冲击起爆弹丸内装药延迟起爆数值模拟

对穿爆燃弹的穿靶及释能过程进行数值模拟,解释了SPH-FEM耦合方法在模拟冲击起爆过程的优越性。通过对不同弹芯头部形状、直径及材料的对比分析,得到了不同工况下装药热点成长的压力-时间曲线,计算结果表明:在弹芯直径不变的情况下,弹芯头部直角尖刺越短,装药的热点成长时间越短;在头部尖刺长度不变的情况下,减小弹芯直径,热点生成时间也缩短;选用钢弹芯比钨合金弹芯有一定靶后释能优势。模拟穿靶效果与真实穿靶效果符合较好,这种方法可以为穿爆类弹丸设计提供依据。     

多破片对柱壳装药冲击起爆速度阈值的数值模拟研究

为了研究实战环境中多个钨球破片对导弹战斗部(柱壳装药)的冲击起爆问题,采用AUTODYN-3D数值模拟软件,基于单破片撞击柱壳装药模型,建立多破片撞击柱壳装药的模型,开展了不同钨球个数、空间碰撞位置间隔(撞击角θ、轴向球心距l)及时间间隔对冲击起爆特性影响的数值模拟,获得了带壳B炸药的起爆速度阈值。结果表明:相同条件下,随着钨球个数的增加、空间碰撞位置间隔的减小,起爆速度阈值逐渐减小,6个钨球同时撞击的起爆速度阈值约为单个作用下的50%;双钨球作用下,柱壳装药相较于平板装药更难以起爆;双钨球间隔撞击柱壳装药时,起爆速度阈值均随着撞击时间间隔的增大而先减小后增大,最小起爆速度阈值约为同时撞击时的95%,且|θ₂|<|θ₁|(θ₁为第1个钨球的撞击角,θ₂为第2个钨球的撞击角)时更容易起爆柱壳装药。     

环形多点起爆精度对聚能杆式侵彻体成型的影响

针对环形多点起爆网络在多模成型装药上的应用问题,利用LS-DYNA 程序,通过改变延迟时间 和延迟点数,研究了6点起爆网络起爆同步精度对形成侵彻体的速度、长径比等参数的影响规律,并找出了引 起侵彻体弯曲变形的主要原因横向速度梯度的变化规律,得到了延迟时间在200ns以内可使形成的侵 彻体不发生弯曲变形,成型参数基本不变。进行了实验验证,实验结果与数值模拟结果吻合较好。     

破片撞击起爆柱面带壳装药的临界速度修正判据

为获得适用于柱面带壳装药的冲击起爆修正判据,以Picatinny工程判据为基础加入修正项进行修正。采用AUTODYN-3D软件对破片撞击柱面带钢壳的B炸药进行数值计算,获得了破片入射角、装药曲率半径对炸药临界起爆速度的影响规律;通过拟合得到修正项表达式,建立了考虑破片入射角、柱壳装药形状函数的炸药起爆临界速度修正判据。判据计算值与实验数据和数值计算值吻合较好,该判据能较好的预测柱形带壳装药的冲击起爆条件。     

PBX-9404炸药冲击起爆的一维数值模拟

对Tang模型的阈值函数进行修改,给出了新的能量传递过程特征时间。将修改后的Tang模型加入到二维有限元动力分析程序DYNA2D中,计算PBX-9404炸药的冲击起爆过程,并与Forest-Fire模型和点火-燃烧-快反应模型的计算结果进行比较,结果表明:新模型的适用范围更广,而且p(t)曲线的波形、VN点和cj点的压力幅值都较理想。     

退役单基药的冲击起爆特性

为了研究退役单基药的冲击起爆特性,参照GJB772A-97中卡片式隔板法实验方法,分别开展了退役单基药的连续爆速实验、冲击波感度实验及锰铜压力计实验,观测了其冲击起爆的爆轰建立过程,得到了临界隔板值以及临界起爆压力。在连续爆速实验中,隔板厚度为50 mm时,观察到了退役单基药反应冲击波不断增长的过程,并在90mm处转变为爆轰; 在冲击波感度以及锰铜压力计实验中,测得其临界隔板厚度为50~52 mm,临界起爆压力为1.35~1.49 GPa。对退役单基药的冲击起爆过程进行了数值模拟,结合三种实验的实验结果,标定了其点火增长模型反应速率方程参数。

     

垫层对破片冲击起爆带壳炸药影响的数值模拟

将战斗部简化为带钢壳和垫层的炸药组件,用3种不同厚度的材料作垫层,利用非线性有限元软件AUTODYN对高速破片侵彻、引爆带壳炸药的作用过程进行了数值模拟,得到了高速破片冲击起爆带壳带垫层炸药的波后压力剖面。对不同厚度多种材料作为垫层时带壳炸药的冲击到爆轰距离进行了对比分析,结果表明,通过控制垫层的材料和厚度,可以对破片冲击起爆带壳炸药进行有效抑制。研究结果对战斗部破片起爆的防护设计具有指导意义。

