破片式战斗部破片与冲击波相遇位置研究

为研究破片式战斗部爆炸后破片和冲击波两种毁伤元的相遇位置,先通过ANSYS/LS-DYNA对破片式战斗部的爆炸过程进行数值计算,再通过试验的方法测量破片和冲击波相遇位置,验证了数值计算方法的合理性。在此基础上,分析了装填系数、破片质量、爆速和爆热对相遇位置的影响。结果表明:随着装填系数、破片质量、爆速和爆热的增加,相遇位置减小;装填系数增加31%,相遇位置距爆炸中心的距离减小11.5%;单枚破片质量增加1倍,相遇位置距爆炸中心的距离减小2.4%。     

非金属壳体低附带战斗部实验与破片飞散分析

为了研究低附带战斗部的非金属破片飞散特性,结合某低附带杀伤战斗部静爆威力实验,对战斗部爆炸产生的非金属破片初速以及速度衰减情况进行了分析。基于能量守恒得到了包含壳体结构和材料强度因素的破片初速公式;基于破片在空气中飞行运动情况的分析,通过对球形破片阻力公式和等效面积进行修正,得到了非金属自然破片的速度衰减规律。所得结果较好地解释了战斗部静爆实验中的破片终点效应情况,亦可为该类战斗部破片毁伤效应评估提供一种分析方法。     

弹体材料性能对破片形成的影响

为了获得弹体材料性能对破片形成的影响规律,应用破片战斗部设计软件,数值计算了82钢、50SiMnVB钢、40CrMnSiB钢及30CrMnSiNi2A钢等4种材料形成破片的情况,得到了4种材料形成的破片的飞散角、初速及质量分布的变化规律,并进行了破片质量分布的实验研究。结果表明,不同合金钢材料对形成的破片飞散角与初速的影响不大,且沿弹体轴向方向的变化规律相同,其中破片飞散角沿弹轴方向先减小后增大,破片的最大初速出现在距起爆点约72.5%圆筒长度处;但是对破片质量分布情况的影响较大,随着材料极限抗拉强度的增加和断裂韧性的降低,弹体破碎程度升高,总破片数增加了39.3%。     

柱状装药预制破片缩比战斗部爆炸冲击波和破片的作用时序

针对柱状装药的周向预制破片战斗部,结合无量纲分析方法和爆炸驱动理论,确定了影响破片和冲击波相遇位置的关键参数,给出了由缩比战斗部推广预测原型战斗部爆炸产生的破片冲击波作用时序的方法。采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件进行数值模拟,对比验证了理论分析和数值试验结果,分析了战斗部缩比比例对冲击波和破片作用时序的影响。结果表明:缩比模型与原型战斗部爆炸产生的破片和冲击波的相遇位置之比和相遇时间之比主要取决于两模型的质量比,在不考虑破片速度衰减时,两模型中载荷相遇位置之比和相遇时间之比等于其质量比的0.33次方。受破片速度衰减影响,该方法仅适用于质量缩比不小于0.2的模型。     

爆炸冲击波作用下预制孔靶板塑性变形规律的研究

利用非线性动力学软件AUTODYN,对爆炸冲击波作用下无孔及预制孔靶板的塑性变形进行了数值模拟,获得了不同孔数、孔径情况下靶板中心点挠度的变化规律;设计了模型实验,其结果与数值结果符合较好;并以爆炸冲击波作用下无孔靶板中心点挠度计算公式和数值计算结果为基础,通过拟合给出了预制孔靶板中心点挠度与孔密度、孔径之间的函数关系,该关系可为有孔平板目标的毁伤评估及破片、冲击波对平板目标联合毁伤研究提供参考。     

球形破片长距离飞行时速度衰减规律研究

 通过二级轻气炮发射方式、激光无阻测量方法测量了不同材料、不同直径的球形破片在不同初速条件下长距离（最大距离达120 m）飞行时的速度衰减规律。试验结果表明：在同一初速条件下，球形破片长距离飞行时的衰减系数为常数；破片飞行空气阻力系数与破片初速有关，在战斗部设计关心的范围内（1.2～2.2 km/s），阻力系数与初速成线性关系。     

