固体发射药等离子体点火过程及弹道效应分析

总结了常规火炮点火的现状,分析了固体药电热化学炮（ＳＰＥＴＣ）点火的潜在优势,并对等离子体点火过程中存在的燃速增强机理进行了讨论。作为等离子体点火的弹道效应分析,利用电热增强固体药内弹道、等离子体发生器、脉冲功率源三者的耦合编码,计算了不同点火功率、不同毛细管径对ＳＰＥＴＣ炮弹道性能的影响。     

光面爆破相邻炮孔存在起爆时差的炮孔间距计算

根据光面爆破炮孔爆炸载荷的时间衰减和相邻炮孔的非同时起爆,对光面爆破的炮孔间距计算进行研究,提出新的光面爆破参数设计方法,并得出炮孔爆炸载荷衰减速度、相邻炮孔起爆时差对炮孔间距的影响。分析认为,就实现较大的光面爆破炮孔间距而言,提高炮孔堵塞质量较提高雷管起爆时间精度更有意义。     

等离子体发生器放电参数对推进剂燃烧特性的影响

揭示了电热化学炮所用的等离子体发生器初始放电参数对推进剂燃烧特性的影响规律。实验主要在密闭药室里进行 ,研究了等离子体发生器中毛细管初始几何尺寸以及输入电能发生变化时 ,推进剂的燃烧行为发生的变化规律。研究结果表明 ,推进剂的燃烧行为对等离子体发生器初始放电参数有较强的依赖性。     

起爆时差对孔间裂缝贯穿影响的动光弹研究

文章用动光弹试验方法研究了相邻两个炮孔被同时起爆和采用不同的起爆时差起爆时炮孔之间应力波的传播及其应力波对裂纹扩展的影响,并重点研究了炮孔之间裂纹的产生、扩展及贯穿过程和机理。研究结果表明:在先起爆的炮孔爆炸产生的动态应力场存在时起爆另一个炮孔,即起爆时差N基本满足t/c(?)Nt/c(?),是在后起爆的炮孔孔壁上产生主导控制裂纹的最有利条件;在先起爆的炮孔旁钻导向孔,并采用合适的起爆时差可以获得炮孔间的最佳贯穿。     

钻孔爆破中炮孔堵塞效果及堵塞长度的研究

基于炮孔爆破的特点,利用爆破理论和应力波理论,分析了炮孔堵塞物的作用机理、受力情况及在炮孔中的运动过程,推导出了炮孔堵塞长度的计算公式,并在此基础上对炮孔堵塞及堵塞对爆破效果的影响进行了实验,实验结果表明了钻孔爆破中炮孔堵塞的重要性和必要性．研究结论可为爆破参数设计提供理论依据．     

一种非火药驱动气体炮内弹道模型及发射诸元协调

介绍一种新型非火药驱动的气体炮,它有五个气室控制气体炮的整个发射过程。给出了该气体炮的结构原理和内弹道数学模型,并通过计算机模拟,分析了这种气体炮的发射参数的协调和优化关系,指出了影响弹丸最大加速度的主要因素。     

基于双向聚能拉张爆破理论的巷道顶板定向预裂

为在切顶卸压沿空留巷中获得巷道顶板预裂炮孔的最优间距,基于双向聚能拉张爆破技术,采用以LS-DYNA动力分析软件为基础的数值模拟和现场试验对巷道顶板定向预裂进行研究,优化炮孔间距。数值模拟结果表明,当炮孔间距为400 mm时,应力波叠加后产生有效的拉应力;当炮孔间距为500 mm时,应力波叠加后也能够产生有效的拉应力,该拉应力大于孔壁围岩的抗拉强度,能够使孔壁围岩沿聚能方向形成裂缝,且利于炮孔间裂纹的扩展;随着炮孔间距进一步的增大,当炮孔间距为600 mm爆破时,由于间距过大,应力波无法有效叠加,不能产生连续裂缝。现场试验表明,间距为400和500 mm的炮孔间隔爆破时,未爆破孔自炮孔孔底至孔口产生连续有效裂缝,裂缝长度达2.4 m,相邻炮孔间沿炮孔中心线均能够形成连续有效的切缝面,能够有效控制沿空巷道顶底板位移及沿空巷道顶板压力。综合分析,在3种不同炮孔间距的试验方案中,确定间隔爆破、500 mm的炮孔间距为同一地质条件下3种试验设计中的最优方案。     

