模拟防护工事薄钢筋混凝土靶板尺寸为2 000 mm×2 000 mm×240 mm，钢筋直径为8 mm，钢筋间距为150 mm，共两层，距混凝土靶板上下表面各45 mm。活性径向增强战斗部内活性芯体激活长度由理论计算所得，活性毁伤增强侵彻战斗部碰撞速度分别为700 m/s、1 000 m/s及1 300 m/s，计算模型如图5.12所示。

1.典型毁伤效应

图5.12　计算模型

活性增强侵彻战斗部作用薄钢筋混凝土靶板典型过程如图5.13所示。从图5.13中可以看出，战斗部作用薄钢筋混凝土靶过程可分为开坑、剪切、冲塞及活性芯体爆燃四个阶段。在开坑阶段，战斗部直接碰撞混凝土靶，弹靶作用下形成的强冲击波分别向战斗部尾部和靶板背部传播，战斗部内活性芯体部分激活。同时由于混凝土抗压不抗拉特性，碰撞面附近混凝土材料在拉伸波作用下碎裂，在靶板表面形成一个远大于战斗部直径的崩落区域。在该阶段，战斗部对混凝土靶板影响范围仅限于碰撞区域附近，靶板其他大部分区域均为无应力区，碰撞区域附近混凝土大面积崩落，形成靶板正面漏斗坑。

图5.13　活性增强侵彻战斗部作用薄钢筋混凝土靶板典型过程

在剪切阶段，靶板内应力波先行到达靶板背部，反射形成拉伸波，向弹靶作用面传播。当反射稀疏波传播至弹靶界面时，混凝土靶应力突然卸载至近似为零。同时，在此阶段，冲击波作用于战斗部内活性芯体材料，并在传播过程中呈指数衰减，当冲击波强度高于活性芯体材料激活阈值时，活性材料被激活。由于活性芯体材料强度较低，侵彻能力较弱，在侵彻过程中，活性芯体被挤压在外壳和靶板之间，受该轴向压力作用，发生径向膨胀。部分靶板材料被挤压进入战斗部内，使得靶板材料之间发生相对剪切运动，形成塞块。

在冲塞阶段，塞块和弹体以相同速度继续侵彻靶板，贯穿混凝土靶板后，战斗部外壳在径向压力作用下碎裂，形成具有一定分布的破片杀伤场。

在爆燃阶段，由于防护工事厚度较小，被激活的活性芯体爆燃反应一般发生在穿靶后。在活性材料爆燃作用下，活性芯体化学能一方面提高了战斗部壳体所形成破片飞散速度，增强了破片对靶后目标杀伤效应；另一方面，在靶后形成超压，对防护工事后有生力量、仪器设备产生高效毁伤。

弹靶作用过程中，战斗部径向应力云图如图5.14所示，从图5.14中可以看出，活性毁伤增强侵彻战斗部作用混凝土靶初期（t=10 μs），战斗部壳体及活性芯体内随即产生超过10 MPa的径向应力，且由于壳体中应力波传播速度较快，壳体中径向应力扩展速度也快于芯体内径向应力扩展速度。在侵彻过程中，战斗部头部持续处于高径向应力状态，且显著高于战斗部尾部径向应力（t=300 μs）。当战斗部贯穿混凝土靶板、战斗部壳体失去靶板径向约束时，在膨胀应力作用下，战斗部壳体碎裂成具有一定速度和质量的破片杀伤场。

图5.14　战斗部径向应力云图

混凝土靶内应力云图如图5.15所示。从靶板内应力波产生及传播角度看，弹靶作用瞬间，靶板内应力波产生并以碰撞点为原点呈球面波向四周传播，经约20 μs，应力波传播至靶板背部经自由界面反射形成拉伸波，靶板背部大面积崩落，在战斗部侵彻通道附近形成漏斗坑。随着弹丸侵彻速度下降，持续产生的应力波强度下降，应力波在靶板内传播也不断衰减。经过约110 μs，应力波传播至靶板边界，随后在靶板边界反射形成拉伸波，从而在混凝土靶内形成复杂应力场。这表明混凝土靶毁伤受边界效应影响，即靶板尺寸对毁伤效应存在一定影响。值得注意的是，弹靶作用后期（t＞250 μs），战斗部内活性芯体逐步发生爆燃反应，释放化学能，在活性材料爆燃压力作用下，侵孔附近区域压力持续升高。

