1 引 言

混凝土类材料具有极其复杂的动力学特性，涉及材料应变率敏感性、静水压力相关特性、裂纹扩展导致的各向异性、拉压不对称性及剪胀与体积塑性、应变软化、加卸载的非线性滞徊特性等[1]。由于混凝土在各个领域应用广泛，它的动态力学行为一直是国内外学者研究的热点。目前，国内外对混凝土的破坏机理研究主要集中在中等应变率区域，应变率范围一般在1～100 s-1以内，实验加载技术主要采用分离式Hopkinson压杆(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)[2-3]。爆炸和高速冲击加载技术能够将应变率加载到102～104 s-1级。大量实验表明，在不同应变率下，混凝土的力学行为往往各不相同。因此，针对混凝土在高应变率下的力学性能这一薄弱环节进行全面系统的研究，对于正确评价结构的抗冲击、抗爆安全度，实现经济、合理的设计和建设工程结构具有重要的理论和现实意义。

聚能装药能够实现对混凝土的高应变率加载，是一种兼具爆炸和高速冲击的加载技术，也是目前战斗部中常用的结构。聚能装药虽然能够实现高应变率加载，但目前对其侵彻混凝土的研究主要还集中在孔洞大小和侵深方面，对混凝土靶的整体破坏行为研究则少有文献报道。Held等人[4]将射流简化成一条直线，采用流体动力学理论分析了射流侵彻混凝土过程，并建立破孔孔径模型，得到了破孔孔径随时间变化的规律；王静等人[5]对靶体阻力进行分析，推导、验证了靶体阻力仅与混凝土材料本身属性相关，并基于虚拟原点法给出了侵深和孔径的计算公式；王辉[6]对聚能装药载荷下混凝土材料的动态响应进行了分析研究，基于实验数据和经验公式给出了一种实用的工程应用模型；段卓平等人[7]研究了起爆模式对聚能装药侵彻钢筋混凝土靶板的影响，验证了多点环形起爆模式下聚能装药对钢筋混凝土的侵彻性能优于其他起爆模式；Murphy等人[8-9]对聚能装药结构的影响进行了详细的实验和数值模拟研究，得到了药型罩材料、锥角、壁厚和炸高对聚能装药侵彻混凝土性能的影响规律；黄风雷等人[10]采用脉冲X光测试技术获得了大锥角药型罩形成侵彻体的形状和侵彻过程，研究了侵彻体对整体靶和多层混凝土靶的侵彻性能。宁建国课题组对射流形成及各参数的影响进行了数值计算及实验研究，并开发了二维软件平台EXPLOSION-2D[11-12]。

目前对聚能装药侵彻混凝土的研究少有关注混凝土的整体破坏行为，且实验研究大部分集中在小口径聚能装药结构上，混凝土靶板的尺寸也相对较小。然而混凝土材料具有很强的尺寸效应，不同尺寸的混凝土其组成材料的尺寸也存在巨大差异，导致小尺寸混凝土靶的研究结论难以推广到大尺寸混凝土靶上。为此，我们开展大口径聚能装药侵彻厚混凝土靶的实验研究，以便于研究聚能装药侵彻混凝土的具体毁伤程度；对实验后的混凝土靶板进行剖切以观测混凝土靶体的内部毁伤程度，并对不同位置处的混凝土进行强度测试，以获取混凝土靶板的破坏行为。

2 聚能装药侵彻混凝土靶的作用机理

聚能装药侵彻混凝土靶板包含两个过程，即聚能装药成型和成型后的金属射流对混凝土靶板的侵彻过程。聚能装药药型罩压垮形成射流的过程可分为炸药爆轰阶段、药型罩压垮阶段、压垮点射流形成阶段和射流伸长阶段[13-14]。成型后的金属射流对混凝土靶板的侵彻过程可分为射流头部刚开始侵彻混凝土靶板的初始侵彻阶段、射流连续侵彻混凝土靶板的连续侵彻阶段和射流侵彻即将结束时的非连续侵彻阶段[15-17]。

2.1 聚能装药形成金属射流的成型机理

聚能装药结构一般在底部设置起爆点。炸药起爆后，产生的爆炸冲击波在炸药内部快速传播，引发周围炸药的爆轰并对药型罩进行压缩，此为炸药爆轰阶段。紧接着进入药型罩压垮阶段，爆炸冲击波经过药型罩之后，在爆炸冲击波的高压作用下，药型罩微元将以很高的压垮速度向轴线方向运动，压垮速度的大小和方向由药型罩的初始几何位置及壁厚决定。由于聚能装药结构一般为轴对称结构，故当药型罩被压垮之后，其微元将在轴线处汇聚形成射流成型区域，即进入压垮点射流形成阶段；形成后的射流将沿着轴线继续运动，且在运动过程中速度不断地发生变化。不同位置处药型罩微元的压垮角度不同，到达轴线的位置也不相同，且以压合点为分界面分成两个部分：向前运动的射流和向后运动的杵体。形成射流和杵体之后就进入射流拉伸阶段，射流的速度比杵体高得多，且两者的速度在成型过程中不断地变化。在整个射流形成过程中，射流内部存在正、负速度梯度，正速度梯度导致射流不断地拉伸，而负速度梯度将造成射流的局部质量堆积。一般来说，质量堆积均发生在射流头部，其它部位基本处于拉伸状态。随着时间的增加，射流被不断拉伸，到某一拉伸极限时射流将会发生断裂，其运动方向可能发生变化且不再保持连续状态，最终导致射流的侵彻性能急剧下降。

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