侵彻弹体快速烤燃安全特性实验研究

为了考核大尺寸侵彻弹体的快速烤燃安全特性,利用自行研制的快速烤燃装置开展了实验。将质量为290 kg的侵彻弹体平吊在距航空燃油液面0.4 m的高度进行快速加热,实时采集弹体表面温度并拍摄实验过程,同时测量距弹体质心水平7 m处的反射冲击波超压,最后从加热时间、弹体表面温度、实验后现场破坏情况、反射冲击波超压峰值、反应机理及响应类型等方面对大尺寸侵彻弹体的快速烤燃安全特性进行了详细分析。实验结果表明：侵彻弹体在537 ℃高温中加热16 min 4 s后开始发生剧烈反应,且弹体内腔下方炸药最先响应形成热点,逐渐积聚的高温高压气体将壳体撕裂后快速泄压,在7 m处测量得到的反射冲击波超压峰值为33.622 kPa,远小于该弹体在空气中完全爆轰产生的冲击波超压峰值。综合判断该侵彻弹体的快速烤燃响应类型为爆燃,其安全特性满足要求。

     

椭圆截面弹体斜侵彻金属靶体弹道研究

为研究椭圆截面弹体对半无限金属靶体的侵彻弹道规律,基于14.5 mm弹道枪平台,开展了椭圆截面弹体在0°～20°倾角、850～950 m/s撞击速度下对2A12铝合金的斜侵彻试验。基于空腔膨胀理论及局部相互作用模型,建立了椭圆截面弹体侵彻弹道模型,并结合试验数据验证了模型的准确性。在此基础上,进一步分析了椭圆截面弹体长短轴之比、绕弹轴旋转角度、弹体撞击速度对侵彻弹道的影响规律。弹体长短轴之比为1.0时,弹体退化为尖卵形圆截面弹体,且椭圆截面弹体侵彻弹道稳定性随长短轴之比的增大而变弱,最优长短轴之比为1.0,即尖卵形圆截面弹体。椭圆截面弹体绕弹轴旋转一定角度后,侵彻弹道在平面曲线与空间曲线之间变化,当旋转角度为0°、90°时,侵彻弹道为二维平面弹道,当旋转角度在0°～90°之间时,侵彻弹道为三维空间弹道。当弹体撞击速度由800 m/s提升至1000 m/s时,椭圆截面弹体姿态角增量由18.6°降至17.8°。     

椭圆截面战斗部爆轰驱动壳体的断裂及毁伤特性

为研究椭圆截面战斗部爆轰驱动下壳体破片的形成机制和毁伤特性,设计了5种装药质量和壳体质量比相同而短长轴比不同的战斗部,开展了静爆威力试验,获得了椭圆截面战斗部破片径向速度分布规律,并结合细观观测方法分析了爆轰驱动下壳体断裂过程及破片损伤特性,通过测量破片对Q235钢板的侵彻开坑参数,量化了椭圆截面战斗部破片的侵彻毁伤能力。研究结果表明：椭圆截面战斗部破片速度由短轴至长轴方向呈对数趋势增长,相较于圆形截面战斗部存在明显的速度增益,短长轴比为0.40时,增益达到83%;靠近长轴处,由于壳体受到滑移爆轰为主导的驱动作用,壳体内部环向拉应力导致破片内表面出现拉伸裂纹,随着短长轴比增大,破片表面裂纹逐渐消失,而在战斗部短轴处,散心爆轰占据主导地位,壳体主要受到径向压应力作用,并未出现裂纹损伤;受端面稀疏波影响,战斗部轴向最大毁伤威力出现在距离非起爆端1/4处,而在战斗部径向方向,短长轴比为0.40时,短轴毁伤威力达到长轴的1.83倍,且该差异随着短长轴比增大逐渐减小。

     

