增材制造技术在兵器工业应用前景分析

目前,增材制造技术在复杂构件制造中的应用已经由研发阶段向工程化应用阶段迈进。本文分析了增材制造技术在国外国防工业的应用现状,并探讨了增材制造技术在兵器工业的应用前景,增材制造技术可用于产品创新设计和模具快速制造、复杂构件直接整体成形和零件快速修复等方面。另外,我国兵器工业可优先发展高温合金、铝合金材料及涡轮类、薄壁壳体类、光电器件等复杂构件的增材制造技术。

下肢战伤康复轮足外骨骼设计与步态试验

针对脑部和脊柱战伤士兵的术后康复训练、战时转移、生活代步需求,设计了一种下肢战伤康复轮足外骨骼,通过共用结构和驱动系统进行不同的组装来实现不同工作模式,提高装备的集成度和减轻整体质量;建立轮足外骨骼单腿摆动期的二连杆模型并推导其动力学模型;利用动力学模型和轮足外骨骼的虚拟样机模型分别获得髋、膝关节的理论计算和虚拟仿真力矩;建立基于位置阻抗的轮足外骨骼主动康复训练控制策略,搭建轮足外骨骼实物样机,获得样机的关节运动轨迹与人机交互力。理论计算、虚拟仿真及摆动腿试验测试3种方法的关节力矩曲线走势基本一致,说明理论计算和虚拟仿真模型的正确性;基于步态试验所获得的数据表明其轨迹误差和交互力均较小,满足设计要求,验证了轮足外骨骼设计的合理性与可行性。

发射药燃气对身管材料的烧蚀速率的计算模型

为构建贴合实际需求的发射药烧蚀性能评价体系,设计半密闭爆发器烧蚀管实验,根据烧蚀管的几何尺寸及实验测量p-t曲线,建立了二维非稳态流动与传热模型,通过烧蚀管壁温的时空分布建立了烧蚀速率模型参数与烧蚀总量的关系。将半密闭爆发器烧蚀管实验的烧蚀量作为基准,采用粒子群算法对烧蚀速率模型参数进行了优化计算。结果表明:随着发射药燃气对烧蚀管冲刷时间增加,燃气与烧蚀管间的流固耦合界面温度有所降低,烧蚀管截面熔融深度的增速减缓;烧蚀管材料为45#钢,发射药为典型双基药(双芳-3)时,优化得到烧蚀速率的指前因子和表观活化能分别为0.3403 s^(-1)和134.6 kJ·mol^(-1),此时损失函数值仅为3.0×10^(-6),可推广应用于身管武器平台的烧蚀状态计算。

双反射与透射结合的激光引信扫描系统

针对激光引信周向扫描系统光束发散角大且存在扫描盲区的问题,设计了一种基于双反射与透射结合的激光引信扫描系统。阐述了系统结构尺寸的约束并通过光线追踪分别对系统扫描过程中光束发散角和扫描角度进行了仿真,并研究了超环面和六棱台镜面的面型参数调整与光束发散角、扫描角度之间的影响。仿真结果表明:通过控制光阑位置可以实现单窗口的扫描角度达61°,六窗口组合可实现无盲区扫描;通过调整反射面参数来矫正透射场曲可实现全扫描角度光束最大发散角为0.034°;扫描路线会出现波浪式起伏,需要进一步匹配收发视场实现远距离无盲区扫描。该系统为激光引信远距离周向探测提供了技术支撑。

高速旋转弹丸引信全链路环境信息测试方法

针对弹-引-机构弹道环境信息及响应传递规律不明确的问题,提出一种高速旋转弹丸引信全链路环境信息测试方法。在弹体头部和尾部分别安装测试系统,测量在弹丸发射和飞行过程中弹体、引信、引信机构形成的全链路弹道环境。炮射试验证明,膛内阶段弹体过载通过螺纹传递到引信体,过载峰值增大16.45%。在出炮口半约束期阶段引信径向过载比膛内过载分别增大8.1倍、2.8倍,引信机构过载以低频分量为主,含有少量频率为262.5 Hz的信号,周期约4 ms。

复杂地物背景角域后向散射分布特性研究

针对采用平均后向散射系数进行对地空炸毫米波引信回波仿真时,因照射区域内入射角度散布较大造成仿真精度不足的问题,对复杂地物背景后向散射特性测试的远场条件进行了讨论,修正了复杂地物背景毫米波近场测试远场条件表达式,提出一种针对引信对地探测的复杂地物背景角域后向散射分布建模方法,构建基于实测数据优化的土耕地、水泥地等背景角域后向散射场,分析其对引信探测响应回波的影响。仿真结果表明,接近垂直入射情况下与传统乌拉比模型比较一致性较好,接近水平入射情况下比乌拉比模型后向散射系数小2~4 dB。利用该引信回波算法提高了毫米波引信探测仿真精度,可为对地空炸毫米波引信探测器设计提供数据支撑。

