试验研究和混凝土结构的下渗透和爆炸的组合载荷作用破坏效应分析

抽象

穿透爆炸弹头是最有效的武器，针对混凝土结构用一个。为了研究造成的渗透和爆炸的综合影响混凝土损伤的现象和结果，田间试验，对不同的渗透速度和炸药损坏的具体目标进行。进行分析，以目标的损害，确定的原因，以及预测方法被开发出来。维分析用来拟合实验结果，用于计算损伤深度和体积的公式，提出，并测定损伤深度和体积上的炸药（或充电）和子弹穿透的动能的纵横比的依赖性。爆炸物的一个给定的射弹大小和数量，损伤深度，并与增加的弹冲击系数的具体目标增加的体积，但这种趋势逐渐减小。这一观察结果还可以提供用于渗透爆炸弹头的优化设计的引用，表现出所需的性能价格比。

1.简介

随着现代战争突防武器的不断发展，具有重大战略价值的建筑物或设施的抗爆能力日益受到重视。混凝土作为一种必不可少的建筑材料，广泛应用于各种建筑物或设施的建造[1]，穿透爆炸弹头是针对混凝土结构所使用的最有效的武器之一。它结合伤害效果的原因被损坏的结构和后侧到了崩溃的爆炸侧，导致内部建筑结构严重损坏和人员[2-4]。因此，它是非常重要的研究，由于渗透和爆炸的组合载荷作用及其对混凝土结构的影响[五]。

研究混凝土结构的渗透和爆炸的组合损伤下的动态响应主要涉及学习弹丸穿透的处理和初始穿透损伤的范围内的爆炸的过程。虽然描述混凝土结构的渗透或爆炸的伤害效果相当的文献中，有关于渗透和爆炸的综合影响的研究很少。

在具体的渗透破坏的研究，弗鲁等。[6]发现，当目标直径与冲击体直径的比例为显著，穿透深度和抛射体超载并没有显著影响，但表面损伤体积显著影响。Xue等[7]进行了一项比较刚玉碎石混凝土(CRC)和钢筋混凝土的实验，并提出了一种改进的泰勒模型来预测CRC目标的侵彻深度。Xue等[8]建立了基于表面分割机构和刚性运动学方程为了研究倾斜角和弹丸穿透迎角的效果的工程计算模型。张某等人。[9]来预测卵形鼻弹丸的实时穿透深度基于在涉及卵形鼻弹丸和半无限混凝土靶渗透测试测得的加速度数据的具体目标的新方法。张某等人。[10]描述了深入的调查设计为识别在大范围的组合物和材料特性有关的在水泥基材料小口径不可变形的抛射物的穿透深度临界有效性能。刘等人。[11]进行了实验上中碳钢长杆射弹上的具体目标的影响并研究弹和具体的目标具有不同的冲击速度冲击行为。

在混凝土爆炸损伤的研究中，Cofer等[12]创造了预应力混凝土有限元模型射束和研究爆炸荷载的结构上有两个试爆的效果。傅和张[13[研究了内部爆炸荷载作用下钢筋混凝土靶体自由表面的损伤。李和郝[14]研究了空中起爆条件下钢筋混凝土板的损伤模式，Zhang和Wang [15]师从水下爆炸冲击的影响混凝土重力坝antiexplosion性能。Rabczuk等。[16]用于现场试验和对不同厚度和发起炸药接触，以比较的直径和在所述前凹坑深度的混凝土板数值模拟和背面的具体目标。

基本上有两种不同处理方法用于在弹丸穿透之后得到的混凝土结构中的爆炸研究：（1）直接地突发爆炸性混凝土引爆或（2）内放置炸药一个镜头孔的内部在混凝土和做不要堵塞炮眼。Leng等。[17]使用方法（1）来研究的空洞形成和发达预测规则为混凝土结构内部爆炸荷载的作用下的动态响应，和Lai等人[18]研究了不同埋深和不同负载条件下超强度混凝土的破坏特征。杨和王[19]使用方法（2）与现场试验和数值模拟来开发用于在混凝土电介质的目标的爆炸问题数值模拟合适的算法，和Zhang等。[20.]研究了临界崩溃厚度和用于混凝土目标对应的临界电荷。值得注意的是，没有考虑弹丸的穿透效果上述研究。