破片式战斗部空中爆炸下冲击波与破片的耦合作用

为探讨破片式战斗部空中爆炸下冲击波与破片的耦合作用机制,通过分析冲击波和破片在空气中的运动规律,在考虑壳体对冲击波强度的影响下,建立了冲击波与破片耦合作用区间的理论计算模型,并采用相关文献试验结果进行了对比。在此基础上,结合实例讨论了耦合作用区间随各影响因素的变化规律。结果表明,战斗部装填系数、装药爆速、壳体厚度以及能量分配对耦合作用区间的影响较大,而装药爆热、破片质量及破片形状对耦合作用区间的影响较小;随着装填系数、装药爆热和爆速、破片质量及冲击波能量与破片动能的比值的增大,耦合作用区间均减小;而随着壳体厚度和破片形状不规则度的提高,耦合作用区间增大。     

扇形复合装药驱动破片定向飞散的数值模拟

利用LS-DYNA软件对扇形单一装药和复合装药驱动破片的作用过程进行了数值模拟,得到预制破片的初速及分布规律,并对不同起爆方式和复合装药参数的扇形装药结构破片驱动特性进行了计算分析。结果表明:数值模拟计算值与试验结果吻合较好,相对于单一装药结构,复合装药能使破片飞散更为集中,且破片的总动能提高了12%以上;通过改变起爆方式和复合装药参数,破片的综合毁伤效能可进一步增强。     

预制破片与轻质壳体阻抗匹配对破片初速及完整性的影响

依据杀伤战斗部装药对破片爆轰加载过程的特征,设计了与其较为相似的滑移爆轰单元结构实验模型,采用闪光X射线照相方法获得了预制破片和轻质壳体在两种典型排布顺序下的破片初速及破损情况,并结合应力波传播理论对实验结果进行了分析。结果表明:破片外置时,初始应力波由低阻抗金属材料向高阻抗金属材料传播,破片受到壳体传入的冲击波及空气传入的拉伸波作用,初速较高,轻微破损;破片内置时,初始应力波由高阻抗金属材料向低阻抗金属材料传播,虽然破片受到爆轰产物传入的冲击波及壳体反射的拉伸波作用,但初速相对偏低,易发生破损,甚至有明显层裂现象。     

起爆方式对非圆截面装药结构释能特性的影响

为了研究不同起爆方式下非圆截面装药结构的释能规律,采用AUTODYN软件开展了非圆截面装药结构在不同起爆方式下的释能特性数值模拟,分析了起爆方式对爆轰波形演变、破片质量、破片初速的影响。结果表明：由于装药结构的特殊性,采用端部单点起爆时装药能量分布不均匀,部分区域产生大量的无效小质量破片,且不同位置处的破片初速波动较大;采用端部两点和端部三点起爆时,能够对爆轰能量起到匀化效果,减少无效破片数量,提升破片初速的一致性。由此证明通过调整起爆方式可以对非圆截面装药结构的能量输出结构进行有效调控,对其周向能量场起到匀化效果。     

起爆方式对复合战斗部毁伤输出的影响

为了进一步提高复合战斗部的毁伤输出效率,基于一种可形成聚能侵彻体、预制破片和自然破片3种毁伤元的破甲杀伤复合战斗部结构,应用LS-DYNA数值仿真软件,研究了起爆点位置、起爆直径和起爆点数量对复合战斗部各毁伤元成型和能量输出的影响,讨论了实现战斗部毁伤威力可调的技术路径。结果表明:起爆点距药型罩越远、数量越多、起爆直径越大,由药型罩形成的聚能侵彻体的头部速度越高,头尾速度差和长径比越大,速度增益最高可达50%,可以实现爆炸成型弹丸(EFP)到聚能杆式侵彻体(JPC)转换;在装药内部轴线阵列多点起爆时,聚能侵彻体的成型基本仅与离药型罩最近的起爆点有关。对于预制破片,装药高度60 mm(P2)处起爆速度最快,增加起爆点数量和增大起爆直径可以有效提高预制破片的最高速度,但整体上最低速度仍在600 m/s上下波动,变化并不显著。对于壳体形成的自然破片,以平均速度来表征时,整体变化并不明显,速度增益不足10%,但合理的起爆方式可使壳体断裂形成的自然破片更均匀,有利于调整破片质量分布。通过控制起爆方式可在一定程度上实现复合战斗部毁伤威力可调,但对于破片速度的调控仍需进一步研究。     

