高速弹体对钢筋混凝土靶的侵彻/贯穿效应实验研究

为了研究高速弹体对钢筋混凝土靶的侵彻/贯穿效应,以100 mm口径滑膛炮作为发射平台,驱动10 kg级卵形弹体以820~1195 m/s速度撞击强度为31.0~43.6 MPa的钢筋混凝土靶,获得了弹体侵彻/贯穿钢筋混凝土靶的终点弹道实验数据,并对弹体的侵彻/贯穿深度、靶板侧面自由面效应、弹体的变形进行了详细分析。结果表明:弹体的侵彻/贯穿深度为2.2~2.8 m,部分经验公式预估的侵彻/贯穿深度与实验结果吻合较好;当靶面相对尺寸较小且弹速较高时,靶板侧面自由面效应比较明显;当弹速达到1195 m/s时,弹体开始由刚体向半流体转变。

焊接薄壁弹体侵彻多层钢筋混凝土靶实验研究

为研究焊接薄壁侵彻弹体的技术可行性,进行了有限元数值仿真,并参考数值仿真结果设计了一组对比实验,利用100mm口径滑膛炮作为发射平台,开展了焊接薄壁弹体侵彻多层钢筋混凝土靶实验。通过实验对比分析了4种不同焊接薄壁弹体的结构响应和靶板破坏情况,优选出了较佳的头部焊接工艺和位置,并对尾部连接方式的强度进行了考核。研究结果可为焊接薄壁弹体的结构设计提供参考。

封闭空间内水层对爆炸载荷特性影响的实验研究

采用球对称爆炸装置,在球形容器中开展了炸药与水之间有空气间隙(层)的置水爆炸实验,根据实测的激波走时、压力和冲量等数据,对容器内置水爆炸载荷形成机制进行了分析,并探讨了爆炸过程中空气间隙与爆轰产物和水之间的作用机理。结果表明:置水爆炸时容器内壁受到的载荷主要包括幅值较低的前导空气冲击波和雾状水滴的持续撞击作用,有空气间隙的置水爆炸可以降低反射压力、准静态压力和冲量,空气间隙有利于水对爆炸载荷的消减效果。

侵彻弹体慢速烤燃响应特性实验研究

为考核全尺寸侵彻弹体的慢速烤燃响应特性,利用自行研制的慢速烤燃装置开展了实验。将质量为290 kg的侵彻弹体平放在慢烤箱中以3.3℃/h的升温速率缓慢加热,实时采集弹体表面温度曲线并拍摄整个实验过程,测量距弹体质心水平7 m处的反射冲击波峰值超压。实验结果表明:全尺寸侵彻弹体在加热42 h45 min23 s、温度达到约190℃时发生燃烧,41 s后发生了更为剧烈的反应,弹体和慢烤箱被炸裂成大块破片;通过反射冲击波超压峰值反推弹体剧烈反应时对应的等效裸露装药当量为4.153 kg,远小于实际装药当量和完全爆轰时的等效裸露装药当量;从加热时间、弹体表面温度、实验现场破坏情况、反射冲击波峰值超压、反应机理等方面综合判断该侵彻弹体的慢速烤燃响应类型为燃烧转爆炸。

光敏炸药加载实验中的电磁干扰防护技术

以PVDF(polyvinylidene fluoride)压力测试系统为例,实验研究了光敏炸药加载过程中的电磁干扰特征,采取了简化测试系统、屏蔽及接地等抗干扰措施,可将电磁干扰信号到达时刻限制在10μs内,并将抗干扰措施应用于蜂窝材料防护效应实验中。实验结果表明,采取的抗干扰措施有效,在时域上能够清晰地区分电磁干扰信号与压力信号。

强脉冲载荷作用下端盖法兰结构的螺栓预紧力设计方法

为研究承受强脉冲载荷的端盖法兰结构的螺栓预紧力设计方法,利用实验室霍普金森杆平台,基于液压原理设计了一套实验装置,并结合数值模拟结果,对强脉冲载荷下端盖法兰结构的动态响应进行研究。通过研究发现:由预紧力和脉冲载荷引起的螺栓总拉伸应变随载荷峰值变化的曲线上存在最小极值点,并总结了最小极值点随载荷峰值、载荷脉宽的变化规律,为强脉冲载荷下法兰结构和预紧力设计提供了依据。