在实践中，由于在渗透速度的随机性，爆炸（穿透深度）的深度常常表现出相当大的不确定性;这使得难以正确地评价的情况下，和最终的损坏效果不能准确地判断。一方面，如果渗透速度很慢，爆炸点会极浅，并且充电的爆炸能量将被释放到空气中。在鼓风侧的损害面积是小的，典型地由可见的凹坑，并在后侧的效果并不明显。在另一方面，如果渗透速度是非常高的，爆炸点会非常深，弹就会爆炸的具体介质内形成一个坑葫芦。在表面层上的损伤的面积是接着相对较小;虽然有些凸起和裂缝将形成，他们往往不显著坑开放作出贡献。只有适当的渗透速度将允许穿透爆炸弹头，以造成最大的伤害。此外，充电和纵横比也影响渗透爆炸弹头的功率的重要因素，并且在这些参数的差异引起的损坏的影响显著差异[18-22]。本文采用理论分析和实验相结合的方法，研究了侵彻速度和装药等相关变量对侵彻和爆炸联合作用下混凝土目标损伤的影响。额叶损伤深度和体积的计算模型建立,他们损伤效应研究提供参考和保护混凝土建筑受到渗透和爆炸,同时也提供了一个指南的优化设计和最佳的性价比penetration-explosion核弹头。

2.实验装置

将目标破坏过程划分为侵彻和爆炸两个阶段，可以更好地了解不同的破坏效果，更准确地分析侵彻和爆炸的耦合效应，便于实验和数据采集。采用30毫米口径的滑膛炮进行了中低速侵彻实验;随后，在目标侵彻后的静态爆炸场下进行装药爆炸，模拟侵彻和爆炸过程，研究这两种作用对混凝土结构的破坏。

A 30CrMnSiNi2A solid projectile was used in the penetration experiments, and its material yield strength was 1413 MPa. Because it is challenging to remove the projectile after it penetrates the target and reaches the charge position for the explosion experiment, the projectile features a two-stage detachable design in which the diameter of the projectile gradually decreases (as shown in Figure图1（a））。Ťhe length of the projectile is 100 mm, the diameter of the projectile neck is 20 mm, and the diameter of the projectile tail is 14 mm. A groove is designed into the tail of the projectile to facilitate the use of a specially made flat head screwdriver to rotate the projectile after penetration. The shape of the warhead is oval, and the caliber radius head (CRH) is 2.5. The launch of the projectile utilizes the loading method of the aluminum sabot and the bottom push structure (Figure2），which controls the initial penetration speed of the projectile at 450–700 m/s. In order to simulate the actual damage due to the penetration-explosion projectile, the warhead part was retained after penetration, and the projectile body was rotated and unloaded to carry out an explosion experiment. The actual state of the projectile before and after penetration is shown in Figure图1（b）。

试验共使用了12个具体目标，试验在一个现场试验靶场进行。7个靶标强度为C35, 5个靶标强度为C40。目标的大小都是 。Ťhe 8 mm steel hoop is used for circumferential reinforcement to eliminate the radial boundary effect, as shown in Figure3。试点和测试设备的布局示于图4和五。

爆炸实验是在静态的爆炸现场进行。晶粒是事先压制（图6)，大小是 。钝化的黑索今（RDX）被布置在所述渗透隧道，并且列充电方法通过。该装置示于图7。

3.结果

具体的影响实验用不同的初始穿透速度执行，然后每个目标的损伤状态被记录下来。A high-speed camera was used to record the target’s attitude, and the frames/sec speed of the camera is 4000 FPs. Each bullet had a correct attitude toward the target. Figure8展示了在对靶5的侵彻实验中，子弹的姿态和对靶的损伤情况。弹丸穿透目标后，目标表面会形成凹坑。根据凹坑的面积和裂纹的数量和大小可以判断目标的初始损伤状态。记录了每个弹丸的靶速和侵彻深度。数据如表所示1。

