爆炸成型弹丸侵彻不同材料靶板后效破片特性试验研究

为研究靶板材料性能对爆炸成型弹丸(Explosively Formed Projectile,EFP)侵彻靶后破片特性的影响,开展EFP侵彻不同材料靶板(Q235钢、45号钢、装甲钢、2A12铝)后效破片特性试验,采用X光摄影方法观测靶后破片云形态及膨胀尺寸,通过布置多层纤维板获得破片散布特性,并对靶后破片进行回收。研究结果表明:在靶板密度一定的情况下,靶板强度主要影响破片云轴向膨胀能力,对径向膨胀能力影响很小;靶后破片环形毁伤区的飞散角位于20°~25°范围内差别不大,但是靶板背面出口崩落会造成靶后破片飞散角出现极大值,随着钢靶强度的增大,靶后破片径向散布增强,破片总数减小,但是大质量段钢破片数量增多;不同强度钢靶产生的钢破片平均尺寸满足Kipp等提出的基于材料流动应力的碎片尺寸模型。

周向六线起爆下杀伤战斗部的破片飞散特性

为简化起爆结构,提高引战系统可靠性,采用定向战斗部已有的周向六线起爆方式替代中心起爆,基于流体动力学理论对周向六线起爆下爆轰波的碰撞进行了理论分析,采用LS-DYNA进行了数值计算,并开展了战斗部样弹静爆试验。结果表明,相较于中心起爆,周向六线起爆条件下破片加速历程与其所在周向位置存在关联,并出现二次加速现象;在相邻起爆点对称面附近产生马赫爆轰波,局部压力可达44.2GPa,并在战斗部中心汇聚,中心处压力可达100GPa以上;轴向多点起爆改善了端面稀疏波的影响,破片速度得到提升,轴向破片速度一致性明显提高;破片飞散初速数值计算与试验结果误差在8.1%以内,不同区域破片初速增益可达4.6%~9.9%。表明周向六线起爆模式是替代定向杀伤战斗部中心起爆模式的有效途径。

锥形头战斗部动态爆炸破片载荷特性分析

为探究锥形头战斗部在不同运动速度下破片的载荷特性,采用SPH仿真方法模拟锥形头战斗部壳体膨胀形成破片的过程和破片载荷特性,并与静爆试验结果对比,验证数值仿真模拟的准确性,研究锥形头战斗部不同运动速度对破片载荷特性的影响。结果表明,战斗部首端部由于截锥面的存在,提高了端部的破片分布区域,增加了战斗部破片的打击范围;战斗部壳体形成的破片初速度沿战斗部轴向呈现明显的阶梯形分布,基于此破片速度可分为四个区域:截锥壳体部、圆柱壳体中前部、圆柱壳体中部和圆柱壳体中后部;动爆条件下,随着战斗部运动速度的增加,尾端部壳体形成的破片初速度呈现出先减小后增大的不规则“V”形,破片飞散角受战斗部运动速度的影响较小,破片飞散方位角沿着战斗部运动方向移动。

线列式破片战斗部对导弹目标毁伤效能分析

为探究线列式破片战斗部对导弹目标的毁伤效能,通过数值计算方法,研究了线列式战斗部破片排布方式及炸药材料类型对破片威力场分布特性的影响规律,分析了不同着靶姿态对破片侵彻导弹舱段等效靶板的影响,得到破片侵彻不同厚度靶板的极限速度;对导弹目标整体及各舱段毁伤程度进行定义,并对不同弹目交会条件下线列式战斗部对导弹目标的毁伤效能进行了研究。结果表明:弹目交会时,战斗部俯仰角的变化主要影响破片场命中导弹时的轴向位置;战斗部偏航角的变化会影响破片聚焦带的方向;弹目距离主要影响导弹目标附近的破片密度。

球形破片侵彻弹道明胶实验研究

为研究破片对人体的力学损伤机理,采用弹道明胶作为人体软组织替代物,开展了球形破片侵彻明胶实验研究。球形破片驱动装置为57/10二级轻气炮,利用超高速摄像机记录了Φ4 mm、Φ5 mm、Φ6 mm球形钢质破片,以600~1150 m/s速度侵彻明胶过程,并采用图像处理方式获取了明胶瞬时空腔数据。实验结果表明:瞬时空腔直径随着时间推移形成两个膨缩阶段,呈现周期性变化规律;基于实测球形破片速度-位移衰减关系,定量描述了3种直径球形破片侵彻明胶的运动规律;根据球形钢质破片的存速系数比29.90 mm^(-1),可快速预测该类破片侵彻弹道明胶过程中侵彻深度与侵彻速度之间的关系。研究结果可为深入分析生物致伤机理提供参考。