低速弹体贯穿钢筋混凝土多层靶的破坏特性

为获取大尺寸弹体对4层钢筋混凝土薄靶的贯穿破坏特性,开展了实验与仿真研究。以300 mm口径平衡炮作为发射平台,驱动280 kg截卵形弹体以337 m/s低速正贯穿4层抗压强度为41.8 MPa的钢筋混凝土薄靶,发现靶板破坏区域由锥形前坑区和后坑区组成。在此基础上建立了弹体正贯穿钢筋混凝土薄靶的破坏模型,并对破坏特性相关因素进行了分析。建立了有限元数值仿真模型,采用有限元分析软件LS-DYNA对整个贯穿过程进行了计算。将数值仿真结果与实验结果进行了对比,结果表明:速度及动能消耗最大误差分别为0.82%和6.21%,一致性较好;建立的数值仿真模型可用于弹体对多层靶侵彻能力的预估。

用于轻气炮弹速测量的新型高信噪比激光测速系统

传统激光测速系统易受高温弹前激波发光和空间电磁场的影响,从而导致系统信噪比下降。为获取高质量信号波形,设计了一种可用于轻气炮弹速测量的新型激光测速系统,并提出了激光光路和光电转换电路的改进方法。采用光纤对激光进行引导,避免长引线的使用,增强了系统抗干扰能力。选择输出功率40mW的固体激光器作为系统光源,设计了具有滤光、聚光功能的复合式激光接收探头,提高了信号光强度。详细分析了测量电路的噪声与带宽,改进和优化了光电转换电路,测量电路的信噪比提升为98dB。轻气炮弹速实际测试结果表明,使用该测速系统获得的信号波形质量良好,测速结果相对扩展不确定度为0.73%,满足轻气炮弹速测量系统需求。

爆炸载荷下飞机典型加筋结构毁伤特性

为了探讨爆炸载荷下飞机典型加筋结构的响应规律,开展了爆炸实验,获得了飞机典型结构表面的反射超压历程,加筋结构的应变、位移等结构响应数据。并结合实验结果建立了高置信度的有限元模型,研究了所选结构的变形分布规律和塑性毁伤特性。结果表明,对于本文中选取的飞机加筋结构,塑性变形除了会开始于常见的加强筋中点外,还会开始于加强筋与加强筋联结处、加强筋与外框联结处。这主要是受加筋板的双向拉伸变形和应力集中的影响。进一步总结了随冲击波正压时间增长,能够引发加筋结构塑性变形的有效冲量和反射超压峰值阈值。研究结果对飞机气动外形、抗爆能力设计具有重要意义。

聚能装药水下爆炸冲击波载荷规律

对聚能装药水下爆炸近区压力分布进行了实验研究,将其结果与数值计算结果进行比较,验证了计算模型及方法的可靠性;利用数值计算方法研究了聚能装药水下爆炸冲击波的分布规律、不同装药形式冲击波的传播以及能量的分布。结果表明:水中近场冲击波具有较强的不均匀性,侵彻体前端的水介质中有较强的压力扰动,对正向冲击波有增强作用,等压线呈不规则形状,近场冲击波阵面呈"梨形"演化。

酸性乙炔银的光起爆特性

为研究酸性乙炔银作为光敏炸药用于模拟X射线热-力学效应的可行性,开展了酸性乙炔银涂层的闪光起爆性能研究。根据酸性乙炔银的基本性能和实验测定的感度,分析其光起爆作用机制,开展了酸性乙炔银涂层的爆轰性能测试,并实现了高压脉冲闪光条件下的大面积起爆。研究结果表明:酸性乙炔银是一种相对安全的光敏感炸药,在喷涂层表面的爆轰传播速度较低,可作为低过载瞬态加载源使用;在低密度条件下,其爆炸比冲量与喷涂层的面密度近似呈线性关系。