图5.15　混凝土靶内应力云图

混凝土作为典型脆性材料，在战斗部高速碰撞下失效模式主要为拉伸碎裂及层裂。因此关注拉应力分布对分析混凝土靶失效行为有重要意义。战斗部以700 m/s作用靶板，混凝土靶板拉伸应力云图如图5.16所示，从图5.16中可以看出，50 μs时，正对侵孔靶板背部最先出现拉伸应力，且高于5 MPa，远超C35混凝土靶板抗拉强度。因此在实际毁伤过程中，该区域靶板已发生碎裂失效。随拉伸波在靶板内继续传播，可发现拉伸应力分布区域更广，且主要集中于靶板表面区域。作用时间达200 μs时，靶板内仍有兆帕级拉伸应力存在，这表明靶板的拉伸碎裂失效不仅发生于弹靶作用初始阶段，而且发生在亚毫秒级。

图5.16　混凝土靶板拉伸应力云图

战斗部高速碰撞作用下，根据破坏行为，钢筋混凝土靶板可分为五个响应区：空腔区、粉碎区、破碎区、弹性区和未扰动区。空腔区一般为战斗部直接碰撞区域，混凝土内形成明显空腔。在粉碎区，混凝土环向拉伸断裂，径向压缩失效，材料发生完全破坏。在破碎区，环向拉伸应力超过混凝土抗拉强度，材料发生环形拉伸失效，而在径向方向一般不发生失效，表现为环形单向拉伸裂纹。在弹性区，混凝土材料处于弹性状态，未发生失效。在未扰动区，弹性波在传播过程中衰减，未传播至该区域导致材料未受扰动。

战斗部以一定速度碰撞靶板时，高压作用下碰撞点附近形成空腔区，在战斗部侵彻通道附近，材料发生轴向及径向失效，该区域即为粉碎区。随着应力波传播及衰减，距离碰撞点一定距离区域的混凝土仅发生单向径向拉伸断裂失效，靶板中产生大量径向裂纹，形成破碎区。弹性区和未扰动区不涉及材料失效，在这里不做讨论与分析。值得注意的是，活性攻坚破障战斗部作用钢筋混凝土靶板时，战斗部内活性芯体爆燃，爆燃超压作用于侵彻通道提高了靶板内应力波强度，使得靶板内空腔区、粉碎区、破碎区范围都有一定程度扩大。

2.碰撞速度影响

均一激活阈值芯体活性径向效应增强战斗部分别以700 m/s、1 000 m/s、1 300 m/s作用混凝土靶板毁伤图如图5.17所示。从图5.17中可以看出，损伤最先出现在弹体与混凝土直接碰撞区域，并进一步向四周传播，远离撞击点位置的损伤程度较轻。由于钢筋与混凝土之间的界面属于薄弱区，钢筋层周围出现较为严重的损伤，且呈现沿钢筋层的连续损伤。随着碰撞速度提高，混凝土靶严重毁伤区域面积增加，且在钢筋加强作用下混凝土损伤区域扩展受限。从损伤云图可以发现，当碰撞速度为700 m/s时，靶板严重损伤区域呈现为以碰撞点为圆心的圆形分布，碰撞速度分别为1 000 m/s及1 300 m/s时，在战斗部作用靶板初期，靶板严重损伤区域仍以碰撞点为圆心向靶板周边区域扩展，扩展至钢筋附近区域时，靶板严重损伤区域沿钢筋排列方向扩展。随着碰撞速度提高，靶板严重损伤区域增大，但并未呈大规模扩大，这是由于钢筋能够显著提高靶板抗拉强度，阻止混凝土中裂纹扩展，因此将靶板的严重损伤区域大幅缩小。

图5.17　混凝土靶板毁伤云图

战斗部高速碰撞钢筋混凝土靶板时，战斗部与钢筋碰撞相对位置随机，碰撞位置可主要分为三类：一是钢筋横纵交界处，二是单排钢筋处，三是钢筋网眼内。研究结果表明，直接作用于钢筋横纵交界处时弹体所受阻力最大，其次为作用单排钢筋处，作用于钢筋网眼内时弹体所受阻力最小。

