Page 140 - 《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

续时间接近。假设点 D 的应力峰值由点 B 处的
弹靶界面应力传播衰减而来，衰减距离等于撞击
1 2 3 5 6 7 8 9 1011121314151617181920
面到传感器的距离减去点 B 对应的侵彻深度，该
侵彻深度可近似取为流体动力学的极限值 [19] 。
参照文献 [22]，对钨合金长杆弹超高速撞击
金属靶的实验进行数值模拟，数值模型和传感器
图 19 钨合金长杆弹超高速撞击金属靶的
位置如图 19 所示。钨合金长杆弹超高速撞击
数值模型和传感器布置
下，近似的稳态侵彻阶段的持续时间更长，以便
Fig. 19 Numerical simulation model and sensor arrangement for
更准确地分析平台段与传感器测得的应力上升 the tungsten alloy projectile penetrating into the metal target

阶段之间的关联。图 20 为模拟得到的弹靶界面 100 4
应力和传感器测量的应力。可以看出，弹靶界面 Stress at projectile target interface
Stress measured
80
应力的平台段出现在 2～32 μs，32 μs 之后，界面 by sensor 3
应力快速下降，平台段的持续时间约为 30 μs。 60 D
σ/GPa 40 σ 0 /GPa
靶体中传感器 14（距靶体表面 100 mm）测量的波 2
形如图 19 中的红色虚线所示，峰值时刻距离起 A 1
20
跳点的时刻为 30 μs，与平台段的持续时间基本
相同，与上一段的结论一致。 0 B 0
C
综上所述，在瞬态高压段，弹靶高速碰撞会 0 20 40 60 80
产生极高的冲击应力，但持续时间极短，应力波 t/μs
衰减很快，本研究不考虑该阶段对应力波的影 图 20 模拟得到的弹靶界面应力和传感器
响。在近似的稳态侵彻阶段，弹靶界面应力基本 位置处的应力（钨合金长杆弹）
保持不变，弹体一边侵蚀一边开坑，弹靶界面向 Fig. 20 Simulated stresses at the projectile target interface and
at the sensor position (tungsten alloy long-rod projectile)
靶内快速运动。靶体中埋设的传感器测得的第
1 个应力波峰是由近似稳态侵彻阶段中的弹靶界面应力传播衰减产生的，衰减距离等于近似稳态侵彻阶
段的结束位置到传感器的距离，为应力波的产生衰减规律提供了理论依据。

4 结 论

为探究超高速撞击条件下混凝土靶内的应力波特性，建立了基于 PVDF 压电应力计的应力波测试
系统，测量了克级柱形 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，并利用数值模拟方
法对应力波的产生和传播机制进行了分析，得到以下结论。
(1) PVDF 压电应力计的动态灵敏度系数为 (17.5±0.5) pC/N。
(2) 利用 PVDF 压电应力计测得的超高速撞击条件下混凝土靶内的应力波形，信噪比较高，能清晰
地判读波形的起跳点、上升沿、峰值、下降沿。
(3) 模拟的应力波形与实验结果基本一致，模拟和实验得到的应力波峰值的最大误差不超过 20%。
(4) 靶体中埋设的传感器测得的第 1 个应力波峰是由近似稳态侵彻阶段中的弹靶界面应力传播衰减
产生的，为应力波的产生衰减规律提供了理论依据。

参考文献：
[1] SHIRAI K, KATO M, MITANI N K, et al. Laboratory impact experiments and numerical simulations on shock pressure
attenuation in water ice [J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2008, 113(E11): E11002. DOI: 10.1029/2008JE003121.
[2] NAKAZAWA S, WATANABE S, IIJIMA Y, et al. Experimental investigation of shock wave attenuation in basalt [J]. Icarus,
2002, 156(2): 539–550. DOI: 10.1006/icar.2001.6729.

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