基于波传播系数构建填实爆炸下花岗岩中运动及变形场

为利用球面波实验测得的有限个粒子速度信息来分析地下爆炸下介质的运动及变形特性,基于黏弹性球面波理论和局部黏弹性等效假设,提出了一种构建地下爆炸运动及变形场的新方法。首先,利用0.125 g TNT填实爆炸下花岗岩中相邻测点的粒子速度频谱给出相应的频谱比;其次,结合黏弹性球面波理论给出的理论频谱比求解出相邻测点之间区域内等效的球面波传播系数;再次,利用局部黏弹性等效假设给出相邻测点之间任意一点的粒子速度频谱,再通过傅里叶逆变换给出粒子速度的时域波形;最后,利用运动场和变形场的物理关系,完成整个分析区域内运动场和变形场的构建。结果表明:由相邻测点反演得到的波传播系数,可高精度地构建相应测点之间区域内介质的运动及变形场;在半径15~50 mm区域内,径向压缩应变峰值约从1.7×10^-2降为2.1×10^-3,切向拉伸应变峰值约从4.7×10^-3降为0.4×10^-3,径向压缩应变率峰值约从5.1×10^4 s^-1降为2.5×10^3 s^-1,切向拉伸应变率峰值约从5.0×10^3 s^-1降为1.4×10^2 s^-1,涵盖了高应变(率)到中低应变(率)加、卸载的全过程。

基于光子多普勒测速仪的冲量传感器

比冲量测量是脉冲辐射和爆炸与冲击实验研究中非常重要的参数测试技术。对靶托-传信杆冲量传感器的测速方式进行改进,采用光子多普勒测速仪对传信杆自由面进行连续速度测量。对一定面密度的光敏炸药在脉冲光源起爆下产生的比冲量进行了测量。实验数据表明,该冲量传感器能够较全面地反映靶托-传信杆组件在爆炸冲量作用下的运动过程。最后指出了该传感器存在的问题和进一步改进的措施。

多点同步起爆条件下环形射流成型及侵彻过程的数值模拟

运用显式动力学有限元软件LS-DYNA,对环向多点同步起爆条件下装药爆轰波的传播规律、环形药形罩在爆轰波作用下成型过程及环形射流对靶板的侵彻效应进行了数值模拟,分析了起爆点数对侵彻能力的影响。研究结果表明:环向多点同步起爆条件下,爆轰波通过相互碰撞形成统一的波浪形爆轰波前沿,爆轰波前沿到达药形罩顶端的时间沿环向并不同步,压力大小也不一致。环形射流不仅头部和尾部之间存在速度梯度,沿环向也存在一定的速度差异,难以保持形状。环形射流对靶板的破坏形式主要为塑性扩孔或塑性扩孔+剪切冲塞,形成的圆形弹孔孔径与环形药型罩对称面直径相当。环形射流的侵彻能力随起爆点数的增加而增大,当起爆点数大于10时,侵彻深度增大幅度会明显减小。

硬岩中的可重复使用抗爆洞室结构设计技术

在原岩中直接进行化爆模拟试验是研究地震耦合效应的重要方法,但存在爆心附近原岩介质状态改变或地震传播路径变化的问题,从而导致地震信号质量差、工程代价高。为此,提出了在地下洞室中构建可重复使用钢纤维混凝土衬砌结构的抗爆设计思路。采用数值模拟方法,对结构损伤破坏的高风险区域及破坏形式进行了预测;根据数值模拟结果,制定了针对性结构设计方案。在设计建设的密闭设施内重复开展了数百公斤级TNT当量化爆试验,通过爆后壁面破损情况对比、钻孔取样与钻孔摄像观测,证实多次爆炸未对衬砌与原岩界面产生明显影响;相似事件在同一台站的地震信号表现出了较高稳定性和重复性,证明该抗爆结构达到了预期设计目标。该工作可为类似抗爆设施建设提供工程实例与技术参考。

基于双光源干涉的PDV数据补偿方法

针对结构动态响应测试中的大量程负向速度测量问题,设计了基于双光源干涉的光纤速度干涉仪(PDV)测试系统,与单光源PDV系统相比,大幅拓宽了负向测速范围。但在爆炸实验中发现,由于光源波长波动产生了位移基线漂移和振荡问题。为此,引入一路参考反射镜,产生双光源干涉本底信号,用于补偿位移基线,并研究了数据补偿算法。经实验验证,补偿后的位移基线漂移量为微米级,双光源模式及补偿方法可行且有效。

