长杆弹超高速（1.5~3km/s）侵彻混凝土结构机理及工程防护研究

With developments of the space-based kinetic energy weapons as well as the ever deeper and harder of defense engineering constructed underground, the investigations of terminal ballistic of hypervelocity EPWs (Earth Penetrating Weapons) penetrating into concrete structures have become a hot topic for both weapon designers and defense engineers. Considering the background of civil and military concrete structures subjected to the space-based kinetic energy weapons, this project aims to carry out the scaled penetration tests based on the two-stage light-gas gun, the numerical simulation based on FE-RKPM algorithm and the self-defined concrete material model with considerations of high-pressure and high strain-rate effects and the theoretical analysis based on the modified hydrodynamic theory. The high-efficiency and high-precision numerical simulation, the eroding and fracture of projectile, the failure and flow of concrete material as well as the influences of parameters of projectiles and concrete targets will be systematically studied for the hypervelocity penetration (the attacking velocity ranges from 1.5km/s to 3km/s) into concrete structures. Then the damage mechanism of the hypervelocity EPWs penetrating into concrete structures will be revealed. The expected achievements can fulfill and complete the domestic investigations on the hypervelocity penetration area, which have both theoretical and military application meanings for the development of hypervelocity EPWs and the security defense of important military and civil constructions.

随着天基动能武器的逐步发展以及防护工程的日益深地下化，超高速钻地弹侵彻混凝土结构终点效应的研究成为武器研发和工程防护领域共同关注的热点问题。本项目以军用和民用混凝土结构应对天基动能武器打击为研究背景，拟基于二级轻气炮开展缩比正弹道冲击实验，基于自定义高压高应变率混凝土材料模型和有限元耦合再生核质点算法的数值模拟以及修正的流体动力学理论分析相结合的研究手段，对长杆弹超高速（1.5~3km/s）侵彻混凝土靶体的高效高精度数值模拟，弹体侵蚀破坏、靶体材料破碎流动规律以及弹靶参数影响进行深入研究，揭示长杆弹超高速侵彻混凝土结构的毁伤破坏机理。预期成果对于完善混凝土类脆性材料超高速侵彻理论体系，我国超高速战斗部的研发以及军、民用重要工程的安全防护提供理论支撑，具有重要的研究价值和军事战略意义。

我国军用战略工程和民用关键基础设施面临新型钻地武器超高速打击的严峻威胁，聚焦重要工程抗超高速钻地武器防护建设的迫切需求，本项目开展了长杆弹超高速侵彻混凝土靶体的材料本构模型、高精度数值计算方法和缩比正弹道侵彻实验研究，明确了超高速侵彻下混凝土的损伤破坏机制，主要研究内容和科学意义如下：.（1）建立了混凝土类材料新的动态拉伸、剪切和体积压缩损伤模型；发现了现有高应变率计算模型无法描述混凝土类材料固有粘性等内在缺陷，通过引入松弛因子提出了新的等效应变率计算模型；提出了细观力学模型+数值平板撞击实验确定孔隙材料高压状态方程的方法；上述模型和方法植入到前期研发的Kong-Fang混凝土材料本构模型中，实现了对超高速侵彻下混凝土材料高压、高应变率及损伤破坏的准确描述，为长杆弹超高速侵彻混凝土类靶体的计算分析奠定了坚实的理论基础。.（2）阐明了广泛使用的损伤破坏局部化计算方法不适用于侵彻数值计算的机理，提出了基于损伤的非局部化计算方法，实现了对混凝土结构损伤破坏的高精度预测，进一步提出了超高速侵彻的Kong-Fang模型+SPH的数值计算方法，为超高速侵彻下混凝土类靶体损伤破坏的预测提供了可靠的计算手段。.（3）揭示了超高速侵彻下混凝土靶体的开坑破坏、隧道破坏、前端裂缝、径向裂缝以及震塌破坏机理，为阻抗模型的构建提供了可靠依据；阐明了超高速侵彻引发强地冲击效应的机制，发现弹体参数（长径比、密度）对地冲击效应影响不大，而靶体性质尤其是孔隙率对地冲击传播影响显著。.（4）开展了缩比长杆弹超高速侵彻混凝土靶体实验，并与已有实验数据进行了对比分析，验证了提出模型和方法的可靠性。.本项目提出的Kong-Fang混凝土材料本构模型和损伤破坏的高精度数值计算方法具有自主知识产权，为抗超高速钻地武器的防护结构设计计算以及新型钻地武器的毁伤效应评估提供了重要的科学依据和可靠的手段。