CN105606469A - 一种定性表征战斗部侵彻性能的方法 - Google Patents

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夏雨萌
王富耻
王扬卫
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Abstract

本发明涉及一种定性表征战斗部侵彻性能的方法，属于材料测试方法领域。所述方法为：制备可放入分离式霍普金森压杆装置的战斗部壳体试样；试样放置在分离式霍普金森压杆装置中，同一大气压下分别对不同材料试样进行冲击载荷试验，观察试样宏观变形或失效结果，直到比较出一种或两种材料的试样，其承受的冲击载荷均大于其他材料的试样而未发生失效，则认为该试样的材料与其他试样的材料相比更适用于战斗部壳体材料。所述方法利用分离式霍普金森压杆装置可控的应变率及子弹速度，模拟弹体着靶时的冲击载荷条件，通过由小至大调整分离式霍普金森压杆的***气压，对试样进行冲击载荷试验；所述方法可大大降低成本，节省材料且缩短了研究周期。

Description

一种定性表征战斗部侵彻性能的方法
技术领域
本发明涉及一种定性表征战斗部侵彻性能的方法，具体地说，涉及一种利用分离式霍普金森压杆装置来定性表征战斗部壳体侵彻性能的方法，属于材料测试方法领域。
背景技术
在现代攻防作战体系中，反舰导弹是现代海战中打击舰艇的主要武器装备。战斗部是导弹毁伤目标的专用装置，是导弹的唯一有效载荷，又是直接执行战斗任务的最终部件。常规装药战斗部一般由壳体、战斗部装药、引信装置和保险装置组成。在大多数情况下，壳体也是形成毁伤元素的基体。现代海战的实践证明，在目前及今后的一定时期，体积小而又超低空飞行的反舰导弹突防能力强，更有生命力，对战斗部提出威力大、质量轻的要求。采用新材料，优化结构设计和工艺设计，提高战斗部的结构强度则成为提高战斗部侵彻能力的重要发展方向。
目前，在实验室环境下，研究材料的冲击载荷下的力学响应，通常采用分离式霍普金森压杆装置，试样被夹在入射杆和透射杆之间，子弹(一根短杆)受高压气体推动，以一定速度射出撞击入射杆，在入射杆中形成一个压力脉冲，即入射波，压力脉冲在入射杆中向前传播，一部分则透过试样作为透射波进入透射杆。入射、反射、投射波由贴在入射、透射杆上的电阻应变片测得，由测得的入射波、反射波和透射波就可以处理得到试样材料的变形和破坏情况，获得试样材料的动态力学性能数据。但该试验仅能单纯地反映出试样材料在冲击载荷条件下自身的力学性能，而无法预测结构响应对弹体侵彻性能的影响，故亦无法对试样材料作为战斗部壳体的性能进行表征。
目前研究战斗部侵彻能力的主要方法为设计小型模拟弹进行弹靶作用试验，通过测试模拟弹的临界破坏速度来表征材料的侵彻性能，但该方法试验成本较高，单发弹即近千元，另外试验条件复杂、设备和场所有限，使得研究周期长、成本高。
发明内容
为克服现有实验室环境下分离式霍普金森压杆实验无法表征弹体侵彻性能中弹体结构相应的影响，而弹靶试验则需要经过制备试样-试样运送-靶试试验(异地)-结果返回的周期，耗时较长、成本高昂，无法在较短的时间内区分出各材料的侵彻性能，快速判别出战斗部壳体的优选材料的缺陷，本发明的目的在于提供一种定性表征战斗部侵彻性能的方法，所述方法利用分离式霍普金森压杆装置来定性表征战斗部壳体侵彻性能，可降低研究成本，缩短研究周期，主要适用于战斗部壳体材料及结构设计。
为实现本发明的目的，提供如下技术方案。
一种定性表征战斗部侵彻性能的方法，所述方法步骤如下：
(1)根据分离式霍普金森压杆装置对试样的要求，制备可放入分离式霍普金森压杆装置的战斗部壳体试样；
(2)将试样放入分离式霍普金森压杆装置中，试样被夹在分离式霍普金森压杆装置的入射杆和透射杆之间，试样的弹头部分与入射杆接触，使应力波按照从弹头至弹尾的方向传递；
(3)试样放置好后，分别在同一大气压下，对不同材料的试样进行冲击载荷试验，观察试样的宏观变形或失效结果，若不同材料的试样均未失效，继续对试样进行更高应变率下的冲击载荷试验；若有一种或几种材料的试样发生失效，则可认为失效试样的材料侵彻性能相对较差，继而对未失效的试样继续进行更高应变率的冲击载荷试验，直到比较出一种或两种材料的试样，其承受的冲击载荷均大于其他材料的试样而未发生失效，则认为该试样的材料与其他试样的材料相比，侵彻性能更优，更适用于战斗部壳体材料。
所述失效是指试样外观产生肉眼可见的裂纹、试样断裂为两部分或试样侧壁沿45°方向开裂。
战斗部壳体试样可为尖卵形。
优选每次增加0.1MPa～0.05MPa大气压值进行更高应变率下的冲击载荷试验。
如果所述试样是在现有模拟弹的基础上进行的设计，应当调整比例，对原模拟弹尺寸进行缩放，以满足分离式霍普金森压杆装置对试样的要求；
当尖卵形试样的长径比＞1.2，长度过长，可舍去一部分试样尾部的直筒部分，保留了尖卵形试样的头颈部分作为试样，保证保留需要测试的试样有效失效部位。
本发明所述的一种定性表征战斗部侵彻性能的方法主要适用于战斗部壳体材料及结构的设计。
有益效果