港池环境近水面水下爆炸特性及其毁伤效应

为研究港池环境近水面水下爆炸载荷及其对码头结构的损伤特性,设计了一种典型码头结构,并构建港池环境,运用LS-DYNA程序开展水下爆炸数值模拟研究,对爆炸现象、荷载特性、结构动态响应和能量吸收特性4个方面进行了详细研究,分析了边界、比例爆距等参数的影响规律。结果表明:爆炸气泡脉动主要受到码头结构边界和水面的影响,水底和有限港池内的流体运动对其亦有一定影响;冲击波荷载以比例爆深为中心呈垂向对称分布,气泡脉动荷载主要分布于比例爆深以下位置;结构变形和毁伤主要在冲击波传播阶段形成,气泡脉动和射流的二次毁伤效果较弱;混凝土和沉箱内填土是主要能量吸收部分。     

序贯起爆参数对定向战斗部毁伤效能的影响

为提高定向战斗部的毁伤效能,明确序贯起爆参数对定向战斗部毁伤效能的影响,运用LS-DYNA有限元程序,采用破片速度差累加和飞散角累加的方法,研究了不同序贯起爆参数下破片初始威力参数,利用毁伤概率法,计算了不同序贯起爆参数下战斗部对地面军用车辆的毁伤效能。结果表明:起爆线个数和起爆线夹角主要影响破片速度大小,起爆延时时间主要影响破片速度大小和飞散角正负占比。相对于偏心一线和三线序贯起爆,偏心两线序贯起爆在落高为7～9 m时有7.5～25.0 m²的毁伤面积。当起爆线夹角由30°增大到120°,落高为4～8 m时,战斗部对地面军用车辆的毁伤面积降低3.9%～60.3%。序贯起爆的延时时间由零增加到0.75倍的相邻起爆点间爆轰波传播时间,落高为4～8 m时,战斗部的毁伤面积增加8.4%～87.2%。当起爆方式采用偏心两线序贯起爆,起爆线夹角取30°～60°,延时时间取0.50～0.75倍的相邻起爆点间爆轰波传播时间时,破片战斗部对地面军用车辆目标具有较好的毁伤效能。     

偏心起爆战斗部随机破片数值仿真

 利用AUTODYN-3D软件和基于Mott破片分布理论的Stochastic随机破碎模型,对破碎型偏心起爆战斗部的破片形成进行了三维数值模拟,对比分析了3种起爆方式下自然破片的飞散特性以及偏心起爆时不同起爆半径随机破片的飞散特性。结果表明：偏心单点和偏心多点起爆在目标区域产生的破片数比中心点起爆分别提高了37.12%和62.86%,且破片质量小,破片的利用率可以提高4.01%~6.08%;偏心单点和偏心多点起爆的平均速度增益为25.95%和28.37%;对于偏心起爆,随着起爆半径的减小,目标区域的随机破片数减小,轴向速度和径向速度也随之减小。     

激光冲击强化“残余应力洞”的形成机制

利用ABAQUS有限元软件进行了单个圆形高斯光斑的激光冲击强化数值模拟,分析材料表面光斑中心区域形成的"残余应力洞"现象,并通过分析材料的动态力学响应特征揭示了"残余应力洞"的形成机制。结果表明:在冲击波加载时,光斑边界处会产生很强的剪切应力,形成向四周传播的表面稀疏波和向材料内部传播的剪切波。当稀疏波同时传播到光斑中心,发生相遇、汇聚,使材料产生急剧的上下位移过程,造成冲击波加载塑性变形后的二次塑性变形。二次塑性变形中形成了较大的剪切塑性应变,并降低了冲击波加载阶段产生的轴向和径向塑性应变,使残余压应力降低,从而形成"残余应力洞"。     