一种新型尼龙电梯绳轮的优化设计研究

为解决电梯绳轮中传统材料重量大、磨损率高、噪声大的问题,探究新材料在电梯中应用初期的安全性与成本,提出一种新型MC尼龙电梯绳轮结构,采用SOLIDWORKS软件完成三维模型的构建,采用Simulation模块完成各典型工况下的最大应力和位移分析、安全因数计算,采用设计算例模块进行轻量化优化设计。研究结果表明:新型MC尼龙电梯绳轮结构设计合理可靠,在额定载荷下可长期工作;可通过尺寸优化设计进一步减重,降低生产成本,提高市场竞争力;可将新材料应用于电梯绳轮,为新材料在电梯中的应用提供指导。

考虑作战行动的单兵系统体系贡献率评估

针对单兵系统体系贡献率评估过程中存在的未考虑作战任务及评估信息不确定性等问题,提出了基于作战行动的两级证据推理评估方法,从基于能力需求的视角进行作战任务分解和能力分析,建立了作战能力需求指标体系;建立两级置信规则库,构建作战活动与能力需求的映射矩阵,采用证据推理进行能力满足度、作战任务完成率的计算,获得了单兵系统的体系贡献率,最后基于城市作战战场想定,给出了分析实例。基于作战行动的两级证据推理评估方法,对于单兵系统体系贡献率评估具有针对性和有效性,也为装备体系贡献率评估提供了一种新思路。

大数据技术在引信性能评估中的应用

针对弹药引信在实战环境下考核数据缺失,现有数据平台无法满足引信评估数据分析需求,直接影响其考核评估的充分性和完备性,提出大数据技术在引信性能评估中的应用。将大数据技术应用于引信实战化考核评估领域,建立引信性能评估大数据分析平台,对引信考核数据进行规范管理和统计模型构建,并采用智能算法,对获取的数据进行关联分析与模型验证,为未来数据的积累与价值挖掘提供先决条件,为引信性能评估试验检验系统的构建提供新的方向。

引信用非制冷快响应长波红外敏感技术

为了解决引信近场探测对非制冷快响应长波红外敏感技术的需求,开展光子型材料在长波红外敏感技术方面的应用研究。采用熔体外延技术生长出的铟砷锑厚膜单晶通过工艺制备,形成一种可在非制冷条件下截止波长延伸到11μm的光子型红外探测器。通过对器件的性能测试及末敏弹扫描平台的应用表明,该器件在响应波段和响应时间两方面可有效提升红外引信的探测能力。

一种基于柔性材料的可穿戴式天线设计

针对传统杆状天线在现代化战争应用场景中存在的带宽窄、质地硬以及隐蔽性与便携性较差等问题,提出了一种基于柔性介质材料的可穿戴式天线,该天线采用平面单极子天线的形式,极大地降低天线的剖面。借助电磁仿真软件CST Studio Suite 2023进行仿真分析,该天线尺寸为270 mm×270 mm×1.1 mm,重量仅有120 g,包含0.37~1.8 GHz的实测宽带频段,在人体加载影响下,实测频段范围超过0.3~1.8 GHz。给出了反射系数S_(11)、辐射方向图的结果,分析了人体对天线的影响,结合通信电台开展实物对比测试。仿真与实测表明,可穿戴式天线在士兵手持电台中具有一定的应用前景。

高速物体撞击过程理论研究

基于现有高速运动物体模型的研究现状,以分析高速物体撞击目标物这一过程为目的,建立了适用于撞击过程的地面坐标系、撞击物坐标系以及撞击物速度坐标系,并推演了相关坐标系之间的转换关系。以此为基础,基于撞击作用原理建立了撞击过程的理论模型。模拟计算了撞击物形状、撞击角度以及目标物厚度等条件的变化对撞击效果的影响。经理论计算得到了在撞击过程中,撞击角度越贴近正面,击穿效果越好,难度越小;目标物的厚度越大,击穿难度越高的结论。为高速物体击穿损伤过程的研究提供了理论依据。

多孔结构对冲击波的衰减影响研究

多孔结构因具有低密度、高比强度和高比刚度等优异性能,被广泛应用于各个工程领域,特别是在抵抗冲击载荷方面具有良好的能量吸收能力。采用有限元软件,建立了不同孔隙率和不同孔径的多孔结构模型,分别对其在相同冲击波作用下的动态响应进行了数值模拟,分析了多孔结构的几何参数(不同孔隙率、不同孔径)对冲击波衰减的影响规律。结果表明,多孔结构可以有效地衰减冲击波的峰值压力和总能量,适当增加孔径和增大孔隙率能够提高其能量吸收能力。该研究为多孔结构的设计和应用提供了一定的参考。

一种V波段涡旋电磁波反射阵天线

为了满足无线电近感探测需求,提出一种基于反射型超表面的V波段涡旋电磁波产生方法,设计了一款具有正馈结构的涡旋电磁波反射阵天线,馈源采用标准增益喇叭天线。提出的新型线极化超表面单元为双层结构,两层方形贴片分别印刷在两个介质板的上层,金属地板印刷在下层介质板的底层。仿真结果表明,在60 GHz频点得到的电场相位在正方形相位参考面上具有清晰的+1模态涡旋相位分布特征,且中心存在相位奇点。对实物样机的实验室测试结果表明,天线近场辐射波以及天线照射钢板后反射波的电场相位同样具有涡旋相位分布特征。

