CN104236384B - 一种模拟膛内发射冲击过载的试验方法 - Google Patents
一种模拟膛内发射冲击过载的试验方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于测试技术领域。以杆-杆撞击产生的应力波模拟实弹发射时的膛压p-t曲线，通过试验用杆和整形器等参数实现加载应力波控制。本发明涉及的模拟膛内发射冲击过载的试验方法，采用Hopkinson压杆动态压缩试验方法，包括试验条件设定、试验准备、测试与数据处理步骤，打击杆长度L＝(0.45～0.55)ct；加载杆2和透射杆3的长度不小于打击杆1长度L的2倍；打击速度整形器4为圆形黄铜片。本发明涉及的实验方法，可模拟不同的膛压曲线，同时，可以获得试样在模拟膛压加载条件下的动态力学性能。该方法操作简单、有效、安全、可控。适用于模拟身管武器膛内构件性能考核和评价，为弹箭武器构件设计和制造提供数据支撑。
Description
技术领域
本发明属于测试技术领域，涉及动态测试技术，特别涉及弹药发射冲击过载的模拟试验技术。
背景技术
身管武器的膛内发射是一个极其复杂的动态过程，膛内弹箭武器构件(如弹体、弹托、发动机壳体等)要经受来自火药爆燃的瞬时高压冲击作用，一般弹丸膛内发射过程极短(几十微秒至十几毫秒)，膛内压力高达250～700MPa。发射过程中，在如此高的冲击载荷作用下，构件性能的可靠性对弹体发射的稳定性和准确性至关重要，因此对构件在高发射过载条件下的性能进行考核和评价十分必要。目前，对于构件性能可靠性的检验一般是通过实弹射击进行验证。实弹射击试验，不仅过程复杂，不可控因素多，费用昂贵，而且发射过程中弹箭构件的动态力学响应参量难以测量，对其在高冲击过载中的性能演化行为难以把握，无法为设计工作提供有效的数据支撑。并且，在新材料和新产品的研发过程中，基础数据不足容易引发试验事故，若实弹射击试验失败则可能对发射武器造成致命破坏，造成无法挽回的巨大损失。
目前，未见关于模拟身管武器膛内过载发射条件评价技术的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模拟膛内发射冲击过载的试验方法，模拟弹药发射时的膛压加载历程，为弹箭武器构件高过载发射时的性能考核与评价提供有效的模拟试验方法。
本发明的目的是这样实现的，以杆-杆撞击产生的应力波模拟实弹发射时的膛压p-t曲线，通过试验用杆和整形器等试验条件的设计实现加载应力波波形的有效控制，按Hopkinson压杆动态压缩方法进行试验，完成冲击过载模拟试验及试样力学响应的测试。
本发明涉及的模拟膛内发射冲击过载的试验方法，Hopkinson压杆动态压缩试验方法，包括试验条件设定、试验准备、测试与数据处理步骤，其特征在于：
1)试验条件设定：
打击杆1、加载杆2及透射杆3为合金结构钢，屈服强度不小于p-t曲线的最大膛压，同时不低于被测试样的屈服强度；打击杆1的长度L＝(0.45～0.55)ct，其中，c是合金结构钢的纵波波速，t是p-t曲线中膛压上升阶段的时间；加载杆2和透射杆3的长度不小于打击杆1长度L的2倍；
打击杆1的打击速度其中，σ为p-t曲线的最大膛压，ρ为合金结构钢的密度；
整形器4为圆形黄铜片，直径30～60mm，厚度3～6mm；
2)试验准备：
按照Hopkinson压杆动态压缩试验方法完成应变计6的粘贴及数据线的连接、试样5和整形器4的安装等工作；
3)测试与数据处理：
按照Hopkinson压杆动态压缩试验方法进行试验，以动力源驱动打击杆1至预定的打击速度，由应变计6和数据采集及处理系统进行数据采集，根据Hopkinson压杆动态压缩试验数据处理方法可得到加载应力波波形和试样的动态应力-应变关系。
本发明涉及的模拟膛内发射冲击过载的试验方法，所述动力源为高压气体。
