层叠型缓冲靶板对弹载测试仪的保护作用研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:山西省基础研究计划资助项目()山西省基础研究计划面上项目()作者简介:高原()男硕士:.通信作者:王宇()男博士:.:./.层叠型缓冲靶板对弹载测试仪的保护作用研究高 原马淋涛王 宇孙传猛裴东兴余赟湦(.中北大学 省部共建动态测试技术国家重点实验室 太原.华东光电集成器件研究所 安徽 蚌埠)摘要:使用空气炮模拟火炮发射时的高过载环境对弹载测试仪进行测试时弹丸撞击靶板会产生尖峰脉冲对测试仪造成严重的损伤为提高测试仪的存活性展开对缓冲靶板层叠方式(不同材质的靶板相互叠加的叠层结构)的研究 通过撞击动力学理论描述弹丸对靶板的压缩和侵彻行为并结合动量守恒和能量守恒定律计算出靶板参数和传递到靶板上的冲量的关系 使用/建立弹丸正侵彻靶板模型弹丸速度为 /、质量为.仿真结果表明:层总厚度 的泡沫铝 泡沫铝 橡胶组合方式能有效消除尖峰脉冲并缩短弹丸对靶板的作用时间加速度均值约为 脉宽为.受条件限制空气炮试验采用弹丸质量为.、速度为/并将缓冲靶板的单层厚度减小到 结果表明:在泡沫铝 泡沫铝 橡胶组合方式下弹丸结构和测试仪功能完好加速度均值约为 脉宽为.关键词:空气炮弹载测试仪加速度缓冲靶板有限元仿真本文引用格式:高原马淋涛王宇等.层叠型缓冲靶板对弹载测试仪的保护作用研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.()./././.:引言在进行火炮实弹测试前必须对弹载测试仪的存活性进行严格的控制和检测以确保其能够正常工作并保证导弹的安全性和可靠性 使用空气炮模拟火炮发射时的高过载环境对弹载测试仪进行存活性测试试验弹丸撞击目标靶板会产生尖峰脉冲信号对弹载测试仪产生严重破坏 为回收弹载测试仪并保障其存活性展开对缓冲靶板组合方式的研究评估弹丸的高过载能力通常使用马歇特锤、霍普金森压杆和空气炮等测试方法 相比之下空气炮能够实现高速侵彻靶板但需要精确匹配弹丸类型、靶板材料和尺寸以控制加速度波形 文献通过单层泡沫铝与夹芯铝板在弹丸冲击下的对比得出夹心铝板性能更好适合提升高过载测试效能 文献探究了不同蜂窝夹芯板结构在不同子弹形状冲击下的侵彻力学行为分析了剩余速度与初始速度之间的关系为高过载环境下不同夹芯板结构的性能提供了理解 文献通过设置不同的靶板、弹丸、弹丸初速度以及整形器比较不同情况下加速度峰值和脉宽提供了高过载测试参数选择的参考 文献验证了加速度过载试验技术可行性通过动态碰撞试验分析了过载系数的变化和影响因素 文献 建立数学模型研究不同弹丸在冲击泡沫铝靶板上的侵彻行为分析了影响弹丸加速度响应的因素有助于更好理解高过载侵彻过程消除弹丸撞击中初碰阶段的尖峰脉冲信号要求前置缓冲靶板的杨氏模量大且吸能性好因此选用泡沫铝作为缓冲靶板 为解决弹丸侵彻泡沫铝时作用时间过长导致难以控制侵彻深度末端采用 橡胶靶板能有效减小作用时间 当缓冲靶板被击穿后弹丸的剩余能量会作用在大质量高硬度的靶板上仍可能会产生尖峰脉冲信号在空气炮试验前通过仿真和理论分析得出组合靶板各层的厚度可避免弹载测试仪损坏 最终实现消除尖峰脉冲信号并得到形状近似矩形的加速度曲线使得测试仪存活性提高 理论分析.