高光发;李永池;李平;黄瑞源
双面钟
【摘 要】为更科学的设计防护工程中的遮弹层,分析和总结了遮弹层的研究现状,结合试验和理论分析提出了新型遮弹层的结构形式,研究认为,遮弹层应使用分层结构:表面偏航层、主体层.偏航层可用与弹体直径同量级的刚玉球、陶瓷球或硬质岩石球为基体；主体层可用夹心结构,且应使用钢纤维混凝土等材料作为主要材料,采用钢管或玻璃纤维增强塑料等约束靶板组装而成的蜂窝结构为主体结构. 【期刊名称】《弹箭与制导学报》
【年(卷),期】2011(031)005
【总页数】4页(P99-101,106)
【关键词】防护工程;遮弹层;蜂窝结构;分层结构;偏航
【作 者】高光发;李永池;李平;黄瑞源
【作者单位】安徽理工大学能源与安全学院,安徽淮南232001;中国科学技术大学近代力学系,合肥230027;煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室,安徽淮南232001;中国科学技术大学近代力学系,合肥230027;中国科学技术大学近代力学系,合肥230027;中国科学技术大学近代力学系,合肥230027
【正文语种】中 文钾霞石
【中图分类】TU928
0 引言
合理的地下人防工程是防御空袭的最主要的设施，挖掘修建的成层式浅埋结构是人防工程的常见形式。典型的成层式人防工程结构如图1所示，主要有伪装土层、遮弹层、分配层和支撑结构四部分，其中遮弹层的主要功能是减小弹体的有效侵彻深度、阻止弹体侵入地下工事中，其在防护工程中的作用极为重大。导演椅
近些年来，遮弹层的研究得到了广泛的关注，国内外许多学者对遮弹层的设计做了大量的研究，主要可归结为三类：
1）通过研制新型高强度混凝土材料，提高混凝土材料的强度，从而减小钻地弹的侵彻深度。如高强度活性粉末混凝土[1]、含块石混凝土[2]、含刚玉块石混凝土[3]等。
图1 典型成层式防护结构
2）通过加强遮弹层结构的强度，提高侵彻过程中结构的破坏强度和对弹体的阻力，从而大幅度减小钻地弹的侵彻深度。如钢纤维混凝土[4]、钢丝网混凝土[5]、钢管混凝土[6]等。
3）通过在遮弹层中设置特殊结构，使得弹体在侵彻过程中发生偏转，从而减小钻地弹的有效侵彻深度。如钢棒偏航结构、刚玉球混凝土[7]等等。
事实上，采用安全可靠、经济实用、易修复和维护的新型材料和结构是现今遮弹层的发展方向。文中在总结和分析当前遮弹层研究基础上，根据长杆弹侵彻机理和混凝土抗侵彻试验的研究结果，对新型遮弹层的设计提出了初步构想和探讨。
1 量纲分析
对于长杆弹垂直侵彻靶板而言，影响长杆弹侵彻半无限厚靶板的基本因素有：
1）长杆弹的相关参数：长度L，弹体截面直径（如为其它截面形状时为取与之等面积的圆形截面的直径）D，弹体截面形状系数DX，弹头形状系数NX；弹体材料的密度ρp，弹性模量Ep，泊松比νp，等效屈服强度σp。
2）靶板的相关参数：材料密度ρt，弹性模量Et，泊松比νt，等效屈服强度σt。
3）其它基本参数：弹体的入射速度V0，攻角φ，入射角度φ。
因此，长杆弹侵彻半无限厚靶板的最大侵彻深度P可用下式描述：
上式中共有16个物理量，从中选取ρp、σt、L三个量作为具有独立量纲的基本量，根据П定律可知，上述中其它的13个量都可以用这三个基本量来度量而形成无量纲量，因此，上式可转化为：
从上式可知，影响长杆弹侵彻半无限厚靶板最大深度的主要因素有13个。令长杆弹最大侵彻深度在靶板表面法线方向上的投影为弹体的有效侵彻深度，当攻角为直角时（考虑弹体的最强侵彻情况），当不考虑弹体的截面形状、弹靶的泊松比、弹体的长径比及强度、弹靶模量等这类涉及弹体设计方面的参数时，上式可简化为：
因此，对于固定弹体和入射速度而言，影响弹体的侵彻深度的主要因素为弹头的形状（因为侵彻过程中其形状与靶板的强度有关）、靶板的密度、靶板的强度以及弹体的入射角度。
2 表面偏航层结构分析
对于钻地弹侵彻混凝土工事这种中低侵彻速度（一般小于1200m／s）低靶板强度而言，弹头的形状对于最大侵彻深度的影响非常大，特别是当靶板材料是混凝土这种抗压强度较小且抗拉强度远小于抗压强度的材料时，尖头硬质弹（卵形、锥形）的侵彻深度远大于普通的平头弹[8]。结合式（1）可知，如果能够在弹体侵彻混凝土工事且进入准稳定阶段之前，改变弹体的入射角度、钝化弹体的头部形状、提高开坑阶段的临界能量等，则能有效减小弹体的有效侵彻深度，从而极大提高遮弹层的抗侵彻性能。