被穿透的目标被运到了爆炸实验静态的爆炸现场。爆炸发生后，一个漏斗状火山口出现在目标的前面，出现破损区域之外的几个裂缝。的相互连接，以使在某些区域碎裂一些目标，和一些具体的片段裂纹从所述靶的前面剥离。爆炸发生后，该凹坑变得明显，并发现目标的整体性较差。During the experiment, high-speed photography was used to record the concrete throwing process during the explosion, and the frames/sec speed of the camera is 3000 FPs. Figure9显示了目标7在承受爆炸载荷时的混凝土投掷图像。实验结束后，对目标的穿爆联合损伤进行了三维扫描和记录。数字10显示了一些目标的爆炸双方的伤害，图11节目的目标的受损区域的三维扫描。在爆炸实验中使用的炸药钝化黑索今（RDX），密度 ，爆热得 ，爆轰速度为8150 m/s，装药直径为20 mm。其他相关数据如冲锋数、长径比和目标伤害状态显示在表中2。

4。讨论

因为它是难以建立用于组合渗透爆炸损坏的完整数学和力学模型，尺寸分析被用于简化。确定多个物理量之间的关系是研究的影响因素和配制适用经验规则[有用23-25]。在本文中，我们采用大号-F-Ť力学系统进行渗透和爆炸的综合影响量纲分析。

以下低速和中速渗透参与接触爆炸的主要参数示于表3[26-35]。

损伤深度是反映爆震现场爆震试验结果的一个因素。此外，爆破侧损伤形态和体积的研究，可以为混凝土结构的损伤评估和快速修复提供理论依据，具有重要意义。因此，下面讨论关键参数。

从物理的角度来看，损伤深度取决于关系到该材料的参数和弹丸的几何特征[33，34，36，37]，炸药，和目标，这可以概括为

利用白金汉定理[23，25),方程(1)可表示为无量纲形式:

冲击能量因子指的是通过Haldar [所提供的冲击系数的定义4，38]。这个因素是一个无量纲量： 在哪里表示弹头的形状因子，是弹丸质量，是初始穿透速度，和是弹丸直径。在该实验中，某些参数，如弹头的形状，抛射直径，圆柱形的电荷密度，和爆轰速度，保持恒定。因此，唯一剩下的抛射物变量是初始穿透速度和弹丸质量，并且仅存炸药变量是爆炸性的直径和长度。对于一个特定的混凝土材料，弹性模量，泊松比和密度是一定的值，该目标厚度也是固定值，和冲击能量因子已经包括混凝土的材料参数。因此，爆炸后的损伤深度量纲表达式可以简化为 当上式的第一变量是CAR（电荷纵横比），爆炸参数也表示在该实验中的电荷的大小。第二个变量是渗透参数，它包含了混凝土的材料参数。无量纲损伤深度和冲击能量因子之间的关系在图中示出12。

图分析12shows that the dimensional damage depth is low when the CAR = 4; it is high when the CAR = 6, while for CAR = 5, it is at an intermediate level. We can make corrections by reasonably assigning adjustments. In fact, as the momentum of the penetration projectile increases, the rate of the increase in penetration depth will taper off. The impact of the initial penetration damage on the explosive load will stabilize, and the increase in the damage depth will also be moderated [6，39-42]。最后，将合并的负载达到目标的渗透或保持一定的损伤深度，这取决于靶的厚度和损伤深度的极限之间的关系。因此，可以假定，在无量纲式方程（4）具有功率型渐近表示，这是 在哪里 ， ，和是它们通过实验数据拟合，以获得常数

为了清楚起见，方程之间（关系7)，实验结果如图所示13。拟合公式是与实验结果吻合良好，并且分散不超过所示的10％的极限。当然，这个公式具有局限性和只适用于在实验中使用的材料的数据范围虽然在本实验中使用的混凝土结构在工程常用。

