CN109323917B - 模拟***冲击波和单个破片复合载荷的实验***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟***冲击波和单个破片复合载荷的实验***及方法，根据所需模拟的冲击波与破片复合载荷参数，确定泡沫铝弹丸的密度、长度，开孔的直径、深度，破片模拟弹的长度、直径和复合弹丸发射速度等参数；根据所确定复合弹参数制备复合弹；将制备好的复合弹从一级轻气炮中以所确定的速度射出，从而在复合弹着靶处形成所需模拟的冲击波与破片复合载荷。本发明为科研人员及工程设计人员提供一种模拟带壳***装置***威力的方法。这种方法可广泛应用于交通运输、安全防护及军事等领域中***冲击载荷的试验模拟，可有效节省试验成本，具有可观的经济效益。

Description

模拟***冲击波和单个破片复合载荷的实验***及方法
技术领域
本发明属于***与冲击载荷试验加载技术领域，具体涉及一种模拟***冲击波和单个破片复合载荷的实验***及方法，特别是在实验室中可模拟真实的地雷、导弹、简易***装置等带壳装药***产生的载荷。
背景技术
地雷、导弹和简易***装置等带壳装药***作用下结构的动态响应是一项广泛存在于交通运输、安全防护及军事等领域的重要研究课题，受到各国科研人员广泛关注。然而，这一课题的试验研究远远滞后于理论和数值方法研究。原因是地雷、导弹和简易***装置等带壳装药***试验往往涉及到高能量***物，这一加载方式存在安全性差、需要专用试验场地、使用技术复杂、费用高等不足，尤其是无法控制载荷形式。
因此，为了能在常规试验条件下频繁的进行试验研究，急需一种安全、简单、经济的可同时模拟带壳装药***产生的冲击波和破片的加载技术。泡沫铝子弹撞击加载技术作为一种***加载替代技术可以实现不同冲量的***波加载，然而不足之处是无法模拟冲击波和破片的耦合作用。冲击波和破片的耦合作用使得结构的毁伤更为严重，故而进行复合载荷作用下的结构毁伤研究尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种模拟***冲击波和单个破片复合载荷的实验***及方法，具有安全、简单、低成本、可重复性强的优势。
本发明采用以下技术方案：
一种模拟***冲击波和单个破片复合载荷的实验***，包括复合弹、一级轻气炮和靶板，复合弹设置在一级轻气炮内，靶板通过固定装置设置于一级轻气炮的一侧，复合弹包括泡沫铝弹丸和破片模拟弹，破片模拟弹嵌入在泡沫铝弹丸内。
可选的，泡沫铝弹丸上开有内孔，破片模拟弹设置在内孔中，通过粘接剂与泡沫铝弹丸连接。
进一步的，破片模拟弹的直径D1计算如下：
D1≤1/7D
其中，D为泡沫铝弹丸的直径，其值等于一级轻气炮的炮管直径；
泡沫铝弹丸的开孔直径D2为：
D1+0.3mm≤D2≤D1+0.5mm。
进一步的，粘接剂为凡士林，凡士林设置在内孔的内底面与破片模拟弹相接触的端面。
可选的，泡沫铝弹丸由孔隙率为70～90％的泡沫铝块切割而得，其所对应压溃平台应力和密实化应变分别为1.2～6.2MPa和0.58～0.86，破片模拟弹由经淬火处理的4340钢或945钢制备而成。
可选的，一级轻气炮采用的高压气体为氮气或氦气。
可选的，靶板为均质板、夹芯板或层合板结构，材质为金属或复合材料。
本发明的另一技术方案是，一种模拟***冲击波和单个破片复合载荷的实验方法，利用所述的模拟***冲击波和单个破片复合载荷实验***，包括以下步骤：
S1、根据需要模拟的冲击波与破片复合载荷特征，利用单位面积冲量I、所需模拟的***冲击波峰值压强P以及***冲击波与破片到达某一相同位置处的时间差Δt计算得到泡沫铝弹丸的密度ρf、长度l，开孔的直径、深度d，破片模拟弹的长度ls、直径和复合弹丸发射速度Vp；
S2、根据S1中得到的复合弹丸参数制备复合弹丸；
S3、将步骤S2制备好的复合弹丸通过一级轻气炮以S1中确定的发射速度Vp射向靶板，在复合弹丸着靶处形成冲击波和破片复合载荷用于试验分析。