弹性阶段在弹丸初碰阶段时靶板发生弹性应变在弹性阶段应力应变关系遵循胡克定律对于一维应变令 得:()()()()()()()式()中:为材料的弹性模量 为材料的泊松比对于一维应变下纵向应力应变的关系可以写成:()()式()中:为体积模量 为剪切模量.侵彻过程的动量和能量守恒弹丸侵彻组合靶板的侵彻行为主要由其侵彻路径各点上的剩余速度 和剩余质量(试验中弹丸近乎不损失质量)确定 冲撞载荷 与弹丸碰撞的速度和质量有关 可用运动方程将侵彻过程的特征量和对靶板的冲量载荷完全地联系在一起对于弹丸撞击靶板的情况动量守恒方程(矢量方程)和能量守恒方程(标量方程)可写为 ()()()式()、式()中:为弹丸的质量 为从靶板上驱动的所有质量为弹体接触靶板前一刻速度为 质心的剩余速度 为传递给靶板的冲量由靶板材料剪切强度及被靶板阻碍的碎片材料引起为与质量为 和 的 个物体自由碰撞有关的塑性变形能为所有的塑性变形能由于 连接靶板、因剪切强度所引起的 将 和 加在一起表示所有转化为变形能的动能.剩余速度与传到靶板上的冲量通过式()以及 和 的具体公式解出:高 原等:层叠型缓冲靶板对弹载测试仪的保护作用研究/(/)()式()中:为 和 所有质心的剩余速度是一个未知的特征速度其值定义为使公式成立所需的值利用式()和式()可得出传到靶板上的冲量 随 变化的函数关系 相对于初始动量 规范化式()变化为:/()(/)(/)()在 位于(弹道极限速度)以下(即弹体碰撞期间)时冲量 随 增加而成正比增加当/值在.以上(穿透)时冲量 随 增加而减少 因此侵彻的设计应保持 尽可能地小 相反的为了产生高的冲量载荷应保持高值.不同材料靶板的厚度分析由式()可导出 的方程:()()将式()代入式()中得出剩余速度变化方程令 :()()()(橡橡)()式()中:为弹丸顶部半径为组合靶板中泡沫铝的厚度橡为组合靶板中橡胶的厚度为组合靶板中泡沫铝的密度橡为组合靶板中橡胶的密度弹丸穿透靶板后的剩余速度 撞击大质量高硬度的靶板产生的正压力要求小于弹丸的屈服强度 即 /()()通过调整 和 橡来满足式()即可保障弹载测试仪不发生损坏为更好的保护测试仪 橡取 层结构 由于泡沫铝用于吸能橡胶用于缩短作用时长因此泡沫铝前置采用 层橡胶后置采用 层 但并不是靶板厚度越厚效果越好靶板厚了会影响空气炮试验中对弹载测试仪的测试 仿真分析.建立模型本文中/中划分网格后的弹靶模型和靶板的边界条件如图 所示 弹丸直径 长度 靶体单层尺寸为 (厚度)弹丸质量为.初始速度为 /建立弹丸正侵彻靶板模型右图中蓝色部分为模型的边界条件 仿真模型采用三维 网格类型选用三维实体显式单元 单元进行网格划分 仿真模型单位采用 单位制图 划分网格的有限元模型和边界条件.材料参数设定.弹丸材料参数材料参数如表 所示弹丸材料为由于弹丸本身变形很小可视为刚体采用(塑性随动硬化模型)用 模型考虑应变率屈服应力如式():()()()式()中:为初始屈服应力 为应变率、为应变率参数 为有效塑性应变 为塑性硬化模量表 弹丸材料参数 种类材料密度/()杨氏模量/泊松比弹丸.电路板覆铜板.灌封材料环氧树脂.泡沫铝靶板材料参数 材料受压塌陷时存在体积变化其屈服函数包含流体静力学项 基于连续各向同性假设提出本构模型屈服函数 定义为:()兵 器 装 备 工 程 学 报:/./()()/(/)().