椭圆截面侵彻弹体结构优化设计与结构响应

针对异型截面侵彻弹体的工程应用需求,围绕椭圆截面侵彻弹体结构响应及优化设计问题开展研究。引入无量纲壁厚系数,改进了椭圆截面弹体参数化表达式;以提高短轴惯性矩和静矩、降低短轴方向结构响应为目标,开展了椭圆截面弹体抗弯优化设计。基于152 mm口径轻气炮开展了椭圆截面弹体反弹道侵彻试验研究,获得了软回收试验弹体的弯曲挠度结果;开展了试验工况的数值模拟研究,提取了数值模拟中弹体的变形结果;建立了椭圆截面侵彻弹体弯曲结构响应计算模型,利用此模型对试验弹体变形情况进行了计算。与原椭圆截面弹体相比,优化后截面短轴惯性矩、静矩提高比例约为16%,试验弹体弯曲挠度降低比例约为25.3%,数值模拟及理论模型计算结果与试验结果较为相符,验证了本文优化设计方法的有效性,可为工程设计提供参考。     

椭圆截面截锥弹体的高速穿甲特性及阻力模型

随着高超声速武器系统的发展,具有更大空间利用率的异型截面弹体开始受到广泛关注,异型弹体的高速穿甲特性及毁伤机理是当前亟需解决的关键问题。基于典型反舰战斗部的截锥形头部结构及椭圆截面弹体外形,通过数值仿真方法研究了椭圆截面截锥弹体高速正贯穿金属薄板的阻力特性及薄板损伤机理,将弹体载荷分为剪切冲塞和延性扩孔阻力两部分,结合数值仿真结果提出了适用于椭圆截面平头弹、尖卵形弹的高速穿甲阻力函数及剩余速度解析模型,采用微分面力法和刚体动力学相结合的方法构建了椭圆弹正穿甲模型,并通过数值仿真结果验证了理论模型的有效性。结果表明：椭圆截面截锥弹体正贯穿金属薄板的过程分为载荷作用的头部侵入阶段和无载荷作用的弹身贯穿阶段,头部侵入阶段弹体对薄板的破坏模式分解为截锥平台造成的剪切冲塞和头部弧面的延性扩孔;高速冲击条件下椭圆截面尖卵形弹/平头弹对薄板的损伤与低速冲击时不同,尖卵形弹体贯穿薄板时发生延性扩孔破坏,薄板受平头弹高速冲击时出现剪切冲塞-延性扩孔相耦合的破坏模式;椭圆截面弹体正穿甲过程中所受阻力与截面积相等的圆截面弹体相同,区别在于椭圆截面弹体非对称结构外形导致载荷非均匀分布。

     

在椭圆横截面弹体正侵彻下有限厚铝靶的破坏模式及响应特性

基于30 mm口径弹道炮平台,开展了3种不同椭圆横截面弹体在200~600 m/s撞击速度范围内正侵彻2A12铝靶的实验,获得了2A12铝靶的破坏形貌及弹体的剩余速度。在此基础上,建立了相应的数值模型,结合实验结果验证了所建模型的有效性,并系统分析了弹体横截面长短轴长度比对靶体的破坏情况及响应特性的影响。研究结果表明：弹体最大横截面面积是影响弹体剩余速度的主要因素,而弹体横截面长短轴长度比对弹体剩余速度的影响较弱;在圆形横截面弹体侵彻下靶体背部形成的花瓣大小和形状一致,空间分布均匀,而在椭圆横截面弹体侵彻下,随着弹体横截面长短轴长度比的增大,靶体背部形成的花瓣数量增加、尺寸变小,且在短轴方向的花瓣数量和靶体表面隆起高度均大于长轴方向的;靶体在圆形横截面弹体侵彻下的径向位移、径向应力和切向应力与其在椭圆横截面弹体侵彻下的显著不同,前者沿周向方向各点的变化规律基本一致,靶体处于简单的压缩状态,切向应力为零,而后者各点的应力状态与弹体横截面长短轴长度比和周向角密切相关,靶体受到压缩和剪切应力的耦合作用。

     

