Page 92 - 《爆炸与冲击》2025年第5期

第 45 卷 吴 昊，等： 基于战斗部侵彻动爆一体化效应的遮弹层设计 第 5 期

depths of NSC and UHPC shields subjected to the penetration and moving charge explosion loadings are 1.33, 2.70, 2.35 m
and 0.79, 1.76, 1.70 m, respectively. The corresponding scabbing and perforation limits of shields were further given. The
results show that the destructive depths, scabbing limits and perforation limits calculated by the finite element analysis method
with considering integrated penetration and moving charge explosion are about 5%–30% higher than those calculated by the
traditional penetration and static charge explosion method.
Keywords: penetration and moving charge explosion; concrete shield; scabbing limit; perforation limit; protective design

通常在防护结构的重要部位设置普通混凝土（normal strength concrete，NSC）或超高性能混凝土
（ultra-high performance concrete，UHPC）遮弹层，以抵抗钻地武器战斗部的侵彻和爆炸作用，合理设计遮
弹层厚度可以有效地保障结构内部人员和装备的安全。钻地武器战斗部的打击过程为先侵彻后装药运
动爆炸（侵彻动爆）的连续过程，即弹体首先高速侵彻进入靶体内部，然后在预定时刻依靠弹载引信引爆
弹壳内装药。因此，遮弹层的可靠设计必须能够准确评估战斗部的侵彻动爆一体化效应。
目前，研究战斗部侵彻爆炸联合作用的方法主要有预制孔爆炸法、侵彻静爆法和侵彻动爆法。预制
孔爆炸法是在靶体中预制开孔以等效弹体的侵彻效应，然后开展装药埋置爆炸；侵彻静爆法是先由惰性
弹侵彻靶体，然后将裸药置于侵彻后靶体的隧洞底部进行爆炸；侵彻动爆法则是由弹体高速侵彻靶体，
并进行不同引爆时刻的带壳装药运动爆炸。Fan 等 [1] 和 Lai 等 [2] 分别开展了带预制孔的 NSC 和 UHPC
[3]
靶体装药爆炸试验和相应的数值模拟，分析了靶体的开坑行为和损伤破坏特征。程月华等 、Yang 等 [4]
和赖建中等 [5] 分别开展了 NSC 和 UHPC 靶体的侵彻静爆试验，考虑了侵彻和静爆联合作用对靶体损伤
[6]
[3]
破坏的影响。此外，程月华等 、Cheng 等 采用 LS-DYNA 软件中的完全重启动技术对弹体侵彻静爆试
验进行了数值模拟，即首先对侵彻过程进行模拟，在侵彻作用结束后删除弹壳，同时增加空气和装药，从
而在保留侵彻阶段靶体损伤破坏和应力状态的基础上进行爆炸分析。Yang 等 [4] 首先对弹体侵彻阶段的
最终深度及对应时刻进行试算，然后重新建立由弹壳、靶体、空气和装药组成的数值模拟模型，其中装
药埋置于试算的最大侵彻深度处，在起爆时刻将弹壳移除，同时引爆装药，从而完成侵彻静爆作用分析，
结果表明，侵彻阶段造成的靶体损伤不容忽略，预制孔爆炸法偏于危险。李述涛等 和 Wei 等 [8-9] 分别开
[7]
展了侵彻动爆的数值模拟，基于 LS-DYNA 软件中的体积填充技术，采用关键字*INITIAL_VOLUME_
FRACTION_GEOMETRY 将装药填充于弹壳内腔，通过流固耦合算法使装药与弹壳协同运动，并在预定
的时刻起爆，从而可以综合考虑侵彻爆炸应力场的叠加效应以及弹壳约束和断裂破片对靶体损伤破坏
的影响。
可以看出，已有针对遮弹层抗战斗部侵彻爆炸联合作用的计算与设计还存在以下不足：(1) 预制孔
爆炸法虽考虑了装药的初始埋置深度，即弹体的最终侵彻深度，但忽略了侵彻阶段靶体内部的裂缝扩展
及损伤；(2) 侵彻静爆法中，由于侵彻与裸药静爆试验间隔开展，忽略了侵彻爆炸应力场叠加效应及爆炸
阶段弹壳约束和断裂破片的影响；(3) 已有的侵彻动爆方法 [7-9] 耦合关系复杂，仅适用于小尺寸弹体毁伤
效应分析，且缺乏对装药运动爆炸波传播、靶体内应力峰值和开裂行为及其损伤演化等方面的充分验
证；(4) 已有研究工作集中于缩比弹体的侵彻爆炸效应分析 [7-15] ，对于原型战斗部打击下的侵彻动爆一体
化效应及相应的遮弹层设计工作还未见报道。
为了准确评估战斗部的侵彻动爆一体化效应，合理确定遮弹层的设计厚度，本文中，首先，基于 LS-
DYNA 软件的装药体积填充和侵彻爆炸分步耦合技术，提出三阶段弹体侵彻动爆一体化有限元分析方
法；然后，通过对比装药运动爆炸试验以及 NSC 和 UHPC 靶体侵彻静爆试验的结果，对提出方法的可靠
性进行充分验证；进一步，对比分析侵彻动爆一体化方法与传统侵彻静爆法的特点，讨论侵彻爆炸应力
场叠加效应、弹壳约束和断裂破片以及起爆时刻对靶体损伤破坏的影响；最后，基于验证的侵彻动爆一
体化有限元分析方法，对 NSC 和 UHPC 两种典型混凝土遮弹层在 SDB、WDU-43/B 和 BLU-109/B 等 3 种
原型战斗部打击下的破坏深度、相应的临界震塌厚度以及临界贯穿厚度进行计算分析，以期为遮弹层防
护设计提供参考。

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