预裂爆破中炮孔压力变化历程的理论分析

分析预裂爆破过程中，对于炮孔堵塞物的轴向一维运动；炮孔空腔的动力膨胀运动；炮孔周边裂纹的动态扩展与爆生气体的渗入；以及炮孔堵塞物可能从孔口冲出后出现的敞孔孔口喷流等诸因素，结合炮孔内爆生气体的状态方程，从理论上来确定预裂爆破过程中炮孔压力随时间的变化历程，并提出理论计算得到的炮孔压力在工程应用中的修正方法。计算与修正全过程编成程序由电算完成。分析与计算表明，从理论上确定炮孔压力变化历程的方法是可行的。     

Φ100/30mm口径二级轻气炮研制

Φ100/30mm口径二级轻气炮主要用于EFP(Explosively Formed Projectile爆炸成形弹丸)、PELE(Penetrator with Enhanced Lateral Efficiency横向效应增强型侵彻弹)、分段杆条等杀伤元件对各类目标毁伤机理及高应变率材料动态性能等领域的高速、超高速撞击实验研究。该气炮以Φ100mm单级压缩气炮作为首级驱动,加装可拆卸的Φ30mm发射管,实现了一、二级气炮的功能。本文主要介绍了该气炮的高压锥段、发射管、膜片及活塞等关键零部件的结构设计、调试及实验研究情况。目前该炮作为一级气炮已将20kg弹丸驱动到349m/s,1kg弹丸驱动到1157m/s;作为二级气炮已将100g弹丸驱动到3005m/s,400g弹丸驱动到1520m/s。     

高压气体驱动二级轻气炮发射过程的数值模拟方法及应用

二级轻气炮是一种常见的超高速发射装置,多年来其数值研究大多采用简化一维模型,鲜有三维有限元模型。以14 mm口径高压气体驱动二级轻气炮为研究对象,采用耦合欧拉-拉格朗日（coupled Eulerian-Lagrangian, CEL）算法,根据膜片破裂与否,将二级轻气炮模型解耦为2个分级三维数值模型。为确定实验难以测得的参数（材料摩擦因数和膜片破膜压力）,设计正交试验,拟合确定活塞与泵管间摩擦因数为0.82,弹丸与发射管摩擦因数为0.30和膜片破膜压力为11.73 MPa。正交结果表明,摩擦因数对计算结果影响较大,在高压气体驱动二级轻气炮的计算中不应忽略。通过上述方法建立数字化高压气体驱动二级轻气炮,完整复现气炮发射过程,计算的弹丸终速与实验结果吻合度高。选取验证工况详细分析了气炮发射过程内流场变化,并呈现关键时刻的压力云图。该气炮简化方法、分级思想和关键参数确认方法可推广应用于固体发射药驱动、爆轰驱动等其他驱动形式的二级/多级轻气炮。     

组合脉冲压裂加载过程耦合模拟及火药配比影响敏感性分析

基于组合脉冲压裂物理过程,以三种燃速火药柱串联、中心管同步点燃方式,结合火药爆燃加载、压挡液柱运动、射孔孔眼泄流、裂缝起裂、高压气体裂缝内流动及裂缝扩展等子模型,组建多级爆燃压裂耦合模拟模型。并据此分析不同配比火药组合爆燃压裂时,井底压力变化及裂缝延伸情况。结果表明:不同燃速火药串联组合可实现一级火药快速爆燃,瞬间达到多方向射孔孔眼起裂压力,二、三级火药持续长时间燃烧维持高压以充分延伸裂缝的目的;在确定一级快速火药和总火药用量后,井底爆燃压力加载速率和各方向破裂压力均随第三级燃速火药质量比重的增加而呈现降低趋势,但变化不明显;而不同方向裂缝最终延伸长度对二、三级燃速火药的配比具有较强敏感性;在以多方向裂缝安全起裂为目标、设定一级燃速火药后,合理配比三种火药比单一配比高-中速、高-低速火药,可更有效地延长爆燃压裂过程的井底有效持压时间,从而可大幅扩展火药用量上限,提高爆燃压裂裂缝延伸规模。     