一种定性表征战斗部侵彻性能的方法，所述方法利用分离式霍普金森压杆装置，借助其可控的应变率及子弹速度，模拟弹体着靶时的冲击载荷条件，将分离式霍普金森压杆装置的圆柱形试样，重新设计改为战斗部壳体试样；通过由小至大调整分离式霍普金森压杆的***气压，对试样进行冲击载荷试验，从而比较出试样发生失效的加载条件，即气压值或入射弹速；在多种不同材料试样的参考对比下，分析不同材料试样的损伤程度，即可定性地对各材料的失效条件进行分析，从而表征出不同材料的侵彻性能；所述方法可大大降低成本，节省材料且缩短了研究周期。
附图说明
图1为实施例中所使用的战斗部壳体试样结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的优选实施方式做出详细说明。
以下实施例中：
所述分离式霍普金森压杆装置购自哈尔滨工业大学，压杆直径为16mm。
所述战斗部壳体试样尺寸结构如图1所示，图1中试样为头部呈尖卵形的壳体结构，总长12mm，外径9.99mm，试样头部外轮廓经半径分别为7.66mm、12.78mm和1.83mm的三段圆弧均匀过度，内轮廓经半径分别为8.24mm和2.55mmm的两段圆弧均匀过度，内径7.16mm，内腔深8.5mm；
每次增加0.1MPa～0.05MPa大气压值进行更高应变率下的冲击载荷试验；
经锻造退火的β20C合金战斗部壳体试样制备如下：
将β20C合金在单相区进行镦拔变形，变形量为50％～75％，之后进入两相区锻造，两相区执行正常的拔长工艺，变形量为50％～60％，然后在880℃，保温0.5h，随炉冷却退火，得到锻造退火的β20C合金战斗部壳体试样。
实施例1
一种定性表征战斗部侵彻性能的方法，所述方法步骤如下：
(1)按照图1所示的尺寸结构要求加工出TC4合金的战斗部壳体试样和铸造态β20C合金的战斗部壳体试样各三个；
(2)将试样放入分离式霍普金森压杆装置中，试样被夹在分离式霍普金森压杆装置的入射杆和透射杆之间，试样的弹头部分与入射杆接触，使应力波按照从弹头至弹尾的方向传递；
(3)试样放置好后，分别在同一大气压下，对所述两种材料的试样进行冲击载荷试验，对比试样在冲击载荷下的失效情况，在大气压为6atm和7atm的冲击载荷下，所述两种材料的试样均未失效；而在8atm的载荷下，铸造态β20C合金试样的发生45°方向的剪切破坏，TC4合金试样依然保持弹体宏观完整性。如此即可对比出所述两种材料的侵彻性能，TC4合金优于铸造态β20C合金，更适用于战斗部壳体材料。
对比例1
在烟台52所靶道试验室进行钛合金模拟弹弹道试验，试验采用37mm口径弹道炮。靶板为300mm×200mm×20mm的船用钢靶板，模拟弹为TC4模拟弹和铸造态β20C模拟弹，与实施例1所述TC4合金和铸造态β20C合金的战斗部壳体试样形状相同，尺寸同比例放大2.83倍，圆弧过度部分不改变，加长圆柱直筒部分，使总长达到60.39mm，所述模拟弹以90°垂直侵彻20mm厚均质钢板，模拟战斗部壳体的真实服役环境。其中TC4模拟弹垂直侵彻20mm厚船用钢靶板的临界破坏速度是387m/s，而铸造态β20C模拟弹垂直侵彻20mm厚船用钢靶板在296m/s的速度下弹丸就发生破碎。
实施例2
一种定性表征战斗部侵彻性能的方法，所述方法步骤如下：
(1)按照图1所示的尺寸结构要求加工出铸造态β20C的战斗部壳体试样和经锻造退火的β20C合金战斗部壳体试样各四个；
(2)将试样放入分离式霍普金森压杆装置中，试样被夹在分离式霍普金森压杆装置的入射杆和透射杆之间，试样的弹头部分与入射杆接触，使应力波按照从弹头至弹尾的方向传递；
(3)试样放置好后，分别在同一大气压下，对所述两种材料的试样进行冲击载荷试验，对比试样在冲击载荷下的失效情况，在8atm的载荷下，铸造态β20C合金试样的发生45°方向的剪切破坏，而经热处理的β20C合金试样在10.5atm的载荷下仍未发生失效。如此即可对比出所述两种材料的侵彻性能，经热处理的β20C合金比铸造态β20C合金的侵彻性能更好，更适用于战斗部壳体材料。
对比例2
在烟台52所靶道试验室进行钛合金模拟弹弹道试验，试验采用37mm口径弹道炮。靶板为300mm×200mm×20mm的船用钢靶板，模拟弹为铸造态β20C模拟弹和经锻造退火的β20C模拟弹，与实施例2中铸造态β20C和经锻造退火的β20C合金战斗部壳体试样形状相同，尺寸同比例放大2.83倍，圆弧过度部分不改变，加长圆柱直筒部分，使总长达到60.39mm，以90°垂直侵彻20mm厚均质钢板，模拟战斗部壳体的真实服役环境。其中经锻造退火的β20C模拟弹垂直侵彻20mm厚船用钢靶板的临界破坏速度是435m/s，而铸造态β20C模拟弹垂直侵彻20mm厚船用钢靶板在296m/s的速度下弹丸就发生破碎。
实施例3
一种定性表征战斗部侵彻性能的方法，所述方法步骤如下：
(1)按照图1所示的尺寸结构要求加工出TA15合金的战斗部壳体试样、TA19合金的战斗部壳体试样、TC4合金的战斗部壳体试样、TC6合金的战斗部壳体试样和TC21合金的战斗部壳体试样各三个；
(2)将试样放入分离式霍普金森压杆装置中，试样被夹在分离式霍普金森压杆装置的入射杆和透射杆之间，试样的弹头部分与入射杆接触，使应力波按照从弹头至弹尾的方向传递；
(3)试样放置好后，分别在同一大气压下，对所述五种不同材料的试样进行冲击载荷试验；对比所述五种材料的试样在冲击载荷下的失效情况，在10.5atm的载荷下，TA19合金试样率先发生45°方向的剪切破坏，而其他材料的试样均未发生宏观失效，因此TA19合金与另四种材料相比，不适用于战斗部壳体材料。