轴向预制破片战斗部飞散特性数值模拟

为分析轴向预制破片战斗部的飞散特性,利用LS-DYNA软件模拟轴向预制破片战斗部中心单点起爆方式和多点起爆方式下破片速度及飞散角特征参数并进行试验验证,得到了中心单点起爆和多点起爆方式对破片速度及飞散角特征参数的影响规律。研究表明:相较于中心单点起爆方式,多点起爆方式可以提升轴向预制破片速度,且随着起爆点数增加,破片速度先增加后趋于稳定,起爆点数从2点增加到6点,破片初速提升了21.1%,当起爆点数继续增加,则破片速度不再增益,而起爆点数对飞散角影响较小。

反应破片对带壳装药的冲击效应

为了研究反应破片对带壳装药的冲击毁伤效应,通过弹道实验和AUTODYN有限元仿真,结合由等效破片初速和等效格尼速度表征的带壳装药各失效等级判据,获得并对比了惰性破片和反应破片冲击下带壳装药的等效破片初速、等效格尼速度、带壳装药的反应持续时间、鉴证靶破坏情况和炸药层峰值压力,分析了反应破片靶后释能特点对带壳装药失效的影响。结果表明:惰性破片可使带壳装药发生正常爆轰失效;反应破片穿靶后的动能与化学能叠加效应弱,只能使带壳装药发生爆燃失效或爆炸失效,带壳装药的等效格尼速度与格尼速度的比为0.014~0.233,炸药层峰值压力为1.04~3.62 GPa。

多破片冲击引爆屏蔽装药增强效应机理研究

为揭示多破片耦合冲击作用下屏蔽装药的引爆增强效应及机理,基于非均质炸药冲击引爆机理,建立了单破片、双破片同时、双破片时序冲击引爆屏蔽装药的理论模型.结合有限元仿真,获得了破片数量、破片间距、破片作用时序对屏蔽装药冲击引爆效应的影响规律,揭示了多破片耦合引爆增强机理.结果表明:随破片数量增加,破片撞击产生的冲击波叠加效应使引爆阈值速度指数式降低;破片横向间距增加,冲击波衰减导致叠加程度降低,引爆阈值速度上升并趋近于单破片引爆阈值速度;双破片作用屏蔽装药时序不同,炸药初始爆轰波由于固体波前/波后介质状态不同偏离轴线.

爆炸驱动下独立结构破片初速分析

为预估独立结构破片受爆炸驱动下的初速特性,采用数值模拟方法得到不同驱动速度所需的装药量,并开展静爆试验。基于数值模拟方法构建了独立结构破片初速和相同装药载荷系数条件下Gurney速度间的函数关系,比较了装药高度和装药面积对破片初速的影响规律,独立结构破片速度约为对应Gurney速度的14%~18%;相同装药量条件下,增加装药面积较增加装药高度对破片初速的提升幅度可达28%以上。试验结果表明:数值模拟与试验测试结果吻合较好,最大误差在3.8%以内。研究结果可为独立结构破片初速和装药量设计提供参考。

战斗部破片光电测速系统设计

战斗部破片的飞行速度是体现其性能指标的重要参数;针对目前在战斗部破片速度参数测试中存在对测试环境要求高,测试面积小,设备结构易被破片误击而损坏,成本昂贵等问题,设计了非接触式战斗部破片光电测速系统,包含原向反射膜、反射式光电探测装置、光电转换电路、信号处理电路及测速装置;阐述了系统结构组成和测速原理,通过反射式光电探测装置与光电转换电路,将得到的光信号转换为电信号,利用集成信号处理电路对电信号滤波放大,比较整形处理,由FPGA,STM32及其他外设组成的测速装置自动处理数据输出并显示战斗部破片的飞行速度结果;实验结果表明:该系统能够可靠,稳定地完成战斗部破片速度的测量任务;与传统测速系统相比,具有不受限于环境,测试区域大,易维护,低成本,操作简单等优势。

圆柱装药战斗部爆炸破片分布特性数值模拟分析

[目的]旨在探讨圆柱体战斗部爆炸破片的分布及威力场特性。[方法]利用ANASYS/AUTODYN有限元分析软件建立圆柱装药战斗部数值的光滑粒子动力学(SPH)分析模型,基于对SPH粒子尺寸的收敛性分析,以及对MOTT破片分布模型有效性的验证分析,开展引爆方式、引爆位置、装药长径比以及装药量等关键因素对爆炸破片分布特性以及威力场特性的影响规律研究。[结果]结果显示:引爆位置和引爆方式主要对圆柱装药战斗部两端破片的速度分布有明显影响;在装药质量不变的情况下,装药长径比在点引爆条件下会对远端破片速度产生较为有限的影响,但对破片质量分布的影响比较显著;在相同装药长径比情况下,破片速度会随装药量的增加而明显增加,但是该速度增量的提升幅度会随着装药质量逐渐降低。[结论]所做研究可为战斗部设计以及舰船抗冲击防护结构设计提供重要参考。