可选的，步骤S1中，单位面积冲量I计算如下：
I＝ρfVpl
Figure BDA0001829496360000031
其中，m为所需模拟的破片质量，Vf为速度，S为迎风面积，Vp为复合弹丸的发射速度，ρf与l分别为泡沫铝弹丸的密度与长度，ρsls为破片模拟弹的面密度；
所需模拟的***冲击波峰值压强P计算如下：
Figure BDA0001829496360000032
其中，ρf为泡沫铝弹丸的密度，σc和εD分别为泡沫铝的压溃应力和密实应变；
***冲击波与破片到达某一相同位置处的时间差Δt计算如下：
Figure BDA0001829496360000033
进一步的，泡沫铝的压溃应力σc和密实应变εD计算如下：
σc＝0.3σy(ρf/ρ0)3/2
εD＝1-1.4(ρf/ρ0)
其中，σy是泡沫铝基体材料的屈服强度；
泡沫铝弹丸的内孔深度d计算如下：
d＝VpΔt。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明所提出的冲击波与破片复合加载的实验***，包括开内孔的泡沫铝弹丸、破片模拟弹、用于发射复合弹丸的一级轻气炮***以及靶板，复合弹丸内置于一级轻气炮内，靶板通过固定装置进行固定，复合弹丸由破片模拟弹内置于泡沫铝弹丸中。不同于采用***等高能高危***物产生冲击波与破片复合载荷，采用泡沫铝-破片模拟弹冲击加载产生的冲击波破片复合载荷具备安全、简单、低成本、可重复性强等优势，不但可以实现不同TNT质量与壳体质量比的复合载荷加载，还可以模拟不同爆距处的复合载荷。
进一步的，为了使得复合弹撞击靶板时，破片模拟弹有效的射出泡沫铝弹丸的孔，开孔直径应稍大于破片模拟弹的直径，建议大出0.3～0.5mm，为了避免泡沫铝弹丸内开孔孔径过大影响泡沫铝弹丸的变形，内开孔直径应小于泡沫铝弹丸直径的七分之一。
进一步的，为了固定住泡沫铝弹丸和破片模拟弹，又不影响破片模拟弹的射出，两者之间采用凡士林进行粘接。
进一步的，为了保证泡沫铝弹丸的可压缩性，泡沫铝弹丸由孔隙率70～90％的泡沫铝块制成，压溃平台应力和密实化应变分别为1.2～6.2MPa和0.58～0.86。
进一步的，为了真实模拟带壳***中壳的材质，破片模拟弹由经淬火处理的4340钢或945钢制成。
进一步的，根据试验研究对象的不同，靶板可采用均质板、夹芯板或层合板等。
本发明还公开了一种模拟***冲击波和单个破片复合载荷作用的实验方法，根据所需模拟的冲击波与破片复合载荷参数，确定泡沫铝弹丸的密度、长度，开孔的直径、深度，破片模拟弹的长度、直径和复合弹丸发射速度等参数；根据所确定复合弹参数制备复合弹；将制备好的复合弹从一级轻气炮中以所确定的速度射出，从而在复合弹着靶处形成所需模拟的冲击波破片复合载荷，本发明为科研人员及工程设计人员提供一种简单易行的方法，其可模拟不同TNT质量与壳体质量比的带壳装药在不同爆距处产生的冲击波破片复合载荷。
综上所述，本方法可广泛应用于交通运输、安全防护及军事等领域中带壳***源***冲击载荷的试验模拟，可有效节省试验成本。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明基于泡沫铝破片模拟弹模拟冲击波与破片复合载荷的试验***示意图；
图2为本发明复合弹的剖视图。
其中：2.泡沫铝弹丸；3.破片模拟弹；4.一级轻气炮；5.靶板；6.固定装置；7.粘接剂。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种模拟***冲击波和单个破片复合载荷的实验***及方法，在泡沫铝子弹的一端中心处开孔并内置破片模拟弹制成复合弹。根据所需模拟的冲击波与破片复合载荷参数，确定泡沫铝弹丸的密度、长度，开孔的直径、深度，破片模拟弹的长度、直径和复合弹丸发射速度等参数；根据所确定复合弹参数制备复合弹；将制备好的复合弹从一级轻气炮中以所确定的速度射出，从而在复合弹着靶处形成所需模拟的冲击波破片复合载荷。