类似地，损伤体积可以通过三维分析而获得[23-25]。与损伤体积有关的参数为

利用白金汉定理[23，25),方程(8）可以转化为以下无量纲形式：

简化的无量纲表达是

从组合渗透爆炸效果造成的损害过程非常复杂，并且它也表现出相当大的随意性。炸药引爆后，周围的混凝土是因为爆炸冲击波击碎。如图14[43]，通过破碎区通过冲击波之后，其继续通过周围的混凝土进行传播。由于大多数的爆炸能量的用于粉碎和压缩混凝土，混凝土的每单位能量体积减小。冲击波被衰减成压缩应力波，这导致在径向方向上的压缩应变，并在圆周方向上的拉伸应变。由于高压缩强度和混凝土的抗张强度低，当在波前的拉伸应力超过了混凝土的抗拉强度[形成在破碎区域许多径向拉裂纹五]。如图14，碎片形成区破碎程度对裂缝影响最大，具有高度随机性。这导致了一种情况，在图中损坏的体积15尤其分散且基本不规则。

据渗透和爆炸伤害的原则，很容易建立，对于在具体目标的爆炸一侧的伤害量的增长趋势是怎样的损伤深度的增长趋势。由于穿透子弹上涨的势头，越来越多的弹头与类似费用造成伤害的能力会逐渐降低。因此，虽然损伤体积的研究相对随机的，基本关系仍然可以得出以供参考。通过拟合实验结果，我们得到

为清楚起见，式(12）和实验结果示于图16。由于实验结果的随机性较大，一些数据点与预测值的差异高达预测值的20%。因为有较少的实验数据(相对于，例如，图13)，这个方程是有限制的，只能提供一个理论指导。爆炸应力波产生的裂纹损伤的随机性是后续研究中需要进一步关注的问题。

5。结论

在渗透和爆炸的具体目标的综合影响这项研究具有非常重要的现实意义。通过现场实验，爆炸侧破损与不同的渗透速度和炸药条件的具体指标进行了分析，得到的经验规律和损害的预测。这导致了以下主要结论：(一)对于给定尺寸和炸药的量，损伤深度和体积由混凝土目标经历将与子弹的越来越大的影响系数增加，但增加的速度将逐渐减弱。最终，目标将被穿透或以恒定的深度取决于目标厚度和损伤极限之间的关系损坏。（b）中利用对具体目标实验数据的拟合，在(6）和（11），以及两个方程与实验数据一致。这建立了损伤深度和体积的炸药的纵横比（或充电）和渗透的动能的依赖性。类似地，这些方程可以为渗透爆炸弹头的优化设计的引导件。(c)在具体的目标呈现大幅度随机性的损伤体积，是由许多因素的影响。的材料在所述片段形成区所造成的裂缝崩溃值得进一步实验关注。聚集体的不均匀性和裂纹的随机定向可以防止混凝土材料不能满足性能的期望。考虑损害评估和混凝土结构的快速修复时，这个问题是相当大的意义。

此外，渗透和爆炸的综合作用将导致混凝土结构崩溃的背面，和建筑物的内部人员会造成人员伤亡。关键塌陷厚度的值和混凝土结构的背面损害的法律是在后续的研究要解决的关键问题。