导弹动爆对模拟船舱毁伤效果试验研究

 设计了基于火箭橇的导弹动爆试验,介绍了模拟船舱的结构尺寸、测试点的布设情况及测试仪器性能。通过获取的断线、光、压力、加速度信号得出如下结论：测试方法有效;冲击波在舱室内传播不均匀,导弹运动方向反射冲击波很大,反方向较小,两者比例可达3.5∶1,舱室的角隅部位冲击波压力高于壁面正反射压力;导弹穿甲时舱壁的冲击振动高达10 000 g,且穿甲舱壁的冲击远大于其它舱壁,被破片击中会加大舱壁的振动幅值。     

复合式反应破片对柴油油箱的毁伤效应试验研究

 设计并制备了两种不同配方的新型复合式反应破片,并进行了该反应破片对装有柴油油箱的毁伤试验。复合式反应破片由壳体、裸反应破片、顶盖组成。裸反应破片采用铝粉和聚四氟乙烯、钛粉和聚四氟乙烯两种材料配方真空高温烧结制成。试验利用12.7 mm弹道枪发射复合式反应破片,并用高速摄影仪记录破片对油箱的毁伤过程。两种配方的复合式反应破片均能穿透6 mm厚油箱壁,并具有明显的引燃效果。试验结果表明,与惰性破片相比,复合式反应破片兼有侵彻能力和引燃纵火能力。     

柱形装药水中爆炸气泡的形态演变

 采用高速摄影方法在实验水箱中获得了长径比为3.35~6.75的柱形PETN炸药水中爆炸气泡脉动的图像,进而结合真实的爆轰过程和Rayleigh气泡运动方程,研究了气泡的形态演变规律。研究结果表明,柱形装药在水中爆炸时,形成的初始气泡的形状为非球对称形,这种非对称特征随长径比的增加而增大。气泡表面的运动也表现出明显的非球对称特征,气泡表面在装药径向的膨胀运动呈指数衰减,在装药轴向两端的膨胀运动更接近于分段线性衰减。气泡表面的不对称运动与柱形装药水下爆炸的能量输出结构不均有关,与冲击波的有效能量分布规律是相似的。     

飞机目标在爆炸冲击波作用下的毁伤效应评估方法

从飞机结构强度设计角度出发,研究了大当量爆炸冲击波作用下飞机目标毁伤效应评估方法。根据飞机结构强度设计准则,确定了典型飞机目标的失效判据。通过有限元分析,获得了典型飞机目标机翼在均布冲击波作用下完全失效的超压值,与试验数据对比表明,该方法具有较好的合理性。在此基础上,考虑动态加载下的结构响应,通过计算不同工况下飞机目标失效的超压值和相应的持续时间,获得了飞机失效的冲击波超压-冲量准则,为后继冲击波对飞机整体毁伤效应评估提供了更为合理的方法。     

面运动刚体的角速度与基点选择无关的证明

我们知道,作平面运动的刚体的任何运动都可看成是一次平动和绕任意点──通常称为基点─—为中心的一次转动的合成。其中平动部分决定于所选基点的运动,而转动部分则与转动中心的选择无关。刚体的平动部分与基点选择有关是显而易见的;转动部分与转动中心(基点)的选择无关,一般力学教科书都是用刚体在两基点情况下前后两位置的转角相同来说明的。关于后一论断,往往不易使人信服。现在,本文将给出一个定量的证明。 设某刚体在XOY平面内运动,刚体上任一点P的位矢是r,任意基点A的位矢是rAO (如附图),并设刚体绕A的角速度是wA,则刚体上任一点…