火工品過(guò)載力學(xué)環(huán)境等效性模擬實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、彈藥侵徹目標(biāo)過(guò)程中火工品將受到毫秒級(jí)沖擊過(guò)載作用，并且在侵徹多層目標(biāo)時(shí)火工品也將受到多次連續(xù)的沖擊過(guò)載作用。采用低成本的霍普金森壓桿和空氣炮模擬試驗(yàn)方法在一定程度上能夠模擬火工品在彈藥侵徹目標(biāo)時(shí)形成的沖擊過(guò)載力學(xué)環(huán)境，但是這兩種方法產(chǎn)生的沖擊過(guò)載脈沖時(shí)間比真實(shí)的彈藥侵徹時(shí)間短，通常是100微秒左右，而且不能形成連續(xù)沖擊的力學(xué)環(huán)境。為了彌補(bǔ)霍普金森壓桿和空氣炮模擬試驗(yàn)方法的不足，急需建立長(zhǎng)脈沖沖擊與短脈沖沖擊之間、多次重復(fù)試驗(yàn)與單次沖擊試

2、驗(yàn)之間的等效試驗(yàn)理論和方法。本論文針對(duì)這一迫切需要解決的科學(xué)和工程應(yīng)用問(wèn)題，通過(guò)建立與沖擊過(guò)載強(qiáng)度和作用時(shí)間相關(guān)聯(lián)的損傷等效模型和試驗(yàn)方法，以及與沖擊次數(shù)相關(guān)聯(lián)的累積損傷等效模型和試驗(yàn)方法，比較好地解決了這一難題。
　　在考慮試件內(nèi)部的應(yīng)力波傳播過(guò)程的基礎(chǔ)上，基于一維應(yīng)力波傳播理論，采用波形迭加法，建立了試件上過(guò)載加速度與壓桿上加速度之間的等效關(guān)系，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了分析模型的可靠性、準(zhǔn)確性。計(jì)算結(jié)果表明，壓桿上的加速度僅表征了試件

3、受到的平均加速度。柱形彈性試件本身的基本物理、力學(xué)性質(zhì)對(duì)其過(guò)載加速度峰值和脈寬具有顯著影響，并且試件的尺寸越大、材質(zhì)越輕、剛度越大，受到的過(guò)載加速度的峰值也越大。輸入應(yīng)變脈沖的上升時(shí)間、平臺(tái)幅值和脈沖持續(xù)時(shí)間也影響試件的過(guò)載，其中脈沖上升時(shí)間對(duì)試件過(guò)載的影響程度最大。
　　針對(duì)長(zhǎng)、短脈沖加載下試件損傷差異的問(wèn)題，研究峰值和脈寬不同的過(guò)載脈沖加載下純鉛試件的損傷變化規(guī)律。結(jié)果顯示，試件損傷隨加速度峰值的增加而呈線(xiàn)性增加;在正弦加速度

4、脈沖加載下，隨加速度脈寬增加，試件損傷先增加、后減小。在自由式霍普金森壓桿過(guò)載實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，根據(jù)變形等效原則建立了長(zhǎng)、短脈沖對(duì)試件損傷的作用等效性分析方法和分析模型，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證了分析模型的可靠性。模型計(jì)算結(jié)果顯示，峰值vc與上升沿時(shí)間trise滿(mǎn)足關(guān)系式vc=y0+A0exp(R0trise)的梯形速度脈沖及峰值vb與脈寬vt滿(mǎn)足關(guān)系式vb=vt{y0+A1exp[vt/(2t1)]+A2exp[vt/(2t2)]}/(20π

5、)的正弦速度脈沖對(duì)理想剛塑性試件的損傷均具有作用等效性。
　　針對(duì)多脈沖加載下試件的累積損傷問(wèn)題，采用多次沖擊所形成的非連續(xù)多脈沖過(guò)載環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)純鉛試件的多脈沖加載，獲得非連續(xù)多脈沖加載下試件的損傷變化規(guī)律。結(jié)果表明，試件的相對(duì)長(zhǎng)度變化率隨加載次數(shù)的增加呈指數(shù)函數(shù)的形式逐漸減小?；谧杂墒交羝战鹕瓑簵U過(guò)載實(shí)驗(yàn)方法，根據(jù)變形等效原則，建立了單脈沖與多脈沖、多脈沖與多脈沖對(duì)試件損傷的作用等效性分析方法和分析模型。研究表明，單速度脈沖v

6、0(t)與多速度脈沖組v1(t)、v2(t)、……、vn(t)對(duì)試件的損傷具有作用等效性的條件為∫t00[v0（τ)-u0(τ)]dτ=n∑i=1∫ti0[vi(τ)-ui(τ)]dτ。由上述速度微分求得的單加速度脈沖與多加速度脈沖組對(duì)試件的損傷也具有作用等效性。
　　根據(jù)變形等效原則，采用銅柱或純鉛試件的長(zhǎng)度變化率為等效損傷量，研究自由式霍普金森壓桿技術(shù)、分離式霍普金森壓桿技術(shù)、空氣炮實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)彈過(guò)載實(shí)驗(yàn)技術(shù)之間對(duì)試件損傷的作

7、用等效性關(guān)系，獲得了速度等效關(guān)系和加速度等效關(guān)系。結(jié)果顯示，SHPB實(shí)驗(yàn)與空氣炮實(shí)驗(yàn)的加速度等效關(guān)系為aSHPB=0.7392aairgun+0.2446; FHPB實(shí)驗(yàn)與空氣炮實(shí)驗(yàn)的加速度等效關(guān)系為aairgun=0.143aFHPB+0.2656;實(shí)彈過(guò)載環(huán)境下150000g加速度對(duì)應(yīng)空氣炮實(shí)驗(yàn)下80000g加速度。通過(guò)比較四種過(guò)載實(shí)驗(yàn)方法在試件的受載環(huán)境、受載邊界條件、損傷機(jī)理和過(guò)載評(píng)價(jià)指標(biāo)四個(gè)方面的異同，分析發(fā)現(xiàn)空氣炮實(shí)驗(yàn)裝置比