基于数字射频存储平台的调频毫米波引信自动测试系统

针对调频毫米波引信测试启动性能过程中利用传统推板、拉距和滑弹试验存在交会速度低、测试效率不高且偏差较大的问题,提出基于数字射频存储平台构建调频毫米波引信自动测试系统替代传统测试手段完成引信电性能测试。该系统运用数字射频存储技术、自动控制技术和专用控制软件,实现调频毫米波引信电性能的自动化测试。实验结果表明,该系统能够在模拟引信真实交会速度下测试引信电性能,提高调频毫米波引信测试效率,减少试验过程中外部环境影响,提升调频毫米波引信的可靠性和工艺稳定性。

三角波调频引信定距精度锁相优化方法

针对传统调频引信在不同环境温度下由于调频带宽和调频线性度变化影响定距精度的问题,提出采用锁相方法产生三角波调频信号提高引信定距精度。该方法基于具有快速波形产生功能的小数分频频率合成器,通过对反馈频率与参考频率进行鉴相、锁相,产生调制三角波,经滤波平滑后调谐VCO输出锁相三角波调频信号。试验结果表明,在不同环境温度下,锁相三角波调频引信调频带宽变化远小于传统三角波调频引信,调频线性度优于传统三角波调频引信,由调频带宽变化和调频非线性带来的定距精度误差可以忽略不计,锁相调频可以降低引信定距误差。

基于改进势场法的多无人机避碰控制方法

针对多架无人机飞行过程中机间避碰及规避障碍物的问题,提出了基于改进势场法的多无人机避碰控制方法。该方法首先建立无人机机间避碰势场模型,在控制律中引入虚拟力和一致性控制策略,以解决松散队形约束的无人机机间避碰问题;然后采用基于旋转势场法的避障方法,设计了多机协同整体规避策略,利用基于虚拟力的路径跟踪策略来跟踪航线。仿真结果表明,所提方法能使多架无人机有效避碰和规避障碍物,并回到预规划航线上。

大型舰船补给环境下引信意外跌落冲击响应特性

为了研究舰船在吊装补给转运中全包装引信弹药意外跌落的响应特性问题,通过ANSYS/LS-DYNA软件建立引信弹药包装箱动力学仿真模型,开展了典型跌落环境下引信冲击响应特性分析,获取了引信及安全与解除隔离装置在不同跌落环境下的响应特征规律。搭建了引信包装箱跌落测试环境,测定了典型跌落工况下引信过载数据,验证了引信包装箱动力学仿真模型的准确性。试验验证结果表明引信及包装箱在3 m、12 m水平跌落工况下,仿真与试验过载误差为14.4%、12.0%,脉宽误差分别为2.0%、9.4%。通过进一步仿真计算发现,大高度、垂直,跌落地面为921A舰船甲板的工况下引信安全与解除隔离装置过载峰值最大。不同跌落地面材料下的引信的跌落过载响应大小顺序为:舰船甲板材料921A钢>45号钢板>混凝土。引信的过载响应值随其跌落高度增加迅速增加。引信的安全与解除隔离装置过载响应值随其跌落角度增加先减后增。

消除温度因素的微小型锂原电池结构优化设计方法

针对军用微小型锂原电池激光焊接密封方式造成锂原电池电性能下降的问题,提出消除温度因素的锂原电池结构优化设计方法。该优化方法通过常温下机械密封收口加涂胶的方式替代高温焊接,消除温度因素对于电解液的影响,利用“迷宫”式密封通道来保证电池密封性,实现了微小型锂原电池结构优化。测试结果表明,消除温度因素的微小型锂原电池在高过载、高旋转、宽温域条件下的电性能输出稳定,满足苛刻环境下使用要求。

模块化组合构建滤波舱体改进引信电磁兼容性的方法

针对制导火箭弹近炸引信中,由于空间结构和重量的限制无法提供额外的独立屏蔽空间来处理输入电源的注入干扰问题,提出模块化组合构建滤波舱体改进引信电磁兼容性的方法。该方法借鉴模块化组合设计的理念,充分利用现有结构的机械零部件,通过机械结构的巧妙组合实现了输入电源的屏蔽舱体的设计,在此基础上采用浮地和滤波设计,实现了制导火箭弹近炸引信滤波舱体的构建。仿真结果表明,进行模块化组合滤波舱体构建后引信电路上的电场强度最大值由0.244 6 V/m降低到了0.153 7 V/m,电场强度降低了37.16%,同时电场强度最大值也由电路板中心位置转移到了引信壳体内壁。表明模块化组合构建的制导火箭弹近炸引信滤波舱体,在提高引信电磁兼容性能方面效果显著。