本发明涉及的模拟膛内发射冲击过载的试验方法，所述打击杆1、加载杆2和透射杆3的直径相同、材质相同。
本发明涉及的模拟膛内发射冲击过载的试验方法，所述加载杆2和透射杆3的长度介于打击杆1长度的2～4倍之间。
本发明涉及的模拟膛内发射冲击过载的试验方法，所述合金结构钢的屈服强度不小于800MPa。
本发明所涉及的模拟膛内发射冲击过载的实验方法，可以模拟不同的膛压曲线，实现高过载冲击加载条件的可控和可测量；同时，可以获得试样在模拟膛压加载条件下的动态力学性能。该方法简单、有效、安全、可控，避免了实弹射击试验中操作复杂、费用昂贵及不可控因素多等问题。适用于模拟身管武器膛内构件性能考核和评价，为弹箭武器构件设计和制造提供数据支撑。
附图说明
图1本发明涉及的模拟膛内发射冲击加载的试验装置结构示意图
图2一种典型膛压p-t曲线
图3加载杆2中的加载应力波波形(实施例一)
图4试样5的应力-应变曲线(实施例一)
图5加载杆2中的加载应力波波形(实施例二)
图6试样5的应力-应变曲线(实施例二)
图7加载杆2中的加载应力波波形(实施例三)
图8试样5的应力-应变曲线(实施例三)
其中：1-打击杆，2-加载杆，3-透射杆，4-整形器，5-试样，6-应变计。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。但不作为对发明内容的限定。
实施例一
以模拟某火炮发射过程为例，火炮发射时的膛压p-t曲线如图2所示，膛压达到峰值的加载时间为0.85ms，最大膛压285MPa。
打击杆1、加载杆2和透射杆3均采用直径为80mm的圆柱形杆，材质为40CrNiMoA，屈服强度为835MPa,密度7.85×103kg/m3，纵波波速5000m/s。打击杆1的长度为2000mm，加载杆2的长度为4000mm，透射杆3的长度为4000mm。整形器4为Φ30mm×3mm的黄铜片。由式计算得到打击杆1的预定打击速度为14.5m/s。被测试样5为圆筒状树脂基碳纤维增强复合材料，外径为74mm，内径为60mm，长度为75mm。
按照Hopkinson压杆的试验方法完成应变计6的粘贴及连接、试样5和整形器4的安装。应变计6粘贴于加载杆2和透射杆3表面沿轴向的中间位置；试样5置于加载杆2和透射杆3之间并保证端面紧密贴合；整形器4贴于加载杆2靠近打击杆1的端面中心位置。
用2.5MPa的高压气体驱动打击杆1，实测打击速度为14.7m/s，由应变计6和数据采集及处理系统记录加载杆2中的加载应力波，波形如图3所示，加载应力波的最大加载强度为278MPa，加载阶段时间为0.84ms，与典型膛压p-t曲线接近。有效模拟弹药发射过程工况条件，从而表征样品在发射状态下的动态力学响应(应力-应变关系)。
试验测得试样5的应力-应变关系如图4所示。本方法可实现试样5在类膛压加载条件下的力学响应的测量，可以为试样5的性能评价和设计提供有效的数据支撑。
实施例二
本实施例所模拟的膛压加载历程中，最大膛压为300MPa，膛压到达峰值之前的加载时间为0.45ms。
打击杆1、加载杆2和透射杆3均采用直径为100mm的圆柱形杆，材质为37CrNi3，屈服强度为980MPa。打击杆1的长度为1200mm，加载杆2的长度为3500mm，透射杆3的长度为3500mm。整形器4为Φ40mm×4mm的黄铜片。由式计算得到打击杆1的预定打击速度为15.3m/s。被测试样5与实施例一相同。
用2.4Mpa的高压气体驱动打击杆1，实测打击速度为15.6m/s。试验测得的加载应力波波形如图5所示，加载应力波的最大加载强度为302MPa，加载阶段时间为0.47ms。试验测得试样5的应力-应变曲线如图6所示。
实施例三
本实施例所模拟的膛压加载历程中，最大膛压为500MPa，膛压到达峰值之前的加载时间约为0.3ms。
