CN106052491B - 一种模拟爆炸冲击波和高速破片群联合载荷作用试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟武器战斗部近距爆炸后形成的爆炸冲击波和高速密集破片群联合载荷作用的试验方法，包括以下五个步骤：步骤1，确定缩比战斗部模型尺寸，计算爆炸后破片的初速和着靶目标结构的破片数量、破片质量分布，计算等效预制破片的质量、尺寸和数量；步骤2，制作步骤1所述的等效预制破片；步骤3，确定等效装药的装药型式，包括装药种类、装药形状、装药尺寸；步骤4，制作步骤3所述的等效装药；步骤5，将步骤2所述的等效预制破片、步骤4所述的等效装药、引爆电雷管组装成等效缩比战斗部。

Description

一种模拟爆炸冲击波和高速破片群联合载荷作用试验方法

技术领域

本发明涉及防护工程领域，尤其涉及一种能用于模拟武器战斗部近距爆炸后形成的爆炸冲击波与高速密集破片群对防护结构、人员设备等的联合毁伤破坏效应的试验方法。

背景技术

随着武器技术的迅速发展，现代武器的性能大大增强。当战斗部装药完成爆轰，壳体碎裂后，会形成爆炸冲击波和高速破片两种毁伤载荷。爆炸冲击波和高速破片是常规弹药爆炸对防护结构产生破坏效应的主要因素。破片毁伤载荷属于局部强冲击载荷，其冲击能量密度很高，通过破片的高速撞击和侵彻，削弱目标结构的强度，从而使其丧失部分或全部功能；爆炸冲击波载荷属于分布强冲击载荷，通过使目标结构产生变形、破坏、振动等响应而使其丧失既定功能。实际上，结构在两种载荷联合作用下的毁伤效应与单一载荷作用有着显著区别，在一定条件下，两种载荷的联合作用具有叠加增强效应，而并不是两者单独作用于结构的破坏效应的简单叠加。在防护结构设计中，必须兼顾考虑这两种载荷的联合毁伤效应，仅仅考虑单一载荷的毁伤作用是远远不够的。

目前，研究武器战斗部对目标结构的联合毁伤效应主要通过以下三种手段实现：(1)实弹爆炸试验；该方法能够获得真实、准确、可靠的毁伤结果，但模型尺寸大、设计制作周期长、制造成本高、耗资大，实施难度较大；(2)数值仿真；该方法受制于两个条件，一是爆炸场计算需要的网格密度大、单元总数多、计算时长大，计算成本很高；二是爆炸场存在气体和固体的多重藕合作用，现有的算法难以准确模拟这种情况，精确度无法保证，且数值仿真需要大量试验提供基础数据和修正依据；(3)模拟试验；该方法是通过建立防御目标和目标结构的等效模型，开展战斗部毁伤效应试验；该方法试验成本相对实弹爆炸试验低，在合适的缩尺下，试验效果与实弹爆炸试验基本等效，是目前研究采用的一种非常有效的方法；但该方法对试验场地条件要求非常严苛，为确保人员和试验设备安全，试验须在大型的开放式隐秘试验场地进行(需要耗费大量人力物力对试验场地进行安全排查)，或者须在试验模型四周设置严格的辅助防护设施；若模型尺度过大，则要求试验场地更为隐蔽，或者辅助防护设施更为厚重，这对试验场地条件的要求更为苛刻，需要耗费更多的人力物力。

因此，采用适当的试验方法和发射装置，用以模拟武器战斗部近炸产生的爆炸冲击波和高速破片联合毁伤载荷，对于开展目标结构在武器战斗部近炸下的毁伤效应研究具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述背景技术存在的不足，提出一种可在爆炸洞等室内试验场进行的、可模拟武器战斗部空中近距爆炸对目标结构的联合毁伤效应的试验方法，能够简单安全且科学合理的进行防护结构抗联合毁伤性能试验研究。

为达到上述目的，本发明采用如下技术解决方案：

一种模拟武器战斗部近距爆炸产生的爆炸冲击波和高速破片群联合毁伤载荷对目标结构的联合作用的试验方法，即采用炸药爆炸驱动预制破片方式，包括确定等效预制破片的分布、制作等效预制破片、确定等效装药的装药形式、制作等效装药、组装等效缩比战斗部五个步骤；所述等效缩比战斗部由引爆电雷管、等效装药、等效预制破片三个部分组成；所述引爆电雷管用于引爆等效装药，安装于等效装药的引爆面；所述等效装药为等效缩比梯恩梯装药，用于产生爆炸冲击波毁伤载荷，推动预制破片飞行和对目标结构产生冲击作用；所述等效预制破片粘贴于等效装药的接触面，用于模拟高速破片毁伤载荷；本发明的特征在于：

