Page 132 - 《爆炸与冲击》2025年第5期

第 45 卷 钱秉文，等： 超高速撞击条件下混凝土靶体内 应力波的测量和分析 第 5 期

超高速撞击条件下应力波的产生传播规律，是深入认识超高速撞击过程和揭示撞击机理的关键，也
是工程应用的重要依据。国外公开报道的相关研究集中在陨石撞击成坑领域，重点关注球形弹体超高
速撞击条件下岩土类靶内的应力波。Shirai 等 [1] 进行了冰制弹丸对冰靶的超高速撞击实验，记录了撞击
线路上各点的应力波变化，分析了冰靶内应力波的指数式衰减特性。Nakazawa 等 [2] 进行了玄武岩材料
的冲击压缩测试，分析了玄武岩中应力波的衰减模式和传播速率，研究了冲击波的衰减原理。近几年，
国内的超高速撞击领域逐渐发展，王明洋等 [3] 开展了卵形头钢弹超高速撞击岩石靶的实验，测量并分析
[4]
了岩石靶中应力波的特性和衰减规律，提出了一种超高速撞击与爆炸的等效计算方法。牛雯霞等 进行
了圆柱形铝弹超高速侵彻混凝土靶的实验，获得了靶内不同位置处应力波随时间变化的曲线。总体来
说，在柱形弹/长杆弹撞击条件下岩土类靶中应力波产生的实验数据比较匮乏，其传播规律和机理有待进
一步研究。
聚偏二氟乙烯（polyvinylidene difluoride，PVDF）薄膜是一种半静态高聚物。1969 年，Kawai [5] 发现，
经过拉伸和高压处理后的 PVDF 表现出显著的压电特性，迅速吸引了国内外学者们的兴趣。1986 年，
Bauer 提出了一种循环极化技术，用以生产性能可靠的 PVDF 压电薄膜，从而推动了 PVDF 压电传感器
[6]
的发展和工程应用。目前，PVDF 压电应力计主要应用于动态测试领域。Graham 等 [7] 的研究表明，应力
低于 20 GPa 时，PVDF 压电应力计的测试精度较高，其最高测试压力为 35 GPa，但会存在轻微失真。席
道瑛等 [8] 在国内首次使用 SHPB（split Hopkinson pressure bar）标定了 PVDF 压电应力计的动态应变常数，
研究了砂岩中应力波的衰减规律。李焰等 [9] 系统研究了国产 PVDF 压电薄膜，自制了 PVDF 压电应力
计，并深入探讨了动态测量技术。巫绪涛等 [10] 分析了应力集中、横向泊松效应和摩擦效应对 PVDF
动态压电系数的影响，并将改进后的 PVDF 压电应力计运用于混凝土的冲击压缩实验。黄家蓉等 [11] 测
量了超高速撞击条件下混凝土中的应力特征，分析了撞击产生的电磁脉冲对测试信号的干扰情况。在
其他领域，PVDF 也有较广泛的应用，如：李孝兰 [12] 开展了岩土介质内爆炸测试技术的研究，张景森等 [13]
利用 PVDF 压电应力计开展了水中冲击波压力的测试与分析。才源等 [14] 采用球形铝合金弹丸对充气球
形压力容器进行了超高速冲击实验，利用 PVDF 压电传感器捕捉了容器壁上应力波产生的应力信号，揭
示了弹丸撞击速度不同时容器壁表面应力的变化趋势，以及表面应力与撞击速度和传播距离之间的关
系。谢呈瑞 [15] 利用 PVDF 圆形薄膜传感器建立的轻量级传感器阵列构建了空间碎片超高速撞击航天器
舱壁的模拟实验系统及撞击点定位测试系统，发现采用遗传算法优化传感器阵列参数，有效地提高了定
位精度。刘震 [16] 设计了嵌入式 PVDF 薄膜柔性感知防护结构，开展了不同撞击模式下单张 PVDF 薄膜
的超高速撞击实验，验证了 PVDF 薄膜能够感知超高速撞击模式。
为探究超高速撞击条件下混凝土靶内的应力波特性，首先对 PVDF 压电应力计进行动态标定，搭建
应力波测试系统，利用 PVDF 压电应力计测量克级柱形 93W 钨合金弹体超高速撞击条件下混凝土靶体
内的应力波形，采用数值模拟的方法分析应力波的产生和传播机制，以期为超高速撞击的机理研究提供
理论依据。

1 实验研究

1.1 实验设计

实验的设置如图 1 所示。实验中，弹体被 57/10 两级轻气炮发射至靶室内部。首先，在激光测速区
采用激光遮断法 [17] 对弹体的速度进行测定，该方法的测量误差不超过 1%；随后，在强制脱壳器的作用
下，弹体与弹托分离；最终，弹体高速撞击混凝土靶标。混凝土靶内埋设了 PVDF 压电应力计，其与电荷
放大器、示波器等构成了靶体内的应力波测试系统，以测量靶体内不同位置处的应力波。采用一台分幅
相机捕捉弹体的飞行和撞击过程，相机的拍摄频率设定为 150 000 s ，快门开启时间为 145 ns。采用脉冲
−1
式氙气灯作为闪光光源进行照明，并利用激光信号实现应力波测试系统、分幅相机和闪光光源之间的同
步操作。

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