战斗部作用钢筋混凝土靶板时，钢筋响应行为可主要分为弯曲和断裂两个阶段。弯曲阶段，钢筋保持整体响应，受弹体冲击作用发生弯曲变形并运动。其响应类似于一无限长梁在阻尼介质中受冲击载荷作用的动力响应。此时，钢筋及混凝土对弹体的阻力相对独立，钢筋的阻滞作用明显。断裂阶段，钢筋弯曲变形，超过极限塑性弯矩，从而断裂。断裂后钢筋失去轴向约束，钢筋与混凝土介质一起运动，两者对弹丸的阻力合为一体，钢筋的阻滞作用微弱。(www.daowen.com)

为最大限度考虑钢筋对混凝土靶强度的增强作用，数值模拟中弹着点全部设定为钢筋横纵交错位置。弹靶作用下钢筋有效应力云图如图5.18所示，从图5.18中可以看出，首层钢筋内有效应力最高，碰撞点附近有效应力高达1.2 GPa，且各层钢筋有效应力沿碰撞点向外逐渐减小。钢筋在战斗部直接碰撞作用下失效断裂，横纵钢筋连接处也随之失效。遭直接撞击的钢筋，其破坏可简化为弯曲-剪切断裂和弯曲-拉伸断裂两种模式。随着碰撞速度提高，钢筋内有效应力增加，钢筋有效应力分布范围变大，断裂钢筋数量增加。

从能量角度来看，战斗部毁伤靶板过程可视为战斗部不断向靶板传递能量的过程。战斗部作用靶板过程中，靶板整体能量时程曲线如图5.19所示。根据靶板能量时程曲线，可以将靶板能量增加过程分为动能作用和化学能作用两个阶段。

动能作用阶段，在战斗部直接碰撞作用下，钢筋局部速度迅速增加，随即在速度梯度作用下产生大挠度变形甚至断裂；混凝土靶根据与碰撞点距离发生不同程度变形或碎裂，部分混凝土碎石以一定速度被抛掷。同时碰撞过程中靶板被绝热压缩，材料温度升高，内能增加。在动能作用阶段，钢筋及混凝土动能及内能均增加。增加至一定程度时，部分能量用于钢筋及混凝土变形，同时材料温度下降，钢筋及飞溅碎石速度不断衰减，靶板总能量下降。

化学能作用阶段，活性攻坚破障战斗部与传统攻坚破障战斗部最典型差异即在于活性攻坚破障战斗部能够释放化学能增强对目标的毁伤效应。在前一阶段强动载作用下，经过一定弛豫时间后，活性芯体在侵彻通道内逐渐发生爆燃反应，在爆燃产物作用下，钢筋和混凝土靶板被进一步压缩，钢筋和混凝土变形程度增加，变形范围不断扩大，靶板总能量再次增加。

图5.18　弹靶作用下钢筋有效应力云图

从图5.19中还可看出，随碰撞速度增加，在动能作用阶段，靶板能量上升速率及峰值均增加，这是由于战斗部碰撞速度高，钢筋及混凝土直接作用导致的局部速度更高，材料变形更严重。与此同时，随着碰撞速度提高，靶板总能量从初始峰值下降幅度也增加，这是因为靶板在该阶段温度下降的幅度更大，同时更多内能用以克服材料碎裂和裂纹扩展等。在化学能作用阶段，随着碰撞速度增加，总能量二次峰值也增加。这主要是因为随着碰撞速度增加，活性芯体被激活长度增加，活性芯体释放出的化学能更高。

图5.19　靶板整体能量时程曲线

3.芯体材料影响

活性材料激活爆炸并释放化学能的前提，是超过活性材料激活阈值的冲击波作用于活性材料。在实际弹靶作用过程中，由于冲击波传播衰减效应，战斗部靠近尾部的活性芯体通常无法被激活，从而不能发生爆燃反应。活性材料的这种非自持反应，为活性毁伤增强侵彻战斗部设计提出了挑战。

