陶瓷-活性粉末混凝土复合靶抗侵彻试验研究

为研究陶瓷材料应用到工程防护领域的抗侵彻性能。设计了3块陶瓷-活性粉末混凝土复合靶,利用直径125 mm的特制弹体对陶瓷-活性混凝土复合靶体进行DOP(Depth of Penetration)侵彻试验,得到了弹体的飞行姿态、着靶速度、破坏形态和靶体的侵彻深度、弹坑范围、破坏形态等试验参数,定性分析了陶瓷靶厚度和纤维层约束作用对复合靶体抗侵彻性能的影响;结果表明:陶瓷靶具有优良的抗侵彻性能,在低速(360～400 m/s)情况下对弹体能产生一定侵蚀作用;随着陶瓷靶厚度的增加,陶瓷靶的破坏形态由冲切贯穿型转变为变形凸起型破坏,耗能能力增加,复合靶体的整体抗侵彻能力增强;采用修正的别列赞公式对陶瓷靶的侵彻系数进行了初步分析,并计算了三种厚度陶瓷靶的质量防护系数和差分防护系数。结果表明,试验所用陶瓷靶的抗侵彻能力约为普通C40混凝土的4.9倍,从而为陶瓷材料在重要防护工程的推广使用提供参考。     

超高性能混凝土抗缩比钻地弹侵彻试验及数值仿真

超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）是一种具有超高强度、超高韧性和超高抗力的新型建筑材料,系统研究UHPC抗缩比钻地弹侵彻机理,对提高军事防护工程的抗弹体侵彻能力和保障防护工程中人员的生命安全具有重要意义。该文利用弹道滑膛炮对C40普通混凝土和C180 UHPC靶体进行500 m/s和850 m/s的弹体侵彻试验,并采用LS-DYNA软件对侵彻过程进行仿真分析。结果表明:与普通混凝土相比较,超高性能混凝土具备优越的抗侵彻能力,能显著地减小弹体对靶体的损伤,有效减小侵彻深度和限制弹坑深度与弹坑直径;数值模拟过程中确定了超高性能混凝土在动态冲击作用下HJC模型的多个关键参数,模拟侵彻结果与真实试验数据十分接近,表明参数的选取与确定科学合理,为分析UHPC抗弹体侵彻机理提供了详实的数据。     

卵形弹中低速侵彻UR50超早强混凝土靶机理

为研究早强混凝土的抗侵彻性能和养护龄期的关系,利用35 mm弹道炮和35CrMnSiA制缩比卵形弹对两种养护期下产品名为UR50的超早强混凝土进行了侵彻试验,根据试验数据对两种龄期的超早强混凝土的侵彻响应特性进行对比分析。之后为进一步研究弹体侵彻超早强混凝土的响应机理,引入刚性弹侵彻半无限靶的响应模型进行理论研究,并利用别列赞公式分析了超早强混凝土中特种钢纤维对抗侵彻性能的提升。试验结果表明：弹体中低速侵彻超早强混凝土靶的过程可分为冲击开坑和稳定侵彻两个阶段;超早强混凝土养护7 d就可以达到养护28 d时的抗侵彻性能。利用刚性弹侵彻半无限靶的响应模型对养护7 d和28 d的超早强混凝土的量纲为一的侵彻深度预测值与试验侵彻深度进行对比,发现其最大相对误差分别为29.13%和17.50%,通过对响应模型中两种龄期超早强混凝土的计算无侧限抗压强度进行修正,使其侵彻深度计算值符合实际结果。     

蜂窝钢管约束混凝土靶抗多发打击试验研究

混凝土广泛应用于防护结构,对混凝土施加约束可以有效改善其脆性,从而提高其抗弹性能。钢管约束混凝土抗侵彻性能优良,在防护结构中具有广阔的应用前景。为了研究蜂窝钢管约束混凝土的抗侵彻性能,推进钢管约束混凝土的工程应用,进行了蜂窝钢管约束混凝土靶(STCC)和半无限靶抗12.7 mm穿甲弹多发打击对比试验,得到了靶体损伤模式,测量了漏斗坑的体积与深度等损伤参数,计算了蜂窝钢管约束混凝土靶等效侵彻阻力,分析了先发打击对后发打击的影响。结果表明:蜂窝钢管可将弹丸侵彻产生的混凝土损伤限制在被打击单元内,其核心混凝土的损伤模式为"漏斗坑+侵彻隧道+侧面裂纹";与半无限混凝土靶相比,蜂窝钢管约束混凝土靶抗4发打击的侵彻深度(DOP)可减小约18%,抗6发打击的漏斗坑体积与深度分别可减小约78%和55%,其抗多发打击性能明显优于半无限混凝土靶。     

