四孔发射药的静态和动态燃烧性能研究

为提高轻武器发射药燃烧渐增性和内弹道性能,采用四孔多孔发射药药型,开展了四孔发射药的静态和动态燃烧性能研究。采用密闭爆发器进行静态燃烧测试,在5.8mm弹道枪上进行了动态燃烧性能测试。结果表明,在未钝感的情况下,四孔发射药的燃烧渐增性优于球扁药和单孔发射药。对比四孔发射药,球扁发射药和单孔发射药的弹丸初速分别减小了17m/s和40m/s,烟雾透过率分别降低了18%和15%。静态和动态燃烧性能测试结果表明,四孔发射药比球扁发射药和单孔发射药有更好的燃烧渐增性和内弹道性能。

基于防弹衣背面动态变形的钝击伤评估

为研究在非贯穿侵彻情况下,防弹衣的钝击效应。运用三维数字图像相关技术对SS109步枪弹侵彻NIJ Ⅲ级Si C/UHMWPE防弹衣进行了试验研究,获得了防弹衣背面变形的全场三维数据。并结合粘性准则和简明等级损伤准则讨论了枪弹侵彻防弹衣后胸部的钝性损伤程度。结果表明:防弹衣背面鼓包的形态类似一个圆锥形,在侵彻过程中平均最大鼓包高度为19.2 mm,平均剩余鼓包高度为16 mm,平均最大变形速度为108.7 m/s。根据试验得到的速度和位移数据,计算得到的VC平均值为4.35 m/s,对应的AIS损伤等级为6。

Al/PTFE活性材料弹丸冲击/爆燃行为数值模拟研究

针对活性材料冲击/爆燃释能行为的定量研究问题,基于AUTODYN软件的二次开发功能,编写了适用于活性材料的状态方程、点火模型及整体反应度计算子程序,实现了对活性材料弹丸在高速侵彻过程中爆燃反应行为的数值模拟.通过对Al/PTFE活性材料弹丸高速碰撞2024铝合金间隔靶板的数值模拟,得到了碰撞过程中活性破片的形貌演化规律,以及粒子反应度、温度、压力等参量随时间的变化曲线,进而实现了对活性材料冲击/爆燃释能行为的定量分析.结果表明,反应度随时间的变化趋势与试验中活性材料弹丸释能发光的变化趋势一致,温度计算与先前试验结果相符,说明该数值模拟方法可以很好地反映Al/PTFE活性材料弹丸在高速撞击过程中的冲击/爆燃释能过程.

冲击载荷下脂肪层的压缩性能

目的对脂肪的动态压缩性能开展研究,进一步揭示损伤机制,为医疗救治提供参考。方法基于改进的霍普金森杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)实验装置,对猪脂肪进行动态压缩实验,测量脂肪组织在不同应变率下的应力-应变曲线;对脂肪组织SHPB实验过程进行仿真分析;开展直径32 mm橡胶非致命弹侵彻人体腹部模拟靶标过程的数值模拟。结果脂肪组织具有明显的应变率效应,两组高应变率下的应力-应变曲线近似为直线且斜率相近,弹性模量为3.25 MPa,约为准静态时的6倍;脂肪SHPB仿真曲线和实验曲线基本吻合,验证了所采用本构模型的正确性;非致命弹侵彻人体腹部过程中,皮肤表面出现了类似“水波”的环形凸起区域,脂肪层吸收了约67%的冲击动能。结论脂肪组织的实验数据较为准确。数值模拟可以很好再现侵彻过程,为非致命武器对人体损伤效应的研究提供参考。

超高分子量聚乙烯纤维防护机理研究综述

超高分子量聚乙烯纤维具有密度低、力学性能高的优点,在防弹衣领域获得了广泛应用。本文综述了人们就该纤维、该纤维的单向布以及其复合材料靶板的力学性能开展的大量实验研究、理论研究和数值模拟研究,从不同角度揭示了该纤维的力学特性;在超高分子量聚乙烯纤维及复合材料靶板的本构模型和破坏准则方面,尚需考虑材料的应变率效应和复杂应力状态的影响,才能进一步揭示该纤维的防护机理,指导超高分子量聚乙烯防护靶板的优化设计。