()/()()式()式()中:为等效应力 为屈服应力()为应变硬化 为等效应变为 等效应力为平均应力 为屈服平台形状参数为塑性收缩系数图 中表示泡沫铝准静态压缩应力 应变曲线 代表孔隙率 表 为泡沫铝靶板材料的参数其中泡沫铝的孔隙率对缓冲效果影响较大 泡沫铝的孔隙率通常通过材料的制备过程来控制和调整 高孔隙率的泡沫铝通常具有较好的吸能性能但在强度方面较低 相反低孔隙率的泡沫铝具有更高的强度但吸能性能较差图 泡沫铝准静态压缩应力应变曲线.表 泡沫铝靶板材料参数 参数数值参数数值杨氏模量/泊松比.密度/().屈服强度/结构阻尼.孔隙率.橡胶靶板材料参数在连续介质力学中 模型是一种超弹性本构模型用于描述橡胶和其他聚合物的机械行为 靶板采用橡胶材料因此选用此模型 模型的应变能密度函数如下:()()式()中:为链段的数量为玻尔兹曼常数 为以开尔文为单位的温度 为交联聚合物网络中的链数 ()()式()中:是左柯西 格林变形张量的第一个不变量并且()是朗之万反函数表 缓冲材料参数 参数值密度/()杨氏模量/.剪切模量/泊松比.体积模量/.最大等效塑性应变.屈服强度/断裂延伸率 在单向的压缩载荷下 橡胶的应力 应变曲线如图 所示 弹丸撞击橡胶材质的靶板时可分为 个阶段:初接触阶段、压缩阶段、穿透阶段、能量释放阶段 弹丸的动能逐渐减小同时靶板的弹性势能增加直到达到材料的极限 一旦超过极限能量将转化为材料的断裂和变形所存储的弹性势能最终以热能和声能的形式耗散图 橡胶的动态应力 应变曲线.仿真结果分析.橡胶前置组合方式为橡胶 泡沫铝 泡沫铝时仿真结果如图 所示.橡胶中置组合方式为泡沫铝 橡胶 泡沫铝时仿真结果如图 所示由图 和图 可看出弹丸未击穿组合靶板速度发生反向(数据只取数值大小未在图中定义方向)通过压力曲线得出中间橡胶受力不均未能使靶板系统受力平衡同前端橡胶一样会产生震荡 由加速度曲线可看出弹丸的作用时间被拉长并不是空气炮试验想得到的曲线高 原等:层叠型缓冲靶板对弹载测试仪的保护作用研究图 橡胶 泡沫铝 泡沫铝仿真结果.图 泡沫铝 橡胶 泡沫铝仿真结果.通过组合方式橡胶 泡沫铝 泡沫铝和组合方式泡沫铝 橡胶 泡沫铝获得的加速度曲线和压力曲线可以估算出橡胶靶板发生振动时的速度界限在弹丸质量一定时剩余速度降至 /以下振动效果才能降低因此组合靶板的前端需要吸收足够多的能量后置橡胶才会起到吸振效果兵 器 装 备 工 程 学 报:/./种方式的仿真结果表明为避免橡胶靶板在高动能下的震动现象需提前使用泡沫铝靶板将动能吸收大部分并保证穿透泡沫铝部分让剩余动能全部作用在橡胶靶板上.橡胶后置组合方式为泡沫铝 泡沫铝 橡胶时仿真结果如图 所示 组合方式泡沫铝 泡沫铝 橡胶同样未被击穿但其发挥了后端橡胶的吸振效果又保证加速度曲线的完整性同时曲线下降趋势明显曲线形状近似矩形这对弹载测试装置有更好的保护效果并且能够更方便的计算侵彻深度图 泡沫铝 泡沫铝 橡胶仿真结果.试验分析.空气炮结构高 值空气炮试验装置由高压气源、高压气室、弹丸、支撑台架、炮管、回收仓等组成如图()所示为空气炮实物如图()所示为回收仓剖面示意图回收仓中有弹丸测速装置、靶板、液压缓冲装置和回收器等图 高 值空气炮.