基于FEM-SPH耦合法的弹丸侵彻钢纤维混凝土数值模拟

针对有限元法(FEM)处理超大变形问题时所存在的困难,基于有限元与光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics:SPH)的耦合方法模拟了弹丸对钢纤维混凝土的侵彻破坏过程。其中弹丸作为刚体处理并划分成Lagrange标准有限元网格,而靶体中心部分划分成光滑粒子并经历大应变、高应变率和高压作用。为了描述钢纤维混凝土的非线性变形及断裂特性,在计算中引入了Holmquist-Johnson-Cook累积损伤材料模型。数值模拟结果形象再现了弹丸冲击作用下靶体材料破碎、飞溅成坑的物理过程,尤其靶表面碎片飞散的模拟情况与高速摄影照片符合较好,并且侵彻深度计算结果与实验数据具有较好的一致性,FEM-SPH耦合方法显示出了模拟侵彻问题的有效性。研究表明钢纤维能明显增强混凝土基体的抗侵彻性能,且随纤维含量的提高增强效果更佳。     

尖头弹侵彻延性金属靶板弹道极限的解析模型

现有的尖头弹侵彻金属靶板的弹道极限计算模型往往需要大量的试验数据和靶板材料的动态性能参数,且没有考虑侵彻速度对侵彻效果的影响,这给工程应用带来了很大的不便和误差。基于这一问题,考虑速度效应和靶板材料参数对侵彻的影响,结合流体动力学原理与动态空穴膨胀理论,分别提出了双模式和单模式侵彻模型。双模式侵彻模型的侵彻过程可分为两个阶段：流体动力变形阶段和塑性变形阶段,当侵彻速度小于靶材产生流体动力变形的临界速度时,侵彻进入塑性变形阶段,根据功能原理,建立了计算弹道极限的解析模型;单模式侵彻模型仅考虑塑性变形阶段。解析模型计算的弹道极限与弹道试验结果吻合的较好,且模型中不涉及弹道试验数据和靶板材料的动态性能参数,易于迅速求解,便于工程应用,可用于对延性金属靶板抗尖头弹侵彻能力的评估。     

刚玉块石混凝土抗弹丸侵彻效应试验研究

块石混凝土由于取材方便、工艺简单等特点,作为遮弹材料一直为人们所关注。但块石自身强度有限,对于大威力的现代弹种,遮弹效果受到了一定限制,以致实际工程中块石混凝土遮弹层厚度太大,施工不便,影响了块石混凝土遮弹层的应用。刚玉块石具有强度高、硬度大等独特的力学性能,利用它代替块石混凝土中的普通块石,研制成一种由刚玉块石和混凝土共同浇注组成的抗侵彻复合材料。为了研究这种新型材料的防护性能,对混凝土和刚玉块石混凝土进行了实弹射击对比试验。制作了刚玉块石混凝土靶体6块,混凝土靶体3块,使用坦克炮发射φ125模拟弹。结果表明,刚玉块石混凝土具有优良的抗侵彻性能,它能够使弹体破坏、变形或跳弹。提高侵彻速度,刚玉块石混凝土靶体破坏情况变化不明显,表明刚玉块石混凝土对抵抗更高速度的弹丸侵彻有效。与相同强度等级混凝土相比,刚玉块石混凝土靶体侵彻深度减小很多。整块刚玉块石完全能够阻止弹丸的侵入。研究成果可为刚玉块石混凝土遮弹层的工程应用和深入理论分析提供依据。     

弹体攻角侵彻混凝土靶的工程计算模型

为了研究倾角、攻角等参数的变化对侵彻过程的影响,基于表面层裂机理和刚体运动学方程,建立了用于分析弹体斜侵彻混凝土靶的工程计算模型。利用该计算模型得到弹体侵彻过程中的受力和过载的变化情况,获得侵彻弹道随倾角、攻角等参数变化的规律:负攻角对斜侵彻的弹道偏转具有一定的抑制作用,正攻角对斜侵彻的弹道偏转具有放大作用。计算结果与试验数据吻合较好,表明该计算模型能准确地预估弹体斜侵彻混凝土的动力学过程。该方法可以为弹体对混凝土靶的斜侵彻弹道分析,尤其开坑、初始偏转预估提供一种实用手段。     

弹体冲击混凝土半无限靶的侵彻阻力与深度计算

假设弹体是刚性的,将弹体侵彻冲击作用下的混凝土靶体划分为粉碎区、径向裂缝弹性区与原始弹性区,并认为侵彻粉碎区域内的混凝土材料处于类似于流体动力学状态,可采用水动力模型.根据伯努利方程推得了细长杆弹侵彻阻抗力的公式,进而求出锥形弹头侵彻阻抗力的等效平面解,得到了弹体的侵彻深度.利用实弹进行了以不同速度侵彻不同强度的混凝土靶体的验证计算,并与多个经验公式做了对比.结果表明,该模型是合理的,与经验公式相比计算结果趋于保守.     