某舰炮破片弹丸对反舰导弹毁伤的数值模拟

为研究舰炮破片弹丸对空中运动反舰导弹的毁伤规律,采用有限元软件建立破片弹丸毁伤反舰导弹的数值模型,在动态爆轰过程分析弹丸速度对破片生成规律的影响,在毁伤过程探讨破片群冲击反舰导弹的特征。结果表明,与静态爆轰相比,动态爆轰破片呈喷射状散布;随着弹丸速度的衰减,生成破片的速度明显下降,但破片群受炸药驱动的速度增量却逐渐增大;同时,不同速度弹丸的破片速度曲线均呈快速上升至波动上升至趋于稳定的趋势,但快速上升段受弹丸速度的影响不同;破片群的毁伤形式主要有贯穿、侵彻随行、切割跳飞以及未相遇4种情况,在1/4弹丸中,贯穿破片占比5.5%,有效破片占比38%。

便携超声辅助高速破片致肝脏穿透伤动物模型的建立及评价

目的采用便携超声辅助定位建立高速破片致肝脏穿透伤动物模型,并即刻评价建模的可行性。材料与方法使用便携超声辅助,对10只长白猪的呼气末肝脏下缘和吸气末右侧胸腔下缘行体表定位,描记瞄准线,确定瞄准点及投射方向,通过实验用弹道枪投射高速(速度约627 m/s)破片模拟弹致肝脏穿透伤。射击前15 min和射击后20 min记录血压、心率、呼吸频率、脉搏血氧饱和度等生理学指标。致伤后20 min,超声检查肝脏有无损伤及损伤程度,致伤后现场使用便携超声观察肝脏致伤及腹腔积液情况,记录肝脏创伤灶大小、肝脏损伤分级和腹腔积液部位及最大深度,并与大体病理结果进行比较,评估肝损伤程度。结果10只实验猪中,9只均成功造成肝穿透伤,破片致肝脏穿透伤成功率占90%(9/10),合并腹腔其他脏器损伤占22.22%(2/9),膈肌穿透伤占22.22%(2/9),均未造成明显血气胸。致伤后,实验猪的收缩压、舒张压、脉搏血氧饱和度降低[(132.44±12.65)mmHg比(103.33±33.43)mmHg,(96.44±12.27)mmHg比(70.89±24.21)mmHg,(89.44±8.49)%比(76.00±13.41)%;t=2.440、2.651、4.084,均P<0.05],心率增快[(94.00±17.39)次/min比(139.89±37.21)次/min;t=3.534,P<0.05]。致伤后20 min便携式超声检查,所有肝脏损伤表现为片状不均匀稍强回声区,边界较清楚,形态不规则,局部肝包膜连续性中断;其中8只实验猪呈现腹腔积液,最大深度(4.16±1.35)cm。动物处死后大体病理参考美国创伤外科学会肝损伤分级,显示II级6只、III级3只。超声测量短径与病理实质裂伤深度呈正相关(r=0.945,P<0.001);肝创伤的超声美国创伤外科学会分级与大体标本比较,符合率为88.89%(8/9)。结论便携超声辅助高速破片致伤实验猪肝脏建模准确、稳定性好,并可实时有效评估肝脏穿透伤模型伤情况,为肝脏火器伤的救治研究提供实验依据。

回火温度对50SiMnVB钢壳体形成破片性能的影响

为了获得不同回火温度条件对壳体形成破片性能的影响规律,选取3种回火温度下的50Si Mn VB钢作为壳体材料,通过破片初速测定试验与水井静爆破片回收试验研究了50Si Mn VB钢壳体形成破片的速度及质量分布等性能,并应用AUTODYN-3D有限元软件仿真研究了50Si Mn VB钢壳体膨胀破碎形成破片的过程及破片速度、质量变化规律。研究结果表明,随着回火温度的不断升高,50Si Mn VB钢壳体的破碎程度随之降低,形成破片的总数逐渐减少,但质量在1.0 g以上的有效破片数目逐渐增加,相对提高了77.4%,而不同回火温度条件对50Si Mn VB钢壳体形成破片初速影响不大。

射击迹线技术在战斗部破片场仿真中的应用

为模拟战斗部破片的宏观可控性和微观随机性 ,建立了描述广义杀伤战斗部起爆及破片飞散的射击迹线仿真模型 ( Shot-line model) ,应用于几种典型的破片战斗部中 ,并通过视境仿真技术生成各破片场仿真场景。该模型将为战斗部设计、威力评定。