试验的撞击靶板过程发生在回收仓内方便测试仪的回收 检查弹丸壳体损坏程度以及对弹载测试仪的数据进行读取和分析.试验结果弹丸材料为 尺寸 质量约为.为方便试验初速设定为/进行 组空气炮发射弹丸撞击靶板试验第 组撞击随机放置的组合靶板 组撞击按理论计算和仿真分析后的组合靶板观察每组试验后弹体结构的损伤情况以及测试仪的状态从图 中可以看出弹丸穿透靶板后对刚性靶板产生了撞击加速度峰值超过了传感器的最大量程发生削顶现象试验后的弹丸如图 右侧所示已经发生严重损坏图 穿透靶板后刚性撞击的加速度曲线高 原等:层叠型缓冲靶板对弹载测试仪的保护作用研究.图 第 组试验后弹丸损坏(右侧).()表 给出了后 组测试仪存储的加速度测试曲线峰值与 峰值持续时间从表 中的数据可看出每组试验的加速度峰值和脉宽基本相似验证了理论算出的靶板组合方式能增大测试仪的稳定性和高过载下的存活性 图 给出了第 组试验的加速度曲线图表 测试曲线峰值与 峰值持续时间 测试次数峰值/峰值持续时间/.图 第 组加速度数据.空气炮试验结果充分验证了层叠型组合靶板不同组合方式下对弹丸壳体和内部测试仪的保护作用以及所得到的加速度数据的完整性 合理的组合靶板方式能够有效消除尖峰脉冲信号同时也可以获得理想的实验数据 结论在空气炮对弹载测试仪的测试实验中可估算出弹丸初速、质量和材料参数与靶板的组合方式之间的关系得出最适合的组合方式以满足测试要求并保障测试仪的存活 靶板组合方式中泡沫铝消除了尖峰脉冲信号后端橡胶的吸振效果保证加速度曲线的完整性使曲线形状近似矩形这对弹载测试装置的保护效果更好并且能够更方便的计算侵彻深度 仿真结果和空气炮试验结果都验证了理论计算所得出的靶板组合方式的可行性在弹载测试仪性能测试实验中具有指导性意义参考文献:刘卫张蕊沈瑞琪等.高过载条件下火工品装药的响应特性.兵工学报():.():.高昌印.过载性能试验台设计及微型涡喷抗过载性能研究.南京:南京理工大学.:.方幸.空气炮力学过载等效模拟试验方法研究.南京:南京理工大学.:.苏红星.高过载空气炮系统实验技术研究.太原:中北大学.:.李创新沈瑞琪刘卫等.高加速度冲击过载下桥丝式电雷管的损伤特性研究.火工品():.():.刘卫.火工品过载力学环境等效性模拟实验研究.南京:南京理工大学.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.:.李雷.对弹丸侵彻过程及火工品过载情况的三维数值模拟.太原:中北大学.:.麻宏亮李骏付东晓等.多层钢靶板侵彻环境下半导体桥火工品过载响应仿真研究.火工品():.():.:.:().孙轶杨莉刘小龙等.基于空气炮的高过载模拟试验方法研究.火工品():.():.刘石豪张振海牛兰杰等.高能量冲击加载试验装置研究进展.探测与控制学报():.():.汤俊.冲击波形发生器侵彻过程的数值模拟研究.南京:南京理工大学.:.汤俊葛建立闫彬等.弹丸侵彻闭孔泡沫铝冲击波形数值模拟.南京理工大学学报():.():.陈玟张京英李晓峰等.基于数值仿真对传感器安装位置的分析评估.图学学报():.():./().科学编辑 黄景德 博士(珠海科技学院 教授、博导)责任编辑 涂顺泽高 原等:层叠型缓冲靶板对弹载测试仪的保护作用研究