白桦材断裂韧度的各向异性性质

木材可视为正交各向异性材料，表征木材抵抗裂纹扩展能力的断裂韧度硒。是木材的基本力学性质之一，它具有明显的各向异性．对白桦材试样断裂韧度硒。测试结果表明，LT试样的断裂韧度明显高于TL，TR试样的断裂韧度，TL和TR试样的断裂韧度相接近．无论哪种试样类型，起裂均发生在裂纹尖端．TL，TR试样裂纹扩展方向与原裂纹初始方向一致，LT试样与前两不同，裂纹沿着几乎平行于纤维的方向扩展．并且含水率对各个方向木材断裂韧度的影响趋势是一致的．     

聚氯乙烯复合断裂性能研究

从弹塑性断裂力学理论出发,进行了硬质聚氯乙烯材料多角度下的Ⅰ/Ⅱ复合断裂试验,研究硬质聚氯乙烯材料复合断裂性能.利用数字图像相关技术,计算复合裂纹稳定扩展的临界裂纹尖端张开角值(ΨC1),尝试用该值作为一种断裂参数来描述硬质聚氯乙烯材料的断裂韧性.结果表明:(1)此材料与常见的金属材料不同,Ⅱ型加载模式下承载能力最大,纯Ⅰ型时承载能力最小;(2)当裂纹稳定扩展时,ΨC1值趋于稳定.故临界裂纹尖端张开角可作为硬质聚氯乙烯材料裂纹稳定扩展的断裂韧性.     

Influence of domain switching zones on the fracture toughness of ferroelectrics

The paper presents a fracture model for ferroelectric materials taking into account the hysteretic domain switching processes near to the tip of a macroscopic crack. The model is based on the balance of energy supplied by the driving forces, on the one hand, and the total of energies either dissipated by domain switching, stored in the crack wake region or consumed by the formation of new fracture surface, on the other hand. An internal variable theory describes the nonlinear coupled electromechanical material response within the framework of a three-dimensional continuum model. For simplicity, the complex orientation distribution function of domains in a polycrystalline ceramic is approximated by only six representative space orientations. The theory predicts certain dimensionless material parameter combinations which govern the change of fracture toughness under the application of different mechanical and electrical loadings. A comparison with data available in the literature for barium titanate ceramics yields a reasonable coincidence.     

基于离散单元法的发射装药挤压破碎模拟实验

为了揭示发射装药破碎引起的膛炸现象,急需进行相应装药结构下发射装药挤压破碎数值模拟研究。以硝胺花边十九孔发射药为研究对象,基于离散单元法建立了发射装药挤压破碎模拟系统,同时进行了发射装药动态挤压破碎实验,通过数值模拟与实验获得了不同冲击载荷下的破碎发射装药和挤压应力;分别对获得的破碎发射装药进行了密闭爆发器数值模拟和实验。结果表明:模拟与实验获得的发射装药挤压应力时间历程、密闭爆发器压力时间曲线和起始动态活度比的一致性较好,实验验证了发射装药挤压破碎模拟系统的有效性及合理性。该模拟系统具有重大工程应用价值,为高能发射装药冲击破碎过程和发射装药发射安全性研究奠定了基础。     

Determination of gun propellants erosivity: Experimental and theoretical studies

Requirements for higher and higher performances of contemporary guns intensify investigations concerning influence of various factors on barrel erosion. The most important parameter for the life of the gun is the type of the gun propellant. The device based on modification of 37 mm M39 gun for investigating influence of gun propellant on barrel erosion is used. The nozzle (main part of device) mass loss during firing was the measure of gun propellant erosivity. The theory of nozzle erosion includes basic thermal, chemical and metallurgical factors. The main thermal and chemical factors are maximum nozzle inside surface temperature and gun propellant composition. The maximum nozzle surface temperature was determined theoretically by developed interior ballistic model with heat transfer, and experimentally by micro thermocouples measurements and solution of inverse heat conduction problem. The coefficients of gun propellants erosivity are determined in experimental and theoretical way.     