增材制造316L不锈钢球形破片的弹道性能

为探索增材制造316L不锈钢球形破片的弹道性能,采用选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术制造316L不锈钢材料毛坯,通过机加工、抛光等操作得到了直径12 mm的增材制造316L不锈钢球形破片。开展打印态316L不锈钢材料的显微计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)和静动态力学试验研究,获得了打印态316L不锈钢在材料沉积方向的Johnson-Cook(JC)模型参数,进行了增材制造和传统冷轧工艺制造的316L不锈钢球形破片侵彻6 mm厚Q235钢靶的弹道试验。研究结果表明:增材制造球形破片的弹道极限速度比传统冷轧制造破片低2.5%左右,弹道性能有小幅提升,暗示了增材制造工艺用于制造战斗部预制破片的潜力;开展的数值仿真研究获得了与试验结果一致的剪切冲塞穿靶机理,仿真与试验穿靶速度数据比较吻合,弹道极限速度误差仅为1.4%左右,仿真结果也表明JC模型用于描述增材制造316L不锈钢材料穿靶行为的可行性。

典型破片质量对弹丸威力影响及控制方法研究

弹体破碎性试验是考核破片数质量分布情况、计算典型破片质量、评价弹药威力的一项重要试验项目,典型破片质量直接影响着破片初速、破片速度衰减系数、杀伤面积等。目前靶场破碎性试验数据处理方法主要依据GJB3197—炮弹试验方法进行,典型破片的质量为破碎率曲线插值计算结果,存在一定的误差。针对当前典型破片处理方法存在的问题,提出了一种易行的破碎性试验结果处理方法,即增加典型质量分级区间的方法。经检验证明该方法优于目前的处理方法,典型破片的质量更加接近于实际称量质量。

一种高速破片加载装置设计与实验研究

设计一种破片高速加载装置,通过延长身管长度、加大药室装药量提高破片速度;提出采用模拟破片考核破片高速加载装置,组建了模拟破片速度测量系统,针对3种破片工况分别展开了速度测试实验。结果表明:该装置可以将15 g破片加载到2164 m/s,且破片速度稳定,可以满足靶场测试需求,验证了该装置的有效性和实用性。

破片杀伤战斗部空爆状态下车顶夹芯板防护性能分析与优化设计

在现代战争中,为实现远程精确打击,众多破片杀伤战斗部选择车辆顶部作为首选攻击位置,而目前国内外关于冲击波和破片联合作用下车辆顶部防护的研究基本没有。为提高特种车辆顶部防护性能并实现结构轻量化设计,通过北约一级替代装药爆炸试验和破片飞散理论计算,验证了数值模拟的有效性和准确性。根据LS-DYNA软件分析结果数据和破片外弹道方程,采用Python软件等编写用于分析不同起爆高度下破片落点分布的解算处理程序。设计一种I-Y型夹芯板,并与另外5种不同结构夹芯板的防护性能进行综合比较,证明了该型板的优越性。进而以质量损失、能量吸收、背板峰值位移及破片速度分布为评价标准,研究炸药起爆方式、炸药相对位置、面板和背板厚度、夹芯层结构参数对I-Y型板防护性能的影响。选择面板厚度、背板厚度、夹芯层高度和胞元宽度为设计变量,以背板峰值位移和夹芯板质量为优化目标,用最优拉丁超立方试验方法进行采样,采用Kriging法构建代理模型,用非支配排序遗传算法进行多目标优化求解,并对最优解进行仿真验证,为冲击波和破片联合作用下车顶防护结构优化设计提供了支持。

Zr基非晶破片对碳纤维复合靶及后效铝靶的侵彻试验研究

Zr基非晶破片是一种新兴的活性高效毁伤元,其着靶速度达到一定阈值时会发生燃烧反应并破碎,从而大幅提高其后效毁伤能力。为研究Zr基非晶破片对碳纤维增强复合材料的侵彻破坏机理及后效毁伤能力,利用弹道枪加载球形破片,分别以496.4~1 085.8 m/s、571.4~1 103.9 m/s的速度范围撞击8和6 mm厚的碳纤维复合靶,并布置2 mm厚LY12铝靶板作为后效靶,以比较破片在不同工况下的后效毁伤能力。实验结果表明:碳纤维靶受活性破片冲击时,其迎弹面的破坏形式主要是压缩失效与剪切失效的耦合破坏,其背弹面的破坏形式主要是拉伸失效破坏与层间的脱粘分裂;随着破片着靶速度的提高,碳纤维靶板的压剪耦合破坏比例逐渐增加,拉伸断裂与分层现象逐渐减弱;破片对于8和6 mm厚碳纤维靶的弹道极限速度分别为351.9、264.6 m/s;相同着靶速度下,8 mm厚碳纤维靶的后效毁伤面积大于6 mm厚碳纤维靶的后效毁伤面积,两者之间的差异随着着靶速度的提高而逐渐减小;破片冲击等厚度碳纤维靶时,破片的后效毁伤能力随着靶速度的提高而增强。