请参阅图1，本发明一种模拟***冲击波和单个破片复合载荷的实验***，包括复合弹丸、一级轻气炮4和靶板5，复合弹丸设置在一级轻气炮4内，靶板5通过固定装置6设置在一级轻气炮4的一侧。
请参阅图2，复合弹丸包括泡沫铝弹丸2和破片模拟弹3，泡沫铝弹丸2开有内孔，破片模拟弹3遵循破片模拟弹标准，嵌入泡沫铝弹丸2的内孔中，泡沫铝弹丸2与破片模拟弹3之间采用粘接剂7进行粘接，固定装置6包括卡子或螺栓，靶板5采用卡装或螺栓连接方式固定在一级轻气炮4的一侧。
其中，泡沫铝弹丸2的内孔采用电火花切割方式加工而成，内孔直径D2大于等于破片模拟弹3直径D10.3～0.5mm，且内孔直径D1小于等于泡沫铝弹丸2直径D的1/7。
破片模拟弹3的直径D1计算如下：
D1≤1/7D
则泡沫铝弹丸2的开孔直径D2为：
D1+0.3mm≤D2≤D1+0.5mm
其中，D为泡沫铝弹丸2的直径，其值等于一级轻气炮的炮管直径。
可选的，泡沫铝弹丸2由孔隙率为70～90％的泡沫铝块切割而得，其所对应压溃平台应力和密实化应变分别为1.2～6.2MPa和0.58～0.86，破片模拟弹3由经淬火处理的4340钢，945钢等制备而成。
可选的，粘接剂7采用凡士林。
可选的，一级轻气炮4采用的高压气体为氮气或氦气。
可选的，靶板5为均质板、夹芯板或层合板等待研究结构，材质为金属或复合材料等。
本发明一种模拟***冲击波和单个破片复合载荷的实验方法，包括以下步骤：
S1、根据所需要模拟的冲击波与破片复合载荷特征，计算得到泡沫铝弹丸的密度、长度，开孔的直径、深度，破片模拟弹的长度、直径和复合弹丸发射速度等参数；
单位面积冲量I计算如下：
I＝ρfVpl
Figure BDA0001829496360000071
其中，m为所需模拟的破片质量，Vf为速度，S为迎风面积，ρf与l分别为泡沫铝弹丸的密度与长度，t为所需模拟的作用时间，ρs与ls分别为破片模拟弹的密度与长度，ρsls为破片模拟弹的面密度，σc和εD分别为泡沫铝的压溃应力和密实应变，具体计算如下：
σc＝0.3σy(ρf/ρ0)3/2
εD＝1-1.4(ρf/ρ0)
其中，σy是泡沫铝基体材料的屈服强度；
所需模拟的***冲击波峰值压强P计算如下：
Figure BDA0001829496360000081
其中，ρf为泡沫铝弹丸的密度，Vp为复合弹丸的发射速度，
***冲击波与破片到达某一相同位置处的时间差Δt计算如下：
Figure BDA0001829496360000082
泡沫铝弹丸的内孔深度d可由***冲击波与破片到达某一相同位置处的时间差为Δt和复合弹的发射速度Vp确定如下：
d＝VpΔt。
S2、根据S1中得到的复合弹丸各参数制备复合弹丸；
S3、将步骤S2制备好的复合弹丸通过一级轻气炮以S1中确定的发射速度射向靶板，在复合弹丸着靶处形成冲击波和破片复合载荷。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
为模拟装TNT50％的100kg带壳炸弹***时在2m处的复合载荷，首先计算得到炸弹在2m处的载荷参数：冲击波峰值为12MPa,衰减时间为1.4ms,8g的破片比动能为2.3MJ/m2，冲击波与破片到达2m处时间间隔为0.24ms。根据上述参数计算得到复合弹的各参数如下：泡沫铝弹丸的密度为270kg/m3、压溃平台应力1.2MPa、长度98.0mm，开孔的直径8.4mm、深度65.0mm，破片模拟弹的长度20.0mm、直径8.0mm和复合弹丸发射速度170m/s。
根据以上所得复合弹的参数制备复合弹并以170m/s的速度从一级轻气炮中发射出，从而在弹丸着靶处形成所需要的复合载荷。
实施例2