数据可用性

用于支持该研究结果的数据包括在项目之内。

利益冲突

作者声明，本论文的发表不存在任何利益冲突。

致谢

作者要感谢Editage英语语言编辑。这项研究是由中国国家自然科学基金（批准号51808553）的资助。

参考

1. G.王，张S.，W. Lu等人，“混凝土重力坝毁伤效应水下爆炸，”水利学报卷。46，没有。2，第723-731，2015。视图:谷歌学术
2. Q.郑，Q.钱，Z. Zhou等人，“结痂钢筋混凝土结构的厚度估计的比较分析，”工程力学卷。20，没有。3，第47-53，2003。视图:谷歌学术
3. 张欣欣，颜欣欣，陈振中等，“接触爆轰下钢筋混凝土板的爆炸剥落”，清华大学学报:科学与技术卷。46，没有。6，第765-768，2006年。视图:谷歌学术
4. 郑，周中，钱，“保护性建筑的散裂”，中国岩石力学与工程卷。22，没有。8，第1393-1398，2003。视图:谷歌学术
5. G.杨，G王，W. Lu等人，“渗透和爆炸的组合载荷作用下混凝土结构的为害特点，”中南大学第48卷，no。12，第3284-3292页，2017。视图:谷歌学术
6. D. J.弗鲁，S. J. Hanchak，M. L.绿，M. J.佛瑞斯塔，“与卵形鼻钢杆具体目标渗透，”国际冲击工程杂志卷。21，没有。6，第489-497，1998。视图:出版商的网站|谷歌学术
7. Y. L.雪，D. G.唐，W. X.陈，Z.李正东，D P. Li和M. L.姚明，“实验和刚玉碎石混凝土受弹冲击渗透分析研究，”冲击和振动卷。2017年，文章编号1396567，10页，2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术
8. J.薛，沉P.和十王，“一弹的侵彻攻角的具体目标工程计算模型，”振动与冲击卷。36，没有。13，第238-244，2017。视图:谷歌学术
9. Zhang D.， Gao S.， Liu H.等，“基于加速度测量和模糊模型的弹丸侵彻深度实时预测”，振动与冲击卷。36，没有。5，第176-181，2017。视图:谷歌学术
10. “水泥基材料在小口径非变形弹丸冲击作用下侵彻深度的关键参数”，张文华，“水泥基材料侵彻深度的关键参数”，硕士论文。国际冲击工程杂志，第137卷，第103471条，2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术
11. “钢长杆弹丸高冲击速度侵彻混凝土目标的实验与理论研究”，刘志强，张欣欣，陈宏华，王建华，魏宏华，熊文伟，“钢长杆弹丸侵彻混凝土目标的实验与理论研究”，国际冲击工程杂志卷。138，文章ID 103482，2019。视图:出版商的网站|谷歌学术
12. “爆破荷载对预应力梁桥的影响”，王建民，《桥梁工程》，硕士论文。冲击和振动卷。19，没有。1，第1-18，2012。视图:出版商的网站|谷歌学术
13. Y.富和Q.张，“研究如何在钢筋混凝土爆破火山口大小的模型，”北京理工大学的交易卷。26，没有。9，第761-764，2006年。视图:谷歌学术
14. 李，郝，“爆炸荷载下混凝土剥落破坏的数值研究”，国际冲击工程杂志卷。68，没有。3，第41-55，2014。视图:出版商的网站|谷歌学术
15. 张s、王根，“混凝土重力坝在水下爆炸作用下的抗爆性能”，爆炸和冲击波卷。33，没有。3，第255-262，2013。视图:谷歌学术
16. T. Rabczuk，J. EIBL和L. Stempniewski，“使用无网格拉格朗日方法高速混凝土破碎的数值分析”工程断裂力学卷。71，没有。4-6，第547-556，2004。视图:出版商的网站|谷歌学术
17. B.冷，J.许，H. Sun等人，“经受爆炸的内部负载混凝土动态响应的数值模拟，”中国高压物理杂志卷。23，没有。2期，第111-116，2009。视图:谷歌学术
18. J.赖，郭X.和Y朱，“重复渗透和超高性能混凝土的不同深度的爆炸，”国际冲击工程杂志，第84卷，第1-12页，2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术
19. 杨d、王x，“混凝土爆炸数值模拟方法研究”，爆炸和冲击波第25卷，no。2005年，第569-573页。视图:谷歌学术
20. H.张，Z.段，L. Yan等人，“研究的下内部爆炸厚的混凝土目标的崩溃穿孔”北京理工大学的交易卷。33，没有。5，第441-444，2013。视图:谷歌学术
21. H.文，“为具体目标冲击响应的经验公式，”爆炸和冲击波卷。23，没有。3，第267-277，2003。视图:谷歌学术