激光辐照带壳炸药热点火数值计算模型

为优化激光辐照带壳炸药热点火实验设计,探索点火规律,结合激光辐照带壳炸药PBXN-109热点火实验,建立了非线性热传导有限元模型。在分析炸药热响应及金属-炸药接触热阻对热点火过程影响规律的基础上,提出了金属-激光能量耦合系数及金属-炸药接触热阻的确定方法。结果表明:炸药热响应及金属-炸药接触热阻对炸药层温度影响较大,对金属层温度几乎没有影响。在此基础上,结合实测数据,用试错法给出了金属-激光能量耦合系数和金属-炸药接触热阻的取值,建立了激光辐照带壳炸药数值计算模型。

黄土和砂土岩中填实爆炸辐射弹性波的对比研究

研究地下爆炸弹性区的震动特性,关键是获得场地介质与爆炸能量耦合作用下辐射弹性波的实验参数。对于不易加工成大尺寸模型的砂土岩,为研究其填实爆炸下辐射弹性波的特征,采用0.125 g TNT微型炸药球作为爆炸源,以塑性区可置换的?1 370 mm×1 200 mm黄土样品作为提供应力波传播路径的载体,用波阻抗近似相等的重塑黄土和砂土岩样品分别作为源区介质,对比分析了两种介质中微药量填实爆炸辐射的弹性波传播特征。实验结果表明:在测试范围内,两种介质中填实爆炸激发的弹性应力波粒子速度(位移)峰值的衰减规律、波形的主频变化规律一致;砂土岩中爆炸辐射的弹性波粒子速度(位移)峰值整体高于黄土、粒子速度波形的半高宽和主频低于黄土;砂土岩中爆炸耦合的向外传播的弹性波能量比黄土大。实测结果反映,黄土和砂土岩中填实爆炸弹性波能量耦合强度的差别。

内部爆炸作用下的花岗岩地下洞室损伤机理

采用显式动力分析软件LS-DYNA,对内部近距离化爆作用下花岗岩洞室的损伤破坏过程进行了数值模拟,考虑了炸药-空气-结构之间的流固耦合作用以及花岗岩材料本构模型的高应变率、高静水压和损伤效应。结果表明,在内部近距离爆炸冲击作用下,该洞室围岩损伤具有时空特征与结构层次特征:首先,爆心截面附近岩石受压产生材料损伤,损伤范围随装药量的增加逐渐增大;其次,爆炸冲击波在洞室端部会聚,反射超压显著增大,引起该处岩石的材料压缩损伤;最后,随着洞室侧壁位移与端部位移的先后增大,在侧壁与端部交界处产生撕裂,在侧壁形成平行于轴向的裂缝,且随着药量的增加,两处裂缝将逐渐扩展、贯通,结构破坏风险随之增大。本工作可为硬岩中抗爆结构设计及相关工程建设提供借鉴与参考。

花岗岩中实测球面波粒子速度的时域和频域分析

为研究球面波在介质中的演化规律,分析了0.125g TNT、直径为5mm的炸药球填实爆炸加载下花岗岩中球面波传播的时域特征,结合实验结果与黏弹性球面波传播理论,提出了一种球面波粒子速度的频域分析方法。结果表明,花岗岩中粒子速度峰值和比例粒子位移峰值在靠近爆心的区域衰减慢、远离爆心的区域衰减快;在高频下,花岗岩中频率衰减因子α(ω)和波数k(ω)均与圆频率ω近似成线性关系,由不同相邻位置实测的粒子速度信息得到的α(ω)和k(ω)各不相同;在半径约为30mm(比距离约为60m·kt^(-1/3))处,粒子速度峰值的衰减规律出现由慢变快的转折。同时,基于对α(ω)和k(ω)的线性近似,对粒子速度波形进行了反演。与传统的局部理想弹性假设方法相比,本文方法可以提高粒子速度峰值的预测精度,但对波传播演化过程中波形形状的预测精度不高。