Page 142 - 《爆炸与冲击》2026年第3期
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第 46 卷 吴 昊，等： 超高速武器战斗部侵彻效能分析与混凝土遮弹层设计 第 3 期
的，抗压强度超过 100 MPa，具有较 NSC 更加优异的拉伸强度和断裂韧性。CRC 是新型的高抗力防护材
料，通过在 UHPC 基体中随机投放抗压强度约为 2 GPa 的大粒径刚玉块石（主要成分为 Al O ）制备而成，
3
2
试验 [26, 29] 表明，CRC 靶体能够促使高速侵彻弹体发生变形、偏转甚至断裂，从而有效减弱弹体的侵彻
效能。
NSC
Rock rubble
Steel fiber
(a) NSC [21] (b) UHPC [22] (c) Rock rubble concrete [30]
图 2 3 种典型混凝土遮弹层
Fig. 2 Three typical concrete shields
1.2 数值算法和材料模型
针对超高速侵彻，常用的数值算法包括有限元法（finite element method, FEM）、SPH、有限元-光滑粒
子流体动力学（finite element-smoothed particle hydrodynamics, FE-SPH）方法和光滑粒子伽辽金（smoothed
particle Galerkin, SPG）方法等。位国旭等 [31] 从弹体剩余速度、靶板穿孔直径和破片生成及分布等方面，
对比分析了上述方法的计算精度和效率，结合 FEM 和单元删除准则并设置合理的阈值，能够较为准确
地预测高速侵彻试验中弹体的终点参数，且具有显著的计算效率优势。侵彻深度是防护工程设计的主
要依据，综合考虑计算精度和效率，本文选取 FEM 对 AGM-183A 超高速武器战斗部侵彻 3 种典型遮弹
层进行数值模拟分析。
原型工况主要涉及的材料包括金属弹体、混凝土靶体和刚玉块石。超高速侵彻过程中，弹靶材料均
处于高压、高应变率和大变形等复杂状态。Johnson-Cook（JC）模型 [32-33] 的强度和失效方程能够描述金属
材料在不同应变率和温度条件下的力学行为，可较为准确地表征弹体在超高速侵彻过程中的变形和断
裂特征。Holmquist-Johnson-Cook（HJC）模型 [34] 的屈服面方程、状态方程和损伤演化方程综合考虑了应
变率效应、材料损伤效应、围压效应和压碎压实效应的影响，能够较为准确地预测混凝土靶体的弹体侵
彻深度 [35-36] 。Johnson-Holmquist-Ceramic（JH-2）模型 [37] 考虑了应变率、静水压力和连续损伤劣化的影响，
可以较好地反映陶瓷等脆性材料在高应变率和大变形状态下的力学行为，适用于描述刚玉块石材料在
超高速侵彻下的动力行为 [38-39] 。因此，本文数值模拟中的弹体、混凝土靶体和刚玉块石分别采用 JC、
HJC 和 JH-2 模型进行表征。
2 有限元仿真分析方法及试验验证
由于目前缺乏公开的大口径弹体超高速侵彻 3 种靶体的试验数据，本节基于小直径钢/钨合金弹体
（3.5～25.3 mm）宽速度域（510～3 080 m/s）侵彻 3 种靶体材料的试验 [4-5, 13, 25-26] ，通过对比弹体侵彻深度、
残余长度和靶体内应力时程，对有限元仿真数值算法、网格尺寸和材料模型参数取值的适用性和可靠性
进行充分验证。
2.1 弹体超高速侵彻 NSC 靶体试验
2.1.1 宽速度域弹体侵彻深度和残余长度
[4]
[5]
Kong 等 和 Zhang 等 共开展了 22 发弹体 510～2 891 m/s 宽速度域侵彻 NSC 靶体试验。弹体材料
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