22. 高雄，“高比率应力载荷下的断裂力学”，国立台湾大学机械研究所硕士论文岩石，混凝土和土壤：威廉·普拉格研讨会的预印本上岩土力学论文集，第149-188页，西北大学，埃文斯顿，美国，1980年。视图:谷歌学术
23. L. I. Sedov, M. Friedma和R. E. Street，相似性和力学三维方法米尔出版社，莫斯科，俄罗斯，1982年。
24. 陶杰、张凯，土石爆破相似律与爆破参数优化，科学出版社，北京，中国，1998年。
25. P. S.韦斯汀，F. T.道奇和W. E.贝克，类似方法在工程力学海登图书公司，印第安纳波利斯，IN，USA，1973年。
26. c . w .兰普森地球上的爆炸，撞击和爆炸的影响，华盛顿特区，美国，​​1946年。
27. c . b . Morrey地下爆炸理论，操作争吵，技术服务，商务部，华盛顿特区，美国，​​1952年的办公室。
28. M. h . M.和K. A. Holsapple， <离心坑结垢实验II >。材料强度的影响。”离心机火山口缩放实验II材料强度的影响，国防核能机构，华盛顿特区，美国，​​1979年。视图:谷歌学术
29. 《陨石坑喷出物的尺度定律:基于量纲分析的基本形式》，王建民、王建民著。地球物理研究杂志卷。88，没有。B3，第2485至2499年，1983年。视图:出版商的网站|谷歌学术
30. P. M. Ghare，D. C.蒙哥马利和W. C.特纳，“为流动networkflow网络优化停职政策，”海军研究物流季刊第18卷，no。1期，第37-45，1971。视图:出版商的网站|谷歌学术
31. “论陨石坑尺寸的缩放:1。”爆炸性的过程,”地球物理研究杂志卷。85，没有。B12，第7247-7256，1980年。视图:出版商的网站|谷歌学术
32. K. A.霍尔萨普尔和R. M.施密特，“表观体积火山口的材料强度模型，”在月球和行星科学大会论文集卷。10，页。2757年至2777年，休斯敦，得克萨斯州，美国，1979年3月。视图:谷歌学术
33. r.t. Klinkvort, O. Hededal, S. M. Springman，“单极子的离心模型缩放问题”，国际中华物理建模岩土工程的第13卷，no。2，第38-49页，2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术
34. M. A. Sadovskii，V. V. Adushkin，V. N.罗季，和G. N. Startsev，“造型大缩孔爆炸的方法，”燃烧，爆炸和冲击波第3卷，no。1，第73-89页，1967。视图:出版商的网站|谷歌学术
35. R. M.施密特，“重力缩放产量参数的离心机缩孔试验-开发”冲击和爆炸缩孔：行星和地面的启示，第1261至1278年，1978年。视图:谷歌学术
36. 五，五Adushkin和B. D. Khristoforov，“大型表面爆炸陨石坑，”燃烧，爆炸和冲击波第40卷，no。6，第674-678页，2004。视图:出版商的网站|谷歌学术
37. r·m·施密特的《离心陨石坑实验》LPI贡献，第259-266页，1976年。视图:谷歌学术
38. J. L.德雷克和L. A. Twisdale，保护建筑设计手册空军工程和服务，廷德尔空军基地，佛罗里达州，美国，1989年。
39. S. J. Hanchak, M. J. J. Forrestal, E. R. Young, J. Q. Ehrgott，“48 MPa (7 ksi)和140 MPa (20 ksi)无侧限抗压强度混凝土板的穿孔，”国际冲击工程杂志第12卷，no。1, 1992年1 - 7页。视图:出版商的网站|谷歌学术
40. A. N. Dancygier，D. Z. Yankelevsky，和C. Jaegermann，“高性能混凝土板的响应不变形弹丸的冲击，”国际冲击工程杂志卷。34，没有。11，页。1768年至1779年，2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术
41. A. N. Dancygier，“硬弹丸冲击造成的普通和高强度混凝土构件的后部损伤，”ACI结构杂志，第95卷，no。3, 291-304页，1998。视图:出版商的网站|谷歌学术
42. A. N. Dancygier和D Z. Yankelevsky，“高强度混凝土响应硬弹冲击”国际冲击工程杂志第18卷，no。1996年第583-599页。视图:出版商的网站|谷歌学术
43. J.富和J.潘，“分析与爆破底部空气柱负责机制实验研究”西安矿业大学学报卷。15，没有。1，第21-24页，1995年。视图:谷歌学术

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