破片侵彻贯穿相关研究

破片对有（金属、非金属或复合）靶体的侵彻与贯穿一直是破片毁伤效应研究中的重要内容。战场目标概念内涵不断丰富，新军事目标不断涌现，以及目标防御和生存能力的不断提升，均对破片的侵彻与贯穿提出了严峻的挑战，同时，也引出了许多新的课题。低速、不规则破片对铝板、软钢等侵彻研究已成为历史，高速、重金属、规则破片对厚装甲的贯穿及贯穿后的二次效应成为当今重要的研究课题和任务［33］。复合材料、复合结构装甲的出现为破片的侵彻与贯穿带来新问题的同时，也为破片与目标相互作用弹道科学的研究注入了新的内容与活力［34］。但无论何种形态破片、何种介质靶体，破片侵彻与贯穿的恰到好处是永恒不变的主题，也是研究者的兴趣所在，这里既蕴含了对物理规律的追求，又来自武器系统高效毁伤的强烈愿望，是破片毁伤与防护技术相互促进的推动力量。

破片对（金属、非金属或复合）靶体的侵彻与贯穿的研究具有学科交叉的特点，既属于毁伤技术领域的研究范畴，也是穿甲力学研究中的一个重要分支。同时，穿甲力学的研究方法和手段也为研究提供了有效的工具。

穿甲效应的试验研究早在冷兵器时代就开始出现，“箭-甲”“矛-盾”之间的对抗是人们关注的对象。直到19世纪初，其科学基础穿甲力学的最初理论才开始形成。1829年，Poncelet［35］（1788—1867）发表了关于弹体侵彻土石方面的研究结果，标志着定量研究终点弹道学的开始，其中著名的Poncelet公式成为最早的穿甲力学理论模型，该公式一直沿用至今，也是此后众多理论分析计算模型的雏形。19世纪下半叶，由于理论基础薄弱，试验测试手段落后，因此基本的研究方法是通过实弹射击试验［36］获得预测冲击侵彻结果的经验公式，供弹丸设计或解决防护问题参考。进入20世纪以来，这一方面的研究方兴未艾，尤其是相关学科的发展，为更精确地量化研究穿甲效应问题创造了良好的理论与试验条件。Bethe［37］于1941年首先对穿甲效应的侵彻过程进行了静态理论分析，随后英国力学家Taylor［38］在其基础上推导出了基于准静态考虑的靶板扩孔所需能量与弹丸半径关系的理论模型。此后，Taylor［39］（1948）还提出了刚塑性弹体撞击半无限刚性靶体变形量的数值解法，后来的研究者又在Taylor的基础上考虑了惯性效应，对有关模型进行了进一步的推广，其中最重要的发展是Freiberger［40］（1952）的塑性动力学理论。20世纪60年代以后，新的实际问题出现、试验技术的进步和计算机的应用，为穿甲效应的研究提供了新的契机，该研究领域取得了长足进步与发展。1963年，Recht和Ipson［41］在Spells［42］理论的基础上，建立了基于能量守恒的刚性钝头弹体对薄靶板挤凿破坏的简单力学理论，给出了弹道极限、着速和剩余速度的关系式，开创了基于能量守恒定律分析此类问题的先河。Florence［43］（1969）提出了一种针对刚体弹丸侵彻两层复合装甲的分析模型，可预估侵彻弹体的弹道极限，此后众多分析模型均是在此模型的基础上发展而来的。另外，自20世纪50年代中期开始兴起的超高速碰撞研究，进入60年代后逐步取得了重要的研究成果。美国的Herrmann和Jones［44］及Bjork［45］分别于1961年和1963年对相关研究成果进行了总结。1970年，Kinslow［46］编著出版了High Velocity Impact Phenomena一书。值得一提的是，70年代关于穿甲效应研究的数值模拟程序开始出现并得到应用，其中具有代表性的有HEMP［47］和DEPROSS［48］等。Marvin E.Backman［49］（1978）对侵彻机理的研究成果进行了总结，并发表了The Mechanics of Penetration of Projectiles into Targets一文。钱伟长［50］（1982）提出了刚塑性弹体撞击半无限刚性靶体变形量的解析算法，并于1984年［26］在Marvin E.Backman所著文章的基础上编著出版了《穿甲力学》一书。Silsby［51，52］（1984）和Hohler＆Stilp［53］（1991）通过试验研究了弹体的高速侵彻问题，得到了侵彻深度与杆长之比（P/L）随着靶速度的提高而呈S形曲线增加，最终趋近于某个稍大于流体动力学极限（（ρP/ρT）1/2）值的规律。同时，穿甲效应研究的领域不断扩大，与工程需求结合更加紧密，弹靶系统更为复杂，材料类型呈多样化，陶瓷与钢板叠合的复合装甲结构的侵彻与贯穿研究开始出现。如Wilkins［54］（1978）、Rosenberg［55，56］（1987）等对陶瓷复合装甲结构的抗弹机理进行了研究，并提出用DOP（Depth of Penetration）表征陶瓷复合装甲的抗侵彻性能。Jonas A.Zukas［57］（1990）在Impact Dynamic［58］（1982）一书基础上，对高速冲击动力学研究成果进行了总结，编著出版了High Velocity Impact Dynamics（1990）一书。在同一时期，国内开始了破片穿甲效应的研究。如马玉媛［59］（1981）进行了不同形状小型预制破片对松木板的侵彻试验，通过试验发现，侵彻深度用比动能来表征更为合理。沈志刚［60］（1988）进行了球形破片（钢制和钨合金）碰撞金属靶板试验，观察和分析了试验现象，总结了靶板的破坏规律，建立了刚性球形破片贯穿金属靶板的弹道极限公式。黄长强［61］（1993）通过量纲分析建立了刚性球形破片对靶板极限穿透速度的计算模型。陈志斌［62，63］（1994）进行了钨球对导弹等效靶、中厚度钢板靶的侵彻试验，建立了钨合金预制破片侵彻参量计算的解析模型，可用来计算弹道极限速度、极限破碎速度、穿孔孔径、冲塞质量及剩余速度。张国伟［64］（1996）进行了钨球对装甲板的侵彻试验，并根据能量守恒获得了钨球对装甲钢弹道极限速度的计算式。张庆明［65］（1996）用能量法建立了破片贯穿目标等效靶极限速度的计算式。朱文和［66］（1997）忽略侵彻体、变形、质量损失和热效应，建立了球形破片垂直侵彻有限厚靶板的计算模型。贾光辉［67-69］（1997、1998）进行了钨球对装甲钢板极限贯穿、钨块对软钢板侵彻的理论及试验研究。午新民［1-29］（1999）对钨合金球侵彻有限厚装甲钢进行了试验、理论和数值计算，从理论上对靶板材料在冲击载荷下出现绝热剪切破坏的机理和临界条件进行了分析，建立了着靶速度小于1 500 m/s的情况下，可变形钨合金球极限贯穿靶板三个阶段的侵彻模型，并推导出了球形钨合金破片垂直和倾斜侵彻装甲钢板的极限贯穿速度计算式，将破片穿甲效应的研究推到了一个高峰。(www.xing528.com)

