火工品过载力学环境等效性模拟实验研究

发布时间：2020-04-05 18:50

【摘要】：弹药侵彻目标过程中火工品将受到毫秒级冲击过载作用,并且在侵彻多层目标时火工品也将受到多次连续的冲击过载作用。采用低成本的霍普金森压杆和空气炮模拟试验方法在一定程度上能够模拟火工品在弹药侵彻目标时形成的冲击过载力学环境,但是这两种方法产生的冲击过载脉冲时间比真实的弹药侵彻时间短,通常是100微秒左右,而且不能形成连续冲击的力学环境。为了弥补霍普金森压杆和空气炮模拟试验方法的不足,急需建立长脉冲冲击与短脉冲冲击之问、多次重复试验与单次冲击试验之间的等效试验理论和方法。本论文针对这一迫切需要解决的科学和工程应用问题,通过建立与冲击过载强度和作用时间相关联的损伤等效模型和试验方法,以及与冲击次数相关联的累积损伤等效模型和试验方法,比较好地解决了这一难题。在考虑试件内部的应力波传播过程的基础上,基于一维应力波传播理论,采用波形迭加法,建立了试件上过载加速度与压杆上加速度之间的等效关系,并通过实验验证了分析模型的可靠性、准确性。计算结果表明,压杆上的加速度仅表征了试件受到的平均加速度。柱形弹性试件本身的基本物理、力学性质对其过载加速度峰值和脉宽具有显著影响,并且试件的尺寸越大、材质越轻、刚度越大,受到的过载加速度的峰值也越大。输入应变脉冲的上升时间、平台幅值和脉冲持续时间也影响试件的过载,其中脉冲上升时间对试件过载的影响程度最大。针对长、短脉冲加载下试件损伤差异的问题,研究峰值和脉宽不同的过载脉冲加载下纯铅试件的损伤变化规律。结果显示,试件损伤随加速度峰值的增加而呈线性增加；在正弦加速度脉冲加载下,随加速度脉宽增加,试件损伤先增加、后减小。在自由式霍普金森压杆过载实验环境下,根据变形等效原则建立了长、短脉冲对试件损伤的作用等效性分析方法和分析模型,并通过数值计算方法验证了分析模型的可靠性。模型计算结果显示,峰值vc与上升沿时间trise满足关系式vc=y0+A0exp(R0trise)的梯形速度脉冲及峰值νb与脉宽νt满足关系式vb=vt{y0+A1exp[vt/(2t1)]+A2exp[et/(2t2)]}/(20π)的正弦速度脉冲对理想刚塑性试件的损伤均具有作用等效性。针对多脉冲加载下试件的累积损伤问题,采用多次冲击所形成的非连续多脉冲过载环境来实现纯铅试件的多脉冲加载,获得非连续多脉冲加载下试件的损伤变化规律。结果表明,试件的相对长度变化率随加载次数的增加呈指数函数的形式逐渐减小。基于自由式霍普金森压杆过载实验方法,根据变形等效原则,建立了单脉冲与多脉冲、多脉冲与多脉冲对试件损伤的作用等效性分析方法和分析模型。研究表明,单速度脉冲ν0(t)与多速度脉冲组vt(t)、v2(t)、……、vn(t)对试件的损伤具有作用等效性的条件为由上述速度微分求得的单加速度脉冲与多加速度脉冲组对试件的损伤也具有作用等效性。根据变形等效原则,采用铜柱或纯铅试件的长度变化率为等效损伤量,研究自由式霍普金森压杆技术、分离式霍普金森压杆技术、空气炮实验技术和实弹过载实验技术之间对试件损伤的作用等效性关系,获得了速度等效关系和加速度等效关系。结果显示,SHPB实验与空气炮实验的加速度等效关系为αSHPB=0.7392αairgun+0.2446；FHPB实验与空气炮实验的加速度等效关系为αairgun=0.143αFHPB+0.2656；实弹过载环境下150000g加速度对应空气炮实验下80000g加速度。通过比较四种过载实验方法在试件的受载环境、受载边界条件、损伤机理和过载评价指标四个方面的异同,分析发现空气炮实验装置比自由式和分离式霍普金森压杆过载实验装置能更好地模拟火工品在实弹实验中的过载环境。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TJ450.6

【参考文献】