Claims (8)

1.一种定性表征战斗部侵彻性能的方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
(1)根据分离式霍普金森压杆装置对试样的要求，制备能够放入分离式霍普金森压杆装置的战斗部壳体试样；
(2)将试样放入分离式霍普金森压杆装置中，试样被夹在分离式霍普金森压杆装置的入射杆和透射杆之间，试样的弹头部分与入射杆接触；
(3)试样放置好后，分别在同一大气压下，对不同材料的试样进行冲击载荷试验，观察试样的宏观变形或失效结果，若不同材料的试样均未失效，继续对试样进行更高应变率下的冲击载荷试验；若有一种或几种材料的试样发生失效，则认为失效试样的材料侵彻性能相对较差，继而对未失效的试样继续进行更高应变率的冲击载荷试验，直到比较出一种或两种材料的试样，其承受的冲击载荷均大于其他材料的试样而未发生失效，则认为该试样的材料与其他试样的材料相比更适用于战斗部壳体材料；
所述失效是指试样外观产生肉眼可见的裂纹、试样断裂为两部分或试样侧壁沿45°方向开裂。
2.根据权利要求1所述的一种定性表征战斗部侵彻性能的方法，其特征在于：战斗部壳体试样为尖卵形。
3.根据权利要求2所述的一种定性表征战斗部侵彻性能的方法，其特征在于：尖卵形试样的长径比＞1.2时，舍去一部分试样尾部的直筒部分，保留尖卵形试样的头颈部分作为试样。
4.根据权利要求1所述的一种定性表征战斗部侵彻性能的方法，其特征在于：每次增加0.1MPa～0.05MPa大气压值进行更高应变率下的冲击载荷试验。
5.根据权利要求1所述的一种定性表征战斗部侵彻性能的方法，其特征在于：试样在现有模拟弹的基础上调整比例，对原模拟弹尺寸进行缩放，以满足分离式霍普金森压杆装置对试样的要求。
6.根据权利要求1所述的一种定性表征战斗部侵彻性能的方法，其特征在于：每次增加0.1MPa～0.05MPa大气压值进行更高应变率下的冲击载荷试验；试样在现有模拟弹的基础上调整比例，对原模拟弹尺寸进行缩放，以满足分离式霍普金森压杆装置对试样的要求。
7.根据权利要求6所述的一种定性表征战斗部侵彻性能的方法，其特征在于：战斗部壳体试样为尖卵形；长径比＞1.2时，舍去一部分试样尾部的直筒部分，保留尖卵形试样的头颈部分作为试样。
8.一种如权利要求1～7任一项所述的定性表征战斗部侵彻性能的方法，其特征在于：所述方法适用于战斗部壳体材料及结构的设计。
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