为优化攻坚破障型活性毁伤增强侵彻战斗部化学能释放特性，设计了激活阈值梯度变化的活性芯体材料，头部活性材料激活阈值较高，尾部激活阈值较低。梯度激活阈值活性芯体战斗部增强原理如图5.20所示，Ⅰ和Ⅱ分别代表两种激活阈值的活性芯体材料，Pc1和Pc2则分别为对应的激活阈值，l1和l2分别为激活长度。从图中可以看出，当活性芯体为均一阈值活性材料时，被激活的活性材料长度仅为l1，能够释放化学能的活性材料较少；当活性芯体为梯度阈值活性材料时，被激活的活性材料长度为l1＋l2，能释放化学能的活性材料增加，从而增强了战斗部整体的能量释放能力，提高了战斗部毁伤能力。

图5.20　梯度激活阈值活性芯体战斗部增强原理

弹靶作用条件相同时，与均一激活阈值活性芯体弹丸相比，梯度阈值活性芯体弹丸在弹靶作用过程中激活的活性材料更多，弹丸对靶板的化学能毁伤效应更加显著。梯度激活阈值活性弹丸分别以700 m/s、1 000 m/s及1 300 m/s作用钢筋混凝土靶板，钢筋混凝土靶板毁伤云图如图5.21所示。

图5.21　钢筋混凝土靶板毁伤云图

从图5.21中可以看出，梯度阈值活性芯体战斗部作用时混凝土损伤效应与均一阈值活性芯体弹丸作用基本相似，随着碰撞速度增加，靶板损伤程度增加，混凝土层损伤在钢筋加强作用下范围缩小，靶板损伤沿钢筋走向扩展。结合图5.17和图5.21可以看出，碰撞速度相等时，梯度阈值活性芯体战斗部作用混凝土损伤程度更高。值得注意的是，碰撞速度为1 000 m/s时，两种活性芯体弹丸对混凝土损伤效应差距最大，表明在该速度下，梯度激活阈值弹丸更具优势，释能更高。与均一激活阈值活性芯体战斗部相比，梯度激活阈值活性芯体战斗部在弹靶作用过程中能够释放更多化学能，从而提高了战斗部毁伤威力。

混凝土靶内钢筋有效应力云图如图5.22所示，从图5.22中可以看出，与填充均一阈值活性芯体弹丸相同，随碰撞速度提高，钢筋有效应力不断增加，钢筋变形也逐渐加剧，逐渐由大变形向断裂过渡。与填充均一活性芯体弹丸相比，当弹靶作用条件相同时，在高速侵彻钢筋混凝土靶过程中，钢筋有效应力更高。表明装填梯度阈值活性芯体弹丸对钢筋结构毁伤更严重。

图5.22　混凝土靶内钢筋有效应力云图

弹靶作用过程中，靶板能量变化如图5.23所示。在作用初期，靶板能量快速升高，主要由弹丸动能对靶板造成毁伤。随碰撞速度增加，能量上升速率及峰值均增加。数十微秒后，能量再次快速上升达到峰值，主要由活性芯体爆燃反应对靶板的进一步毁伤作用导致。碰撞速度对该阶段毁伤行为影响主要体现在，随着碰撞速度提高，活性芯体激活长度增加，释放化学能增加。

图5.23　靶板能量变化

对比同一碰撞速度条件下，两类活性战斗部分别作用靶板时靶板能量曲线可以发现，在战斗部动能作用阶段，靶板总能量随时间变化基本相同，靶板能量差异主要体现在化学能作用阶段。值得注意的是，当碰撞速度为700 m/s和1 000 m/s时，梯度阈值活性芯体战斗部作用下靶板能量二次峰值显著高于均一激活阈值活性芯体战斗部。原因在于在上述弹靶作用条件下，冲击波传播并衰减能够激活的活性材料有限；对于梯度阈值活性芯体战斗部而言，即使在低冲击波强度作用下，部分低激活阈值的活性材料依然被激活并发生爆燃反应，提高了活性材料整体的化学能释放量。当战斗部碰撞速度为1 300 m/s时，两类战斗部作用靶板的总能量基本相同，这表明在该弹靶作用条件下，参与爆燃反应的活性材料基本相同，说明强冲击波作用下，战斗部内活性材料已经被全部激活。