为模拟装TNT 50％的8kg地雷***时在0.5m处的复合载荷，首先计算得到地雷***后在0.5m处的载荷参数：冲击波峰值为66MPa,衰减时间为0.35ms,2g的破片比动能为3.2MJ/m2，冲击波与破片到达0.5m处时间间隔为0.05ms。根据上述参数计算得到复合弹的各参数如下：泡沫铝弹丸的密度为324kg/m3、压溃平台应力1.7MPa、长度70mm，开孔的直径8.4mm、深度25mm，破片模拟弹的长度5mm、直径8mm和复合弹丸发射速度400m/s。
根据以上所得复合弹的参数制备复合弹并以400m/s的速度从一级轻气炮中发射出，从而在弹丸着靶处形成所需要的复合载荷。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.模拟***冲击波和单个破片复合载荷的实验***，其特征在于，包括复合弹、一级轻气炮(4)和靶板(5)，复合弹设置在一级轻气炮(4)内，靶板(5)通过固定装置(6)设置于一级轻气炮(4)的一侧，复合弹包括泡沫铝弹丸(2)和破片模拟弹(3)，破片模拟弹(3)嵌入在泡沫铝弹丸(2)内，泡沫铝弹丸(2)上开有内孔，破片模拟弹(3)设置在内孔中，通过粘接剂(7)与泡沫铝弹丸(2)连接，破片模拟弹(3)的直径D1计算如下：
D1≤1/7D
其中，D为泡沫铝弹丸(2)的直径，其值等于一级轻气炮的炮管直径；
泡沫铝弹丸(2)的开孔直径D2为：
D1+0.3mm≤D2≤D1+0.5mm
泡沫铝弹丸(2)由孔隙率为70～90％的泡沫铝块切割而得，其所对应压溃平台应力和密实化应变分别为1.2～6.2MPa和0.58～0.86，破片模拟弹(3)由经淬火处理的4340钢或945钢制备而成。
2.根据权利要求1所述的模拟***冲击波和单个破片复合载荷的实验***，其特征在于，粘接剂(7)为凡士林，凡士林设置在内孔的内底面与破片模拟弹(3)相接触的端面。
3.根据权利要求1所述的模拟***冲击波和单个破片复合载荷的实验***，其特征在于，一级轻气炮(4)采用的高压气体为氮气或氦气。
4.根据权利要求1所述的模拟***冲击波和单个破片复合载荷的实验***，其特征在于，靶板(5)为均质板、夹芯板或层合板结构，材质为金属或复合材料。
5.一种模拟***冲击波和单个破片复合载荷的实验方法，其特征在于，利用权利要求1所述的模拟***冲击波和单个破片复合载荷实验***，包括以下步骤：
S1、根据需要模拟的冲击波与破片复合载荷特征，利用单位面积冲量I、所需模拟的***冲击波峰值压强P以及***冲击波与破片到达某一相同位置处的时间差Δt计算得到泡沫铝弹丸的密度ρf、长度l，开孔的直径、深度d，破片模拟弹的长度ls、直径和复合弹丸发射速度Vp；
S2、根据S1中得到的复合弹丸参数制备复合弹丸；
S3、将步骤S2制备好的复合弹丸通过一级轻气炮以S1中确定的发射速度Vp射向靶板，在复合弹丸着靶处形成冲击波和破片复合载荷用于试验分析。
6.根据权利要求5所述的模拟***冲击波和单个破片复合载荷的实验方法，其特征在于，步骤S1中，单位面积冲量I计算如下：
I＝ρfVpl
Figure FDA0002389298570000021
其中，m为所需模拟的破片质量，Vf为速度，S为迎风面积，Vp为复合弹丸的发射速度，ρf与l分别为泡沫铝弹丸的密度与长度，ρsls为破片模拟弹的面密度；
所需模拟的***冲击波峰值压强P计算如下：
Figure FDA0002389298570000022
其中，ρf为泡沫铝弹丸的密度，σc和εD分别为泡沫铝的压溃应力和密实应变；
***冲击波与破片到达某一相同位置处的时间差Δt计算如下：
Figure FDA0002389298570000023
7.根据权利要求6所述的模拟***冲击波和单个破片复合载荷的实验方法，其特征在于，泡沫铝的压溃应力σc和密实应变εD计算如下：
σc＝0.3σy(ρf/ρ0)3/2
εD＝1-1.4(ρf/ρ0)
其中，σy是泡沫铝基体材料的屈服强度，ρ0为泡沫铝的密度；
泡沫铝弹丸的内孔深度d计算如下：
d＝VpΔt。
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