Page 44 - 《爆炸与冲击》2026年第3期
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第 46 卷             文    肯，等： 杆状弹丸头形对其超高速撞击薄板的影响分析                               第 7 期

                   多层屏蔽结构（如        Whipple 结构）被广泛应用于空间碎片超高速碰撞防护领域                       [1-3] ，其核心机理是利
                                                                                    [4]
               用前板与弹丸的超高速碰撞使弹丸发生破碎和相变，分散能量以保护后续结构 。
                   由于较好的对称性，球状弹丸和杆状弹丸（长/短圆柱、圆盘）正撞击薄板的问题被研究得最多。也
               有部分学者通过实验和理论分析，揭示了球形弹丸撞击下冲击波的传播规律、碎片云形成机制以及靶板
               损伤特性    [5-9] 。Grady  等  [8]  提出了球形弹丸撞击压力演化的两阶段模型，而              Wen  等  [9-10]  构建了椭球面波系
               传播模型（geometric propagation model，GPM）。影响球状弹丸撞击薄板效果的主要因素有弹丸直径与薄
               板厚度之比（厚径比）、撞击速度、撞击角度及弹靶材料等。
                                            [5]
                   而对于柱状弹丸，Piekutowski 的实验表明，圆盘弹丸撞击下碎片云的内部有一柱状结构，由弹丸和
               薄板材料共同构成；而长圆柱弹丸撞击下碎片云内部有较明显的弹体残余。近年来，Miller 等                                      [11-13]  开展
               了不同长径比柱形弹丸撞击实验，发现圆柱形撞击下碎片云分布受圆柱长径比和撞击姿态的影响大：对
               于正撞击，碎片云类似于双圆台结构；对于非正撞击，碎片云为非对称分布。关于锥形、方形等其他形状
               弹丸的超高速撞击问题，现有研究               [14]  多分析其弹道极限特性。由于在穿甲与侵彻领域的应用，长杆弹丸
               超高速/高速撞击半无限/厚靶问题得到了广泛关注                     [15-16] 。马文来等 [17] 、徐坤博等  [18]  采用数值模拟方法对
               弹丸形状对超高速撞击的影响进行了分析。弹丸形状，特别是头形，对薄板超高速撞击有影响，但如何
               描述其影响及影响机理仍需进一步研究。
                   本文采用     SPH（smoothed particle method）方法，选取平头、锥头、半球头等典型杆状弹丸，开展超高
               速撞击数值仿真，对比不同头形弹丸的破碎及碎片云特性，结合撞击冲击波的产生过程建模，分析头形
               对弹体破碎的影响机理，解释文献               [17-18] 中锥形弹丸的仿真结果。


                1    仿真设置

                1.1    仿真方法及参数校验
                   超  高  速  撞  击  产  生  碎  片  云  的  过  程  涉  及  材  料  的  剧  烈  破  碎  ， 通  常  采  用  S P H  方  法  进  行  仿  真  。  利  用
               AUTODYN   软件中的     SPH  方法对撞击试验开展         2D  轴对称数值仿真。弹丸材料为              2A12  铝，薄板材料为
               Al-6061  铝，均采用   Shock  状态方程、Johnson-Cook    强度模型和     Grady Spall Model 失效模型来表征，相关
               的  材  料  参  数  见  表  1， 其  中  ， c 为  初  始  声  速  ， S 和 1  S 分  别  为  Shock  状  态  方  程  一  阶  、 二  阶  系  数  ， dG/dp、
                                        1
                                                            2
               dG/dT  和  dY/dp  为材料常数，G  为剪切模量，Y       为屈服应力，p      为压力，T    为温度。SPH     计算中，一阶、二阶
               人工黏性均取      2.5。SPH  粒子大小为      0.01 mm。


                                              表 1    2A12  铝和 Al-6061  铝的材料参数
                                       Table 1    Material parameters for 2A12 Al and Al-6 061 Al
                 材料     密度/(g·cm )    参考温度/K     比热/(J·kg ∙K ) Grüneisen 系数 c 1  /(m·s )  S 1  S 2  剪切模量/GPa
                                                                            −1
                               −3
                                                          −1
                                                       −1
                2A12铝      2.784         300         850         2      5 370      1.29      0      28.6
               Al-6061铝    2.703         300         885        1.97    5 240      1.4       0      27.6
                 材料   初始屈服强度/MPa 最大屈服应力/MPa        硬化系数       硬化指数      dG/dp  (dG/dT) /(MPa·K )  dY/dp  熔化温度/K
                                                                                         −1
                2A12铝      325           760         310       0.185    1.865     −17.62    0.017   1 220
               Al-6061铝    290           680         125        0.1      1.8      −17.00   0.018 91  1 220

                   在中国空气动力研究与发展中心开展超高速撞击试验，以验证数值仿真方法和参数。对照试验共

               有  3  次，弹丸材料为    2A12  铝，质量约为     0.75 g，形状为球形和长、短圆柱：铝球的直径                D=8.00 mm；铝长圆
               柱的长度    L=9.16 mm，底面直径     D=6.11 mm；铝短圆柱的长度         L=2.78 mm，底面直径     D=11.18 mm。薄板材
               料为  Al-6061  铝，厚度为   1.00 mm。撞击速度约为        3.30 km/s。试验参数详见表         2。需要说明，试验的设计
               工况均是攻角为       0°的正撞击，但实际试验中弹丸发生了轻微偏转，表                      2  记录了弹丸的实际攻角。



                                                         071403-2
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