Effects of static electric field on the fracture behavior of piezoelectric ceramics

The paper gives an overview on experimental observations of the failure behavior of electrically insulating and conducting cracks in piezoelectric ceramics. The experiments include the indentation fracture test, the bending test on smooth samples, and the fracture test on pre-notched (or pre-cracked) compact tension samples. For electrically insulating cracks, the experimental results show a complicated fracture behavior under electrical and mechanical loading. Fracture data are much scattered when a static electric field is applied. A statistically based fracture criterion is required. For electrically conducting cracks, the experimental results demonstrate that static electric fields can fracture poled and depoled lead zirconate titanate ceramics and that the concepts of fracture mechanics can be used to measure the electrical fracture toughness. Furthermore, the electrical fracture toughness is much higher than the mechanical fracture toughness. The highly electrical fracture toughness arises from the greater energy dissipation around the conductive crack tip under purely electric loading, which is impossible under mechanical loading in the brittle ceramics. The project supported by an RGC grant from the Research Grant Council of the Hong Kong Special Administrative Region, China     

预制裂缝宽度对HCFBD试件确定岩石断裂韧度的影响

为了考察人工预制裂缝宽度对确定岩石断裂韧度的影响,采用大理岩制作了含有不同预制裂缝宽度的中心圆孔裂缝平台巴西圆盘试件(hole-cracked flattened Brazilian disc, HCFBD),在RMT150B试验机上进行试验,对不同预制裂缝宽度圆盘的应力强度因子进行有限元计算,并对测试方法进行了研究。结果表明,采用将预制裂缝宽度视作零宽度裂缝方法确定的断裂韧度值偏低,给出了一种采用最小载荷和最大无量纲应力强度因子确定岩石断裂韧度的新方法,该方法能够消除预制裂缝宽度对圆盘试件测定岩石断裂韧度的影响。     

Plastic Constants of Fracture

Based on the theory of an ideal rigid-plastic body, an approach is formulated for determining fracture constants on the basis of standard mechanical tests on uniaxial extension of plane and cylindrical samples. Instead of the experimentally determined characteristics of fracture of materials (dimensionless elongation and constriction of the sample during its fracture), two invariant tensor characteristics of the degree of sample deformation are introduced, which correspond to the moment of origination of a macrocrack and critical strain at the crack tip determining the process of crack propagation. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 47, No. 2, pp. 147–155, March–April, 2006.     

冲击载荷作用下黑砂岩动态断裂参数的分形修正

基于分形理论研究了偏折裂纹扩展路径对动载荷作用下黑砂岩的动态断裂力学参数的测试误差影响作用,采用传统的分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）实验装置对修正侧开单裂纹半孔板（improved single cleavage semi-circle specimen, ISCSC）试样进行动态冲击实验,随后采用裂纹扩展计进行裂纹起裂时间与裂纹扩展速度等动态断裂力学参数测试,采用分形理论对测试的裂纹扩展速度与动态应力强度因子进行修正,利用实验-数值法对黑砂岩的动态断裂韧度进行计算。研究结果表明,ISCSC构型构件能够有效应用于岩石材料动态裂纹扩展行为的研究,并发生了止裂现象,经分形修正的裂纹扩展速度与动态断裂韧度更接近实际裂纹动态扩展情况,修正前后得到黑砂岩材料的裂纹扩展速度误差为33.51%,动态断裂韧度最大误差为7.68%,说明利用分形理论对动态断裂韧度等动态断裂参数计算更合理。