高性能混凝土抗侵彻与贯穿破坏的试验与理论研究

本项目以军用和民用混凝土工程结构应对偶发的军事打击、恐怖袭击和事故型撞击为研究背景，基于柱形和球形空腔膨胀理论、广义统一强度理论和阶段冲击模型对普通和高性能混凝土靶体的侵彻和贯穿问题进行理论分析，得到综合考虑靶体材料中间主应力、八面体剪应力、应变速率和弹头形状等因素影响的半无限厚靶体侵彻深度以及有限厚靶体震塌极限、贯穿极限和弹道极限的理论表达式。进行普通和高性能钢筋混凝土靶体的冲击贯穿试验，并基于不同弹头形状的14组弹体侵彻试验和3组弹体贯穿试验以及经典（半）经验公式验证理论结果的正确性。本项目的工作将填补国内外在混凝土尤其是高性能混凝土材料抗弹体冲击贯穿试验研究的空白，填补或完善混凝土材料抗弹体侵彻和贯穿的理论研究，并进一步揭示混凝土材料在弹体冲击作用下的破坏机理，为军用和民用混凝土工程结构的抗爆设计提供试验和理论依据。

本课题以军、民用混凝土工程结构应对偶发的军事打击和事故型撞击为研究背景，针对刚性弹侵彻/贯穿半无限厚和有限厚普通与高强混凝土靶体的终点效应进行了理论与实验研究工作。主要创新点有：（1）对于混凝土（岩石）靶体，得到了综合考虑弹头形状变化、成坑区深度和弹靶摩擦力影响的刚性动能弹冲击有限厚混凝土靶板的侵彻深度、临界贯穿厚度、临界贯穿速度、残余速度以及贯穿系数的无量纲计算公式，其对166组不同弹头形状弹体冲击贯穿单层普通和高强混凝土靶体试验靶体破坏形态预测精度分别达到83.7%和87.5%，并且得到混凝土靶体贯穿系数的范围为1~3.5；（2）进行了弹体贯穿多层混凝土靶板的理论分析；（3）进行了高强混凝土靶体的弹体侵彻和贯穿实验，提出了综合考虑弹头形状和弹靶动态摩擦效应的高强混凝土靶体强度参数的计算表达式，弥补了Forrestal公式中靶体强度参数适用范围低于100MPa的不足。提出了高强混凝土靶体的弹体侵彻深度分析方法及其在纤维增强混凝土中的应用；（4）基于动态球形空腔膨胀理论，分别建立了基于弹性-断裂-塑性和弹性-塑性两种靶体响应模型下，同时考虑单轴抗压强度和弹性模量影响的靶体阻力函数理论公式，对已有模型进行了改进；（5）建立了同时考虑靶体自由表面和开裂区影响的弹体非正侵彻混凝土靶体的终点弹道参数的分析方法；（6）开展了有限厚混凝土靶体的弹体冲击贯穿实验研究，利用高速摄像机得到弹体的入射和贯穿残余速度，利用弹载加速度计得到弹体膛内加速、空中飞行以及靶体内减速的全过载曲线。为弹体冲击有限厚混凝土靶体终点效应和毁伤机理的研究提供了实验支撑，为相关领域的数值仿真研究提供了实验依据。上述工作补充了国内外在混凝土尤其是高性能混凝土材料抗弹体冲击贯穿的研究，进一步揭示混凝土材料在弹体冲击作用下的破坏机理，为混凝土工程结构的防护设计提供试验和理论依据。. 课题执行期间，发表录用内容相关学术论文12篇，其中SCI和EI分别收录2篇和10篇（含源刊），获软件著作权2项。取得学术成果获省部级科技进步一等奖1项，二等奖2项。获批国家自然科学基金面上项目1项，中国博士后科学基金第六批特别资助项目1项，中国博士后科学基金第52批二类面上资助1项以及省博士后特别资助1项。项目培养一名博士后（项目负责人）和两名硕士研究生，资助课题组成员参加国际国内学术会议共11人次，口头报告4次。