的内部毁伤效果,并可对侵彻孔洞的整体尺寸进行多位置测量,进而得到完整的孔洞尺寸模型。将混凝土剖切开后发现,在沿着裂纹1的圆圈区域内,混凝土呈现严重的破坏(见图5(b)),而在裂纹1以外的混凝土结构破坏程度要小得多。对破坏区域进行了特写,如图5(b)所示,发现破坏区域在上、下部分呈现层状破坏结构,且破坏程度大于中间部分的混凝土。这主要是因为混凝土表面受到爆炸冲击波的作用从而破坏程度加剧,当爆炸冲击波传播到背板时,又形成反射拉伸,导致混凝土底部破坏加剧。
文章来源:《爆炸与冲击》 网址: http://www.bzycjzz.cn/qikandaodu/2021/0709/1297.html
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