THV基活性材料力学性能与点火反应特性

为研究铪/四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物(Hf/THV)活性材料的力学性能与点火反应特性,采用溶剂蒸发-热压烧结法制备不同配比的Hf/THV试件,并开展准静态压缩试验与基于分离式霍普金森压杆的动态加载试验。研究结果表明:Hf/THV在动态加载下发生瞬间断裂,导致断裂处温度急剧升高形成热点、引发点火反应;THV的应变软化影响Hf/THV的力学性能和失效模式,进而影响材料的点火反应;质量含量62%Hf的Hf/THV试件由于明显的应变软化而表现出较强的塑性变形能力,动态加载持续较长时间后才有极少部分发生断裂,导致反应延迟时间较长且非常微弱;质量含量88%Hf的Hf/THV试件强度较高且脆性较强,动态加载持续较短时间内便能发生大范围断裂,导致反应延迟时间短且比较剧烈,但氧化剂THV的减少导致反应不充分。

基于OpenGL的枪弹侵彻伤道可视化研究

快速直观地再现枪弹侵彻人体过程中伤道形成过程,为人体易损性评估提供准确的人体损伤数据。首先构建枪弹侵彻明胶靶标过程中的枪弹运动方程和明胶内瞬时空腔运动方程。接着使用C++语言,在OpenGL规范的基础上,对枪弹运动、空腔膨胀设计了可视化算法程序。程序可以通过数据实时驱动,实现枪弹运动和明胶空腔膨胀的动态变形仿真。将某7.62mm枪弹侵彻明胶的伤道可视化仿真与相应实验进行了对比,验证了仿真的准确性。上述程序可作为人体易损性评估软件的一个模块,用于快速直观地再现枪弹对人体的杀伤效应。

基于PVDF薄膜传感器的猪肝动态压缩力学性能测试

瞬态冲击载荷作用下肝脏的力学响应是损伤生物力学的重要研究内容。本文提出了一种可用于软组织动态压缩力学特性测试的改进SHPB(分离式霍普金森压杆,Split Hopkinson Pressure Bar)方法。该方法采用PVDF(聚偏氟乙烯,Polyvinylidene Fluor)压电薄膜传感器测量实验过程中试件两端面的受力,以此来计算试件的应力,从而无需测量透射杆上的微弱透射信号。猪肝试样前后端面的PVDF压电信号对比表明,加载过程中试样达到了动态应力平衡状态。试样动态压缩中的惯性效应主要在加载的初始阶段对透射应力信号造成较大影响,在大变形阶段惯性效应引起的轴向应力较小。利用此方法对猪肝组织进行三种高应变率(1800s^(-1),2500s^(-1),3500s^(-1))的动态压缩实验,并采用基于真实应变的惯性效应公式对实验数据进行修正计算。结果表明:猪肝组织在准静态与高应变率时的应力应变曲线都呈现出凹向上的非线性特征,即曲线初始阶段应力增长较缓慢,当应变达到15%后应力值则迅速增大;猪肝组织也具有明显的应变率效应,即随着应变率的增加,应力应变曲线的整体应力值也随之增大。最后,采用黏超弹性本构模型描述了猪肝组织的动态应力应变曲线。

基于ABAQUS二次开发的球形破片侵彻UHMWPE软质防弹衣数值模拟

为准确模拟破片侵彻防弹衣的过程,揭示破片与软质防弹衣相互作用机制,本文基于ABAQUS用户子程序VUMAT编写了适用于模拟软质防弹衣材料力学性能的本构模型,建立了球形破片侵彻软质防弹衣的有限元模型,数值模拟结果与实验吻合较好。本构模型中材料失效模式数据表明,无纬布主要发生纤维拉伸、基体拉伸和压缩失效;在钢球侵彻防弹衣的初期,无纬布上的应力云图一般呈现较规则的圆形或椭圆形,然后再慢慢向四周扩散;钢球侵彻软质防弹衣的过程中伴随有较明显的纤维层间分层失效,未穿透的纤维层中也出现了分层的现象,分层面积从迎弹面到背弹面先减小后增大再减小。