     

钝感炸药的超压爆轰与冲击起爆过程数值模拟

采用Hybrid反应率结合修正的JWL方程,研究了LX-17、超细TATB等钝感炸药的冲击起爆（SDT）过程,并计算了爆轰波的对碰现象。结果表明,该方法计算钝感炸药的冲击起爆过程与实验数据符合较好;计算爆轰波对碰区的峰值压力提高了10％。     

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。     

孔隙度对PBX炸药冲击起爆影响的实验研究

为了研究孔隙度(装药密度)对PBX炸药冲击起爆爆轰成长的影响,采用炸药冲击起爆锰铜压阻一维拉格朗日实验测试系统,测量了不同孔隙度的PBXC03炸药(HMX的质量分数为87%,TATB的质量分数为7%,黏结剂的质量分数为6%)冲击起爆过程不同拉格朗日位置的压力-时间历史。结果显示:在本文装药范围和加载条件下,孔隙度对PBX炸药冲击起爆爆轰过程的影响不单调,中等密度的炸药冲击起爆和爆轰成长最快,这是热点点火过程与燃烧反应过程共同作用的结果。     

圆柱壳体装药偏心多点起爆下破片速度的分布

针对偏心起爆战斗部破片速度增益的问题,提出爆轰波碰撞形成马赫超压是引起破片速度增加的原因。利用AUTODYN软件,模拟偏心起爆战斗部从壳体径向膨胀、表面产生裂纹到最后形成破片的整个过程,并将模拟得到的破片速度与实验数据对比,两者吻合较好;简化Whitham方法并结合Gurney速度公式得到偏心起爆战斗部定向破片速度和定向区域的计算方法,同时在保证破片初速的前提下,研究偏心多点起爆下起爆点数的选择标准。研究结果表明：偏心多点起爆下定向破片初速增益约34%,定向区域范围约30°,起爆点数的选择与壳体长度和装药口径相关。

     

Long-term shock loading of solids by a combined charge with explosive initiation

A method and results of calculation of parameters of long-term shock loading of solids, generated by a gas-dynamic former containing a combined charge with explosive initiation, are described. A calculation model based on the concepts of the hydrodynamic theory of detonation and on the theory of combustion of condensed substances is considered. The forcing pressure and the physical laws of combustion of the combined charge are determined in calculations and experiments. The dynamics of the process is studied by an example of calculation of parameters of the loaded solid acceleration pulse in the case of initiation and combustion of a charge consisting of two batches of high explosives: black powder and pyroxylin powder. The effect of the combined charge parameters and combustion-chamber size on the parameters of the shock loading pulse is studied. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 50, No. 4, pp. 3–10, July–August, 2009.     

弹体高速侵彻钢筋混凝土靶试验研究

为研究结构弹体对钢筋混凝土靶的高速侵彻破坏效应,利用口径35 mm弹道炮开展了1 030～1 520 m/s速度范围内的高速侵彻试验,获得了弹体的撞击速度、破坏形态、剩余长度、剩余质量和靶体中的侵彻深度及成坑尺寸等试验数据,分析了侵彻深度和侵彻机理随速度的变化关系。结果表明：在1 030～1 390 m/s的速度范围内,弹体头部磨蚀,磨蚀程度随侵彻速度增加而加剧,侵彻深度随撞击速度近似线性增大;撞击速度在1 390～1 480 m/s范围内,弹体头部严重磨蚀,侵彻深度随撞击速度增加而减小;撞击速度大于1 480 m/s后,弹体严重破碎,侵彻深度急剧下降。针对结构弹体高速侵彻过程中的破坏特点,将侵彻速度划分为刚体侵彻区、准刚体侵彻区、侵蚀体侵彻区和破碎体侵彻区,可为钻地弹结构设计提供参考。

     

带攻角平头弹侵彻不同厚度芳纶层合板的数值模拟

为研究攻角对不同厚度芳纶层合板抗平头弹侵彻性能的影响,构建了三维有限元计算模型,首先通过对比实验结果验证了其可靠性,然后基于该数值模型,进一步计算了0°～30°攻角范围内,4、8和16 mm靶板的弹道响应,从子弹剩余速度、靶板能量吸收率、极限弹道速度与穿孔能量阈值4个方面,综合评估了芳纶层合板的抗侵彻性能。结果表明：攻角的影响与靶板厚度及子弹入射速度有关,随着攻角的增大,靶板的极限速度和穿孔能量阈值均有所降低,降低的程度随厚度的增加而减小;入射速度接近芳纶层合板弹道极限速度时,子弹剩余速度随着攻角增大而增大,但速度远高于弹道极限速度时,子弹剩余速度随着攻角增大而减小;攻角对芳纶层合板弹道性能的影响机理随靶板的破坏模式不同而改变。