弹体侵彻刚玉块石混凝土的理论分析模型

根据弹体侵彻刚玉块石混凝土后破坏、变形特征,在Taylor理论的基础上,建立了变形弹体侵彻刚玉块石混凝土靶体的理论分析模型.通过Rang-Kutta法数值解,得到了弹丸侵彻刚玉块石混凝土靶体过程中弹体尾部的位移时程、速度时程和侵彻深度计算公式,计算结果与试验数据吻合良好.     

钢纤维混凝土抗侵彻材料研究进展

对近年来钢纤维增强混凝土材料的国内外研究进行了综述。总结了钢纤维混凝土的抗侵彻理论和试验研究的研究成果,包括增强理论、新材料的研制、抗侵彻经验公式和数值模拟计算方法的成果。在此基础上,对钢纤维混凝土抗侵彻材料技术的发展趋势进行了分析。     

钢纤维混凝土抗侵彻材料研究进展

对近年来钢纤维增强混凝土材料的国内外研究进行了综述。总结了钢纤维混凝土的抗侵彻理论和试验研究的研究成果,包括增强理论、新材料的研制、抗侵彻经验公式和数值模拟计算方法的成果。在此基础上,对钢纤维混凝土抗侵彻材料技术的发展趋势进行了分析。     

Residual flexural behavior of fiber reinforced concrete after heating

In this study, the effects of fire on the flexural performance and residual strength of plain and fiber reinforced concrete are investigated. Three types of concrete are tested: plain, polypropylene (PFRC) and steel fiber reinforced concrete (SFRC). Prior to the flexural test, the specimens were exposed to fire for 15, 30, 45, and 60 min on a furnace. The burnt specimens were then tested under flexural load to measure their toughness and residual strength. Results indicate the reduction of flexural strength for both plain and FRC after being subjected to fire. For FRC, the effect of fire on the flexural response depends mainly on the fiber type and fire exposure duration. For PFRC, the flexural strength is found to drop significantly for every exposure duration, while toughness is found to increase at short exposure duration and then, drop quickly after long exposure duration due to the fiber evaporation effect. For SFRC, the flexural strength and toughness are found to drop gradually for every exposure duration due to the deterioration of cement paste and reduction in bond strength. SFRC exhibits a more consistent ability to maintain load carrying capacity after long exposure to fire than PFRC.     

Application of high performance polypropylene fibers in concrete lining of water tunnels

In this study, the application of high performance polypropylene fibers (HPP fibers) in concrete lining of water tunnels, was investigated experimentally. A comparison between the behavior of steel fiber reinforced concrete and HPP fiber reinforced concrete with ordinary concrete is drawn. Advantages and shortcomings of HPP fibers used for concrete lining of water tunnels are also presented.The obtained results showed that the HPP fibers were not effective in compressive strength when compared to steel fibers, but the effects of HPP fibers on tensile strength, flexural strength, toughness and energy absorption of concrete were significant. Based on the results, the effects of HPP fibers on concrete characteristics such as the flexural toughness, concrete permeability and resistance to chloride penetration were higher than those of steel fibers. The results also showed that with application of HPP fibers, durability and serviceability of the concrete linings can be improved.     

离心成型预应力钢纤维混凝土电杆设计试验研究

对研制的呼称高27m离心成型预应力钢纤维混凝土电杆进行了受力性能试验研究。结果表明,在断线工况荷载作用下,电杆的受力表现出良好的整体性,各项性能均满足设计要求;杆身采用预应力和钢纤维双重增强作用,使电杆的抗裂能力提高,变形减小;一旦发生超载运行出现裂缝,裂缝细短且非贯通,卸载后变形回复能力强,残余变形很小;在极限承载时,整杆变形明显,具有良好的延性破坏预兆。同时,预应力钢纤维混凝土电杆在预应力筋放张和杆段对焊组装过程中,避免了普通预应力混凝土电杆在预应力筋挂板和杆段连接钢圈附近混凝土起皮爆裂现象。根据试验结果对比分析,建立了预应力钢纤维混凝土电杆抗裂度、裂缝宽度、挠度和正截面承载力设计计算方法。研究成果为河南省漯河~淮阳220kV线路工程建设提供了重要科研依据,为钢纤维混凝土在预应力电杆中的应用提供了重要参考。     