21世纪以来，因弹靶碰撞速度的不断提高，破片高速/超高速碰撞过程中的各种效应成为研究者探索的对象。KarlWeber［70］（2002）对高速破片对薄板的撞击开展了大量试验，研究了破片的破碎行为及二次碎片的空中分布特征。K.Frank［71］（2006）建立了高速球形破片冲击薄金属靶的工程计算模型。同时，复合材料和夹层复合结构开始大范围推广和应用，破片对夹层复合结构侵彻过程中的物理效应成为近10年来的热点问题。Hassan Mahfuz［72］（2000）对破片模拟弹丸（FSP）高速侵彻整体式复合装甲进行了试验和数值模拟研究。Bazle A.Gama［73］（2001）通过试验和数值模拟研究了FSP对多层整体复合结构侵彻时靶体的响应特征。William Gooch［74］（2002）对BULGARIAN双面钢板的抗破片侵彻性能进行了试验及理论分析。W.Riedel等［75］（2004）通过试验和数值仿真研究了分层式装甲背板对破片效应的弱化效果。A.Francesconi［76］（2008）就卫星用铝蜂窝夹层复合结构板在超高速冲击下瞬间振动行为进行了研究。J.B.Jordan［77］（2009）对Celotex®材料的破片模拟弹丸（FSP）侵彻进行了试验与分析，拟合了侵彻深度（DOP）的计算公式。William Schonberg［78］（2011）研究了超高速碰撞下蜂窝夹层复合结构板的碎片云特征。