     

Al2O3陶瓷复合靶抗长杆弹侵彻性能和机理实验研究

用DOP(depthofpenetration)实验研究了质量分数为 90 %的Al2 O3 陶瓷复合靶抗长杆弹侵彻性能。实验表明 :随陶瓷厚度的增加 ,以差分效益系数和靶平均阻力表征的陶瓷复合靶的抗长杆弹侵彻性能降低 ;盖板能增强陶瓷复合靶抗侵彻性能。对回收陶瓷和盖板的破坏特征分析表明 :长杆弹对陶瓷复合靶侵彻过程大致可分为初期侵彻和稳定侵彻两个阶段 ,但对薄靶和厚靶 ,两个阶段在整个侵彻过程中所占比重不同。     

刚性弹侵彻深度和阻力的比较分析

根据刚性弹侵彻动力学的量纲一侵彻深度公式,分析了刚性弹侵彻过程中弹丸所受的靶板阻力,并从冲量角度讨论了常阻力假设适用的撞击速度阈值vc,得出统一的表达式,求出了针对不同弹靶系统的相应vc值。根据相关数值模拟结果,进一步验证了所求vc值的正确性,同时也检验了不同侵彻深度公式的适用范围。     

基于Archard理论分析弹体质量侵蚀

基于模具与工件磨损中的Archard粘着磨损理论,分析弹体表面微粒的细观塑性变形,建立弹体质量侵蚀表征模型,运用动态空腔膨胀理论得到弹体表面应力,再通过差分计算得到高速侵彻中弹体宏观轮廓的钝化回退过程。计算得到的弹体外部轮廓、质量损失及侵彻深度等参数与实验结果基本吻合。结果表明;弹体侵蚀效应对侵彻时间和深度的影响随着撞击速度的增大愈加显著;弹体侵彻过程中最大过载与刚性条件下有较大区别,提高弹体材料的屈服强度能有效减少侵彻过程中弹体的质量损失,提高最终侵彻深度。     

12.7 mm弹侵彻不同强度钢靶的数值模拟

针对12.7 mm弹侵彻不同强度钢靶时可能出现子弹保持完整或发生破碎的情况,过去的数值模拟仅限于模拟单一模式的子弹侵彻行为。为了克服这种数值模拟的局限性,开展了模型算法、网格尺寸对模拟结果影响的研究,并将模拟结果与实验结果进行了对比,提出了一种能够用于模拟子弹保持完整或破碎的弹靶模型。研究结果表明,为模拟子弹保持完整状态,子弹和靶板应分别采用基于Lagrange算法的有限元法和光滑粒子算法,而且子弹网格尺寸和靶板粒子间距之比应至少保持在5.3左右,否则弹头会产生与实验结果不符合的异常变形。但是,在模拟子弹发生破碎侵蚀时,该比例的网格/粒子尺寸比会引起计算中止。为了克服该问题,进一步建立了一种弹体表面采用大尺寸网格、内部采用细化小尺寸网格的有限元/光滑粒子法耦合弹靶模型。计算结果表明,改进的弹靶模型可模拟子弹保持完整或者发生破碎的情况。

     

气压对压力容器前壁超高速撞击损伤的影响

充气压力容器在超高速撞击下的典型损伤包括穿孔及其边缘的裂纹失稳破坏,会导致气体泄漏或爆炸,内压对容器前壁损伤的影响仍不明确。以不同内压的球形铝合金充气压力容器为研究对象,开展了球形铝合金弹丸超高速撞击实验和数值模拟计算,分析了内充气体压强对前壁穿孔形貌特征、穿孔直径、孔边环向应力等的影响规律和影响机理,讨论了气体冲击波的传播行为及影响前壁穿孔边缘裂纹失稳破坏的机制。结果表明:前壁穿孔边缘内翻边形貌与内压相关,内压越高,弯折程度越轻;穿孔直径与内充气体压强正相关,但气体对孔径的影响远小于容器壁厚及撞击速度的影响;穿孔边缘使裂纹失稳破坏的环向拉应力不仅受到后壁反射冲击波的影响,也与容器壁内应力波的传播有关,与内压成正比。     

单点起爆形成多模式EFP的可行性研究

针对同一成型装药形成多模毁伤元问题,利用LS-DYNA 程序,研究了单点起爆位置对爆炸成型 侵彻体(explosivelyformedpenetrator,EFP)成型的影响规律。当起爆点距离药型罩的轴向距离从0倍装药 口径增加到0.72倍装药口径,EFP速度提高了37.8%,长径比增加了1倍多;优化设计成型装药结构,分析 了主装药端面中心点起爆和药型罩顶点起爆爆轰波传播规律,实现了杆式EFP、EFP2种模态的转换。通过 X光成像实验进行了验证,实验结果与数值模拟结果吻合较好。