弹体斜侵彻双层钢板的结构响应和失效研究

为探究弹体斜侵彻多层钢板的结构响应及失效规律,开展了圆形、椭圆和非对称椭圆三种截面弹体对双层钢板的斜侵彻试验,获得了不同弹体的弹道特性和结构失效情况。在此基础上,采用有限元软件对弹体斜侵彻过程的弹道特性、动态载荷以及结构响应进行了数值分析。基于空间自由梁理论和弹体动态载荷,给出了侵彻过程中弹体轴力和弯矩的分布规律,建立了弹体结构强度与失效分析方法。结果表明,弹体以正着角水平侵彻多层钢板时,存在一个临界攻角;当攻角小于临界值时,侵彻过程中会出现弹体低头、弹道向下偏转的现象;当攻角大于临界值时,则出现弹体抬头、弹道向上偏转的现象;该临界攻角随着靶板厚度的减小而增大。对于强度高、韧性低的弹体,失效模式为脆性断裂,断裂位置距头部0.72～0.81倍弹长,弹身后部所受横向冲击载荷是造成弹体断裂的主要原因。建立的弹体结构响应模型可准确预测弹体断裂失效及发生位置。此外,在三种截面弹体中,非对称椭圆弹体的断裂位置更接近头部。     

椭圆截面弹体侵彻性能的影响因素分析

为研究截面形状和头部曲径比对椭圆截面弹体侵彻性能的影响,开展了圆锥和椭圆锥压头的静态压痕试验,获得了不同截面压头缓慢贯入材料时的力-位移曲线。随后,基于30 mm弹道炮平台,开展了3种不同椭圆截面弹体在400～800 m/s撞击速度范围内正侵彻2A12厚铝靶试验,获得了靶体的破坏形貌及弹体侵彻深度。基于空腔膨胀模型及阻力函数修正系数,建立了椭圆截面弹体侵彻金属厚靶侵彻动力学模型,结合试验结果验证了模型的有效性,并系统分析了弹体截面形状和头部曲径比对侵彻性能的影响。研究结果表明,与圆锥压头相比,具有相同截面面积的椭圆锥压头贯入材料时阻力更大,当压头的截面长短轴比从1.00增大至2.00时,贯入阻力增大10.1%。当弹体截面面积相当,且各横截面保持长短轴比不变时,椭圆截面弹体的长短轴比越大,其侵彻性能越差;椭圆截面弹体侵彻性能随着截面长短轴比的增大和头部曲径比的减小而降低。     

椭圆截面弹体侵彻砂浆靶规律分析

为研究椭圆截面弹体侵彻混凝土靶规律,基于动态球形空腔膨胀理论,建立椭圆截面弹体侵彻受力模型,计算典型椭圆截面弹体阻力规律和侵彻砂浆靶深度。在此基础上,采用弹道炮发射平台,开展相同质量和长度的2种典型椭圆截面弹体及圆截面弹体垂直侵彻半无限砂浆靶实验。结果表明:理论模型能够反映椭圆截面弹体受力情况,并与实验研究结果吻合较好;椭圆截面弹体长短轴参数的改变对侵彻性能影响较为显著。     

80%钨纤维增强锆(Zr)基块体金属玻璃复合材料长杆弹侵彻钢靶实验研究

本文在765~1766m/s速度范围内,对钨纤维体积分数为80%的增强锆(Zr)基块体金属玻璃复合材料长杆弹进行侵彻Q235钢靶的穿甲试验,对残余弹体进行宏、细观观测,研究弹体材料的失效破坏模式。穿甲试验表明,在大于1000m/s速度侵彻时,钨纤维非晶弹拥有头形自锐能力,表现出优秀的侵彻能力。弹材变形和破坏主要发生于弹体头部边缘层,呈局域化和尖锐化特点,而且边缘层厚度在整个高速穿甲过程中保持动态平衡。由于非晶基体作用,弹体材料易发生剪切断裂等破坏,通过流动形成质量侵蚀并导致弹体头部边缘层形成自锐。     