然而，将遮弹层材料全部替换为高强度如钢、陶瓷等是不现实的，因此，在遮弹层上边面布置一层高强度的硬分层是实现该功能的最佳的较现实的替代方法。为最大限度的发挥该表面层的作用，此层的设计应满足几方面的基本要求：
1）该层的基体材料应该具有足够的抗破坏强度。对于长杆弹垂直侵彻靶板而言，靶板的强度具有重大的影响，首先，靶板抗破坏强度的增加会提高弹体侵彻进入准稳定阶段的临界能量，减小同等入射动能弹体的侵彻深度；其次，对于一般钻地弹而言，由于其弹头一般为卵形或锥形，当靶板的强度较高时，经过开坑阶段的弹头基本都有一定程度上的变形，而且，靶板的强度越高，其变形越大，当其强度与弹体等量级或近似时，弹体的头部一般会变形为蘑菇头状，这会极大程度的增大其中遮弹层主体层中的侵彻阻力，从而有效降低其侵彻深度。考虑到工程造价和施工技术，一般在遮弹层的设计中可选用刚玉、陶瓷、高硬度岩石等作为表面层的基体材料。
2）该层在水平方向上应存在较大的强度梯度。一般来说，当长杆弹垂直侵彻均质靶板时，其侵彻方向不可能发生改变，要使弹体在侵彻过程中发生偏转，必须在弹体中的水平方向上设置强度梯度，特别是在靶板的表面一层设置这种梯度最佳。因此在遮弹层的表面一层中设置功能斜面（即斜面两侧介质的强度和硬度相差极大）或功能弧面是形状有效的方法。考虑到施工的实际状况，一般可采用半球或球形硬质基体材料作为基体设置表面层，如图2所示。
图2 遮弹层中偏航层示意图
3 主要抗侵彻层结构分析
3.1 遮弹层主体的剖面结构
为研究混凝土靶板的抗侵彻性能，对长杆弹垂直侵彻混凝土靶板进行弹道试验。实验中靶板为直径500mm、高250mm的圆柱体，如图3所示，周边用厚度为1.4mm钢板围结加固。试验中选定一种脱壳尾翼稳定钻地弹作为模拟弹，如图4所示，其中弹芯由45＃调质钢制成，热处理后的硬度为 HRC36－38，弹头呈半球形，弹托由航空高强度铝合金制成，模拟弹总重290g，长113mm，直径14.5mm，弹芯重152g。
图3 钢钎维混凝土靶板
图4 脱壳尾翼稳定钻地弹
试验结果如表1所示，从表中可以看出，等厚度的双层靶板抗侵彻性能强于单层靶板。另一方面，从应力波理论可知，分层结构中，上层靶板在侵彻过程中产生的强应力波由于夹层和界面效应消耗从而只有很小一部分对下层造成破坏。其次，长杆弹侵彻过程中侵彻深度主要是在准稳定阶段形成的，开坑阶段弹体的单位侵彻深度耗能远远大于其它两个阶段，
而分层结构使得两层或多次出现开坑阶段，从而使得分层结构的抗侵彻性能强于单层结构。
表1 混凝土的侵彻实验结果编号 弹芯重／g 入射速度／（m／s）剩余速度／（m／s） 靶板层数1 152.0 568.8 280 1 2 152.0 645.8 345 1 3 151.5 806.7 450 1 4 151.5 768.3 未穿透 2 5 152.5 966.0 未穿透2
综上所述，遮弹层的主要抗侵彻结构应选用分层结构，其剖面结构如图5所示。
图5 遮弹层主体分层剖面结构
图6 遮弹层主体平面结构
3.2 遮弹层主体的平面结构
均质泵周薄根据仿生学原理[6]，采用图6所示的蜂窝状钢管或玻璃纤维加强硬塑料等材料约束的混凝土结构组合形成遮弹层的主体结构，以钢管约束靶板抗卵形弹体侵彻为例，假设弹体侵彻偏航层后弹头的形状还是卵形弹，该结构具有以下优点：
1）当钻地弹侵彻普通靶板时，会在弹体附近形成塑性区（包括破碎区）、弹性区和原始区域（如图7所示），由于靶板周围没有约束，使得因弹体进入而产生的应变分配到附近较大区域；而当钻地弹侵彻约束靶板时（如图8所示），由于抵消弹体侵彻所产生的应变的混凝土介质有限，从而使得临近弹体的混凝土介质的应变和应变率比前者大许多，而对于混凝土这种应变率硬化效应较明显的介质，应变和应变率的增大此时就意味着靶板的抵抗力增强，从而增大弹体的减速度，减小弹体的侵彻深度。利用自编工程分析算法[9]对应变率影响因子分别为0.01和0.02，影响范围为弹体半径R的2、4、6、20倍（定义影响范围与弹体半径之比为无量纲影响范围），其它参数与文献[9]相同时的侵彻深度进行计算，算法中定义混凝土的应变率为弹速与影响范围之比，计算出的弹体侵彻深度如表2所列。表2的结果验证了以上分析。
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