Page 192 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 朱 擎，等： 细长薄壁弹冲击下高强钢-混凝土复合结构的厚度极限计算模型 第 7 期

(1) 高强钢-混凝土复合防护结构力学机制。
高强钢与混凝土材料相比，具有高波阻抗、高强度及高韧性等特性。其中，高波阻抗能够提升弹体
冲击界面的应力幅值，使弹体承受极端冲击过载，进而导致弹体结构产生大变形或失效，削弱其毁伤效
能；高强度体现为高强钢具备优异的应力承载能力，可承受冲击过程中的高应力环境，且材料进入塑性
变形阶段所需的应力阈值较高；高韧性则赋予高强钢在高应力冲击环境下的塑性变形能力，避免因脆性
破坏而快速丧失承载性能，能够持续吸收弹体动能和提供抗力。上述高波阻抗、高强度与高韧性三种特
性综合效应，构成了高强钢-钢筋混凝土复合防护结构卓越抗冲击性能的核心机制。此外，混凝土背板凭
借其良好的抗压性能与较大的结构尺寸，为高强钢钢板提供有效约束，抑制钢板在冲击荷载下因刚度不
足导致的弯曲、拉伸等结构变形行为，实现材料性能的优势互补。
(2) 高强钢-混凝土复合结构防护效率优越。
以本试验中弹体 350 m/s 正侵彻工况为例，基于别列赞公式 [1] 计算可得，C60 钢筋混凝土的侵彻深
度达 25.9 cm。考虑到工程安全需求，防护层厚度设计时预留 20% 的安全余量，据此确定 C60 钢筋混凝
土防护层的设计厚度为 31.2 cm。但在同等工况下，高强钢-混凝土复合结构仅需 12.1 cm 的整体厚度，较
传统钢筋混凝土防护层厚度缩减 61.2%，大幅节省了防护结构的建造空间。同时高强钢-混凝土复合结
构可使弹体在表面接触爆炸甚至失效，大幅降低了爆炸能量向结构内部的耦合效应，有效提升了结构的
防护效率。
(3) 高强钢-混凝土复合结构的设计思路。
基于高强钢-混凝土复合结构的抵抗模式和防护机理，该复合结构在应用过程中应重点关注两个方
面。其一，高强钢材料强度的选择。应对高强钢与冲击弹体之间的强度匹配关系进行分析，选取强度符
合要求的高强钢，确保弹体无法对其形成局部侵入。其二，结构厚度设计。基于厚度极限计算模型来设
计复合结构的厚度，以保证弹体冲击下复合结构不会发生剪切形式的穿甲。
(4) 模型中经验参数有待进一步研究。
分析模型中的部分参数具有经验性，例如临界冲切比 k 、混凝土背板厚度极限分析中的剪切角
s
α 等。从理论上很难获得这些参数的解析解，需要在后续针对性开展试验研究，通过试验数据进行经验
性分析拟合。
(5) 模型的误差分析。
本文的分析模型中的厚度极限分析是基于理想剪切冲塞破坏而建立的，但未考虑高强钢实际冲切
区域直径大于弹径这一情况，从而低估了高强钢的剪切冲塞面积。此外，模型也未考虑高强钢强度的应
变率增强效应以及弹体磨蚀造成的质量损失。以上原因导致厚度极限计算偏保守。在后续的研究中，
需要结合误差原因对模型进行修正。
(6) 计算模型的适用性讨论。
本文计算模型聚焦于装药侵彻弹在常规弹速（＜ 900 m/s） [31] 工况下的冲击问题，通过结合材料动态响
应特性与冲击动力学原理，实现对冲击过程的建模分析。然而对于长杆弹高速侵彻（1 500～3 000 m/s） [32] 、
爆炸成型弹丸（1 400～3 000 m/s）及聚能射流（最高可达 20 km/s 以上）等 [33] 超高速冲击场景，其力学行为
和相互作用机制从传统固体力学范畴，逐渐转变为以流体动力学特性主导的半流体侵彻和流体侵彻模
式。本文未考虑超高速状态下材料可压缩性、黏性流动及动态相变等关键因素，因此本文模型无法适用
于此类超高速冲击问题的分析与预测。

4 结 论

本文针对高强钢-混凝土复合结构抗细长薄壁弹体冲击的厚度极限问题，开展了弹体冲击试验，基
于防护机理和弹体结构强度分析，优化了原有计算模型，建立了考虑弹体破坏的厚度极限计算模型。主
要研究结论如下。

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