一种组合药型罩聚能装药战斗部对含水复合结构毁伤的数值模拟及试验研究

为了研究组合药型罩聚能装药战斗部对含水复合结构的毁伤机理,基于LS-DYNA软件的任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)流固耦合算法,对水下组合药型罩聚能装药战斗部侵彻体的形成以及穿靶过程开展研究,采用数值模拟等比例模型对水下组合药型罩聚能装药战斗部对靶板毁伤进行试验验证。研究结果表明,在偏心亚半球缺罩罩顶设计偏心亚半球形罩能够在侵彻体前端形成细长的杆式射流,可以增加整个侵彻体长度和头部侵彻体速度。在穿水和靶板过程中,利用头部杆式射流形成空腔帮助后续侵彻体低阻随进。对靶板毁伤过程的分析发现,与战斗部直接连接的第1层靶板将会受到侵彻体的高速冲击作用和爆炸波沿水介质传播过来的强冲击波联合作用,而随着水层厚度的增加,沿水中传播的爆炸冲击波强度会被迅速衰减,爆炸冲击波对后续靶板的作用变得不明显,主要为侵彻体的冲击作用。最后利用设计的组合药型罩结构开展了试验验证,对比分析了每层靶板的穿孔尺寸,试验结果与数值计算结果符合较好,最大误差小于15%。

     

基于地震波触发的战斗部动爆冲击波试验研究

提出了一种基于地震波触发的战斗部爆炸冲击波超压测试方法,该测试方法能可靠获取战斗部动爆冲击波超压峰值。采用提出的测试方法对着靶速度为0、535和980 m/s的战斗部空中爆炸冲击波分别进行了测试,并对战斗部动爆冲击波超压峰值测试结果和经验公式计算值进行了对比,定量分析了战斗部速度对冲击波压力场分布的影响。最后,在实测数据的基础上采用薄板样条插值方法重建了战斗部动爆冲击波超压三维可视化模型,为实战复杂环境下基于实测数据研究动爆冲击波特性提供了依据。     

爆炸驱动典型活性材料能量释放特性研究

为了研究活性材料爆炸驱动反应特性,基于粉末压制成型工艺,制备了Al/PTFE、Al/Ni两种典型的活性材料及Al₂O₃/PTFE、Al₂O₃/PTFE/W惰性材料。通过爆炸驱动试验,并结合高速摄影、远红外热像仪以及峰值超压测试技术,分析了不同活性材料壳体装药爆炸火球、温度场分布及空气冲击波峰值超压等特性。同时,在炸药爆炸空气冲击波峰值超压经验计算模型中考虑了活性材料释放的化学能,分析了反应释放能量对空气冲击波的影响规律。结果表明：活性材料在爆炸驱动过程中经历了强加载条件下反应、产生碎片并向四周飞散、撞击钢板及后续反应等阶段。活性材料对炸药爆炸产生的空气冲击波具有强化作用,爆炸加载瞬间材料仅发生了部分化学反应。

     

液体推进剂爆炸理论与实验研究

建立了自燃液体火箭推进剂爆炸热辐射效应和冲击波特性理论模型，介绍了实验研究的方法，给出了Ｎ２Ｏ４／ＵＤＭＨ液体推进剂爆炸产生的火球直径、火球温度、火球辐射热流、爆炸冲击波超压值等参数计算与实验观测结果，结果表明计算结果与实验观测结果吻合。由Ｎ２Ｏ４／ＵＤＭＨ液体火箭推进剂爆炸产生的火球最大直径Ｄｍａｘ和火球持续时间ｔ０是推进剂总重量Ｗ０的函数，根据实验数据整理的函数关系式:利用该理论模型预测了大型Ｎ２Ｏ４／ＵＤＭＨ组元液体推进剂运载火箭发生爆炸事故产生的上述参数，以及热辐射和冲击波不发生破坏和危害的安全距离。该计算模型可为载人航天器逃逸系统及航天靶场设计提供理论数据。     

大尺寸密闭容器内天然气的爆炸超压场

以天然气体积分数在爆炸下限附近的天然气-空气混合物爆炸超压状态场为着眼点,在大尺寸容器中轴向和径向位置布置压力传感器,实时记录天然气体积分数不同的天然气-空气混合物爆炸后的超压发展过程。经过数据处理发现,在天然气爆炸下限附近,存在3种压力波形式且存在前导冲击波和二次发展形成的燃烧波共存的状态。不同天然气体积分数条件下爆炸压力沿容器轴向和径向发展过程存在明显差异,天然气爆炸径向超压变化不明显,轴向超压的发展趋势更适用于天然气爆炸发展过程的描述。     