打击杆1、加载杆2和透射杆3均采用直径为110mm的圆柱形杆，材质为35CrMnSiA，屈服强度为1280MPa。打击杆1的长度为800mm，加载杆2的长度为3200mm，透射杆3的长度为3200mm。整形器4为Φ60mm×6mm的黄铜片。由式计算得到打击杆1的预定打击速度为25.5m/s。被测试样5为圆筒状树脂基碳纤维增强复合材料，外径为70mm，内径为20mm，长度为50mm。
驱动源为弹道火药气体，采用120mm滑膛炮管发射。打击杆1上套两个尼龙弹带，弹带为圆环状，外径120mm，内径110mm，宽度为50mm。两弹带对称的固定于打击杆1两端距端面150mm处。打击杆1的实测打击速度为26.0m/s。，试验测得的加载应力波波形如图7所示，加载应力波的最大加载强度为508MPa，加载阶段时间为0.32ms。测得试样5的应力-应变曲线如图8所示。
Claims (7)
1.一种模拟膛内发射冲击过载的试验方法，采用Hopkinson压杆动态压缩试验方法，包括试验条件设定、试验准备、测试与数据处理步骤，其特征在于：
1)试验条件设定：
打击杆(1)、加载杆(2)及透射杆(3)为合金结构钢，屈服强度不小于p-t曲线的最大膛压，同时不低于被测试样的屈服强度；打击杆(1)的长度L＝(0.45～0.55)ct，其中，c是合金结构钢的纵波波速，t是p-t曲线中膛压上升阶段的时间；加载杆(2)和透射杆(3)的长度不小于打击杆(1)长度L的2倍；
打击杆(1)的打击速度其中，σ为p-t曲线的最大膛压，ρ为合金结构钢的密度；
整形器(4)为圆形黄铜片，直径30～60mm，厚度3～6mm；
试样为圆管结构。
2.根据权利要求1所述的模拟膛内发射冲击过载的试验方法，其特征在于：所述打击杆(1)、加载杆(2)和透射杆(3)均为直径80mm的圆柱形杆，材质为40CrNiMoA；打击杆(1)的长度为2000mm，加载杆(2)的长度为4000mm，透射杆(3)的长度为4000mm；整形器(4)为Φ30mm×3mm的黄铜片；打击杆(1)的预定打击速度为14.5m/s；被测试样(5)外径74mm，内径60mm，长度75mm。
3.根据权利要求1所述的模拟膛内发射冲击过载的试验方法，其特征在于：所述打击杆(1)、加载杆(2)和透射杆(3)均为直径100mm的圆柱形杆，材质为37CrNi3；打击杆(1)的长度为1200mm，加载杆(2)的长度为3500mm，透射杆(3)的长度为3500mm；整形器(4)为Φ40mm×4mm的黄铜片；打击杆(1)的预定打击速度为15.3m/s；被测试样(5)外径74mm，内径60mm，长度75mm。
4.根据权利要求1所述的模拟膛内发射冲击过载的试验方法，其特征在于：所述打击杆(1)、加载杆(2)和透射杆(3)均为直径110mm的圆柱形杆，材质为35CrMnSiA；打击杆(1)的长度为800mm，加载杆(2)的长度为3200mm，透射杆(3)的长度为3200mm；整形器(4)为Φ60mm×6mm的黄铜片；打击杆(1)的预定打击速度为25.5m/s；被测试样(5)外径70mm，内径20mm，长度50mm。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的模拟膛内发射冲击过载的试验方法，其特征在于：所述Hopkinson压杆动态压缩试验方法驱动打击杆所用的动力源为高压气体。
6.根据权利要求1所述的模拟膛内发射冲击过载的试验方法，其特征在于：所述打击杆(1)、加载杆(2)和透射杆(3)的直径相同、材质相同。
7.根据权利要求1所述的模拟膛内发射冲击过载的试验方法，其特征在于：所述加载杆(2)和透射杆(3)的长度介于打击杆(1)长度的2～4倍之间。
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