纳米SiO2对钢纤维/混凝土高温后力学性能及微观结构的影响

研究了掺纳米SiO₂的钢纤维混凝土(NSFC)、 钢纤维混凝土(SFRC)和普通混凝土(NC)三种材料在不同加热温度后的抗压、 劈裂和抗折强度等力学性能, 对不同温度热处理后的微观结构进行了SEM分析, 对钢纤维与过渡区界面的相结构进行了XRD分析。结果表明: 在测试温度范围内, NSFC的抗压、 劈裂和抗折强度均高于SFRC和NC的强度, 且在400 ℃时达到最大值。在常温下, NSFC的抗压、 劈裂和抗折强度较NC分别提高27.01%、 63.28%和54.12%, 400 ℃高温热处理后比NC分别高35.09%、 84.62%和87.23%; SEM分析表明, 在钢纤维与过渡区的界面处, 致密度提高, 显微硬度提高。由于固相反应, 使界面区结构发生变化, 在钢纤维表层形成扩散渗透层(白亮层), 即化合物层, 呈锯齿状, XRD分析证明, 白亮层主要由FeSi₂和复杂的水化硅酸钙组成, 从而增强了钢纤维与基体的粘结力, 提高了混凝土的高温力学性能。     

Preliminary study on bullet resistance of double-layer concrete panel made of rubberized and steel fiber reinforced concrete

In this study, the impact resistance of double-layer concrete panels made of rubberized and steel fiber reinforced concrete subjected to direct fire weapon (11 mm or 0.45 magnum bullet size) is investigated. Concrete panels with dimensions of 400 × 400 × 50 mm are subjected to impact forces from 11 mm-diameter bullets at a distance of 10 m. Three types of concrete panels are tested: single-layer steel fiber reinforced concrete (SFRC), single-layer crumb rubber concrete (CRC), and double-layer CRC/SFRC. For a double-layer CRC/SFRC, the CRC layer of 12.5 mm is added to the front surface by partially replacing part of the SFRC panel. The CRC layer is expected to act as a cushion layer to absorb impact energy from the bullet and to reduce damage to the concrete panel.     

钢纤维混凝土在低周反复荷载下力学性能的研究

对钢纤维混凝土棱柱体试件做了低周轴心压缩循环加、卸载试验,试验采用恒位移控制,通过试验和参数研究,提出了钢纤维混凝土反复加、卸载应力~应变曲线方程及计算变形的公式,这些数学表达式简便且可根据材料特性进行调整,具有较广泛的适应性。     

三维编织复合材料弹道侵彻准细观层次有限元计算

三维编织复合材料相比于层合复合材料有较高的层间剪切强度和断裂韧性,因而具有更高的冲击损伤容限。用钢芯弹对三维编织复合材料作弹道贯穿测试,得到弹体的入射速度和剩余速度,并考察侵彻破坏模式。目前对三维编织复合材料弹道侵彻性能计算主要建立在连续介质假设上,从真实细观结构计算三维编织复合材料弹道冲击性能尚有一定难度,用三维结构复合材料的纤维倾斜模型在准细观结构层次上分解三维编织复合材料,就其中的一块倾斜单向板作弹道侵彻有限元计算,由弹体动能损失得到贯穿整个复合材料靶体后弹体的剩余速度。有限元计算及与弹道测试结果的比较证明在准细观层次上计算三维编织复合材料弹道冲击性能的有效性。      

Fatigue behaviour of steel fiber reinforced concrete

The results of an experimental investigation on the fatigue characteristics and residual strength of steel fiber reinforced concrete (SFRC) are reported. The testing program included flexural specimens as well as split-cylinders and cubes reinforced with two fiber types at a low volume content. One of the fibers was of the deformed slit-sheet type available at aspect ratios of 45 and 60. It is shown that SFRC has a better fatigue response than plain concrete and that the deformed slit-sheet fiber has an effect almost identical to hooked-end fiber of similar dimensions. There is no increase in residual strength measured by split-tension when specimens are subjected to fatigue stress above the endurance limit. Fatigue characteristics of SFRC from this testing program as well as previous works can be interpreted as a function of the fiber factor (i.e. a parameter accounting for volume fraction, aspect ratio and fiber type) to provide design charts. More experimental work is needed to provide an acceptable database for fatigue design of SFRC.