城市地下浅埋管沟可燃气体爆炸的灾害效应 (Ⅰ):冲击波在地面的传播

城市地下浅埋管沟燃气爆炸事故会造成严重的灾害后果,然而目前针对长直空间内的爆炸荷载通过泄爆口向外传播规律的研究较少。以此类事故为基础,基于前期进行的长直泄爆空间可燃气体爆炸试验,利用FLACS软件,对城市地下浅埋管沟内可燃气体爆炸冲击波超压通过泄爆口到达地面后的分布进行了数值模拟,揭示了管沟内燃气爆炸冲击波在地面的传播规律。结果表明:传播到地面的爆炸冲击波会产生2个特征超压峰值Δp₁和Δp₂;Δp₁较小,主要由压缩波引起,Δp₂为最大超压峰值,主要由火焰波引起;Δp₂随着与泄爆口之间的距离d的增大而逐渐减小,且各方向上数值的差异性较大,其中在沿管沟截面的短边方向上,呈对称衰减的趋势;Δp₂与d大致满足指数函数关系,且拟合度均高于98.8%。     

聚能射流对固体火箭发动机的冲击起爆

为研究聚能金属射流对固体火箭发动机的冲击响应,开展了聚能装药空射实验及某尺寸发动机在无防护情况下的射流冲击实验,使用高速摄影仪记录了爆炸响应过程,并测量了不同距离及方向的空气超压和破片速度。利用AUTODYN有限元计算软件对实验过程进行了数值模拟,通过调整流固耦合的网格大小,避免了耦合泄漏。实验结果表明,火箭发动机受到射流冲击后,会发生剧烈爆炸,推进剂完全反应,破片速度达4 700 m/s以上,距离发动机爆炸中心1 m处的空气超压达到19.78 MPa,爆炸中心温度达到3 000 ℃以上,该推进剂爆炸能量略高于常规炸药。模拟结果显示,射流以头部速度7 000 m/s的速度冲击发动机壳体后,射流头部的尖端被严重烧蚀,且速度降至约5 600 m/s;推进剂在受到射流侵彻1～2 mm后,发生剧烈反应;爆炸冲击波以球形沿圆柱孔装药传播,并通过圆柱形中心孔冲击另一侧推进剂,发生装药的二次冲击起爆,同时伴有回爆现象,在推进剂中心的高斯点出现了3次超压波峰;距离发动机中心1 m处3个高斯点的平均空气压力峰值为18.75 MPa,与实验结果吻合较好。     

舱内爆炸角隅汇聚反射冲击波超压特性研究

为研究密闭舱室内爆角隅汇聚反射冲击波超压特性,利用缩比模型进行了某典型舱室内爆试验,得到远离角隅、两面角隅和三面角隅处的冲击波载荷,结合数值模拟研究了3种特征位置处冲击波传播规律及载荷特征。研究结果表明:远离角隅处壁面反射冲击波超压曲线呈现单峰结构,反射冲击波以球面波传播;距两面角隅一定范围内冲击波超压曲线呈现双峰结构,两面角隅冲击波超压曲线呈现单峰结构,角隅汇聚反射冲击波以椭球状传播;距三面角隅一定范围内冲击波超压曲线呈现多峰结构,三面角隅冲击波超压曲线呈现单峰结构,角隅汇聚反射冲击波以球面波传播;在合理假设条件下,根据量纲分析及数值模拟结果,得到首次冲击时角隅汇聚反射冲击波载荷经验计算公式。     

复合装药空气中爆炸冲击波传播特性

为了研究复合装药超压爆轰时的径向能量输出特性,选择典型的TNT、JO-8、海萨尔等理想、非理想高能炸药,进行了单一装药、内外层复合装药冲击波超压测试实验。采用自由场压电传感器测量了距爆心2、3、4 m处的冲击波压力,通过Origin软件对实验数据进行去除“零漂”和积分处理,获得了冲击波超压、冲量随距离的变化规律,分析了装药结构、装药类型对实验结果的影响。研究结果表明:与同体积单一装药相比,内外层复合装药对提高径向冲击波超压无优势,但对径向冲击波冲量增益显著,且冲量随传播距离的增加而增大;装药类型对内外层复合装药径向冲击波冲量增益影响较大,非理想/理想复合装药在4 m处的冲量增益大于20%,比理想/理想复合装药更有利于提高战斗部的径向输出威力。