(1)确定等效预制破片的分布步骤，包括下述子步骤：

(1.1)确定缩比战斗部模型尺寸；

确定防御目标，根据相似理论及试验条件需要，确定缩比战斗部模型比例，得到缩比战斗部模型尺寸；以下计算过程均按照缩比模型尺寸进行计算；

(1.2)计算缩比战斗部的破片初速V₀；

装药爆轰后，战斗部壳体碎裂形成破片，破片飞行一定距离后，速度达到峰值，定义该速度峰值为破片的初始速度，记为V₀；

对于圆柱形战斗部，单位：m/s；

其中，弹药装填系数装药量单位：kg；壳体质量单位：kg；

对于球对称战斗部，单位：m/s；

其中，弹药装填系数式中，装药量单位：kg；壳体质量单位：kg；

上述各式中，为战斗部装药的格林比能，与装药种类相关，单位：m/s；ρ_e为战斗部装药密度，与装药种类有关，单位：kg/m³；r₀为战斗部装药半径，单位：m；L₀为战斗部装药长度，单位：m；Q_vf为装药爆热，与装药种类有关，单位：J/kg；梯恩梯装药爆热Q_TNT＝4186×10³J/kg；ρ_s为战斗部壳体材料密度，与壳体材料种类有关，单位：kg/m³；δ₀为战斗部壳体厚度，单位：m；

所述装药为梯恩梯、黑索金、奥克托金、黑梯炸药中的一种；

装药特征参数见下表：

所述战斗部壳体材料为钢或铜，钢包括45#钢、30CrMnSiNi2A、35CrMnSiA；

壳体特征参数见下表：

(1.3)计算缩比战斗部爆炸产生的破片总数N_T、破片质量分布；

破片总数

其中，破片总数N_T单位：枚；破片分布系数单位： kg^1/2；装药化学常数B单位：kg^1/2/m^7/6，与装药种类有关；

进一步地，质量大于m_s的破片累积数目

进一步地，单枚质量在质量区间(m_s1，m_sj]内的破片累积数目：

其中，0≤i≤j，m_s1≤m_sj；

进一步地，破片平均质量

(1.4)计算目标结构的着靶破片数量N₀；

假设武器战斗部尺寸远小于目标结构模型尺寸及爆距，取目标结构平面形状为正方形；

对于圆柱形战斗部，角度单位：°；

对于中心起爆的球形战斗部，其中，θ为有效作用角；角度单位：°；

上述各式中，L_a为目标结构的边长，单位：m；R为爆心至目标结构的垂直距离，单位：m；

(1.5)计算着靶破片的初始动能；

所有着靶目标结构的破片的初始动能总和单位：J；

(1.6)确定等效预制破片的质量、尺寸、数量分布：

取等效预制破片平面形状为正方形，厚度t＝δ₀，其中，δ₀为缩比战斗部壳体厚度；单枚质量等效预制破片总数

进一步地，单枚等效预制破片平面面积单位：m²；

进一步地，单枚等效预制破片边长单位：m；

(2)制作等效预制破片步骤；

由有资质的工厂按照步骤(1.6)中确定的尺寸和数量生产等效预制破片；

(3)确定等效装药的装药形式步骤，包括下述子步骤：

(3.1)计算考虑壳体效应的缩比战斗部等效装药当量M_ef；

对于圆柱形战斗部，单位：kg；

对于球形战斗部，单位：kg；

上述各式中，r_m为壳体破裂时的半径，与战斗部壳体材料有关，钢壳战斗部r_m＝1.5r₀，铜壳战斗部r_m＝2.24r₀；τ为爆轰产物多方指数，与装药种类有关；

(3.2)根据能量相似原理，计算缩比战斗部的等效梯恩梯装药质量

单位：kg；

(3.3)根据能量守恒定律，计算等效装药的梯恩梯装药质量

单位：kg；

(3.4)计算等效装药的尺寸；

取等效装药的装药种类为梯恩梯，装药形状为圆柱形，接触面为正对目标结构的装药底面，所述接触面为等效预制破片与等效装药的接触面；

等效装药的底面积单位：m²；

进一步地，等效装药的装药半径单位：m；

进一步地，等效装药的装药长度单位：m；

(4)制作等效装药步骤；

由有资质的工厂按照步骤(3.4)中计确定的尺寸和种类生产等效装药；

(5)组装等效缩比战斗部步骤，包括下述子步骤：

(5.1)在等效装药的接触面上生成等效预制破片的坐标，使等效预制破片能密集对称布置于等效装药的接触面；所述坐标为等效预制破片形心坐标；所述坐标轴为以接触面圆心为原点，装药长度方向为纵轴的直角坐标系；

(5.2)清除试验场地内的非试验人员，严格按照相关规程做好安全检查工作；

(5.3)根据步骤(5.1)中确定的每枚等效预制破片的坐标，按照一一对应原则，采用粘结剂将等效预制破片紧密粘贴于等效装药的接触面；所述粘结剂可为双面胶、透明胶、强力胶水。

(5.4)在等效装药的引爆面安装引爆电雷管；所述引爆雷管用于引爆等效装药。

本发明可以同时产生爆炸冲击波、高速破片模拟弹丸，可用于进行武器战斗部近炸条件下目标结构的毁伤程度评估试验、防护结构的抗毁伤性能试验、战斗部爆炸威力试验等需要同时产生爆炸冲击波、高速破片两种毁伤载荷的试验中。

附图说明

图1是本发明的流程框图；

图2是战斗部爆炸后破片飞散示意图；

图3是实施例一中圆柱形缩比战斗部模型中纵剖视图；

图中标记：战斗部装药长度L₀，战斗部装药半径r₀，战斗部壳体厚度δ₀；

图4是实施例一中圆柱形缩比战斗部相对目标结构的空间位置示意图；

图中标记：目标结构边长L_a，战斗部爆心距目标结构垂直距离R；

图5是实施例二中球形缩比战斗部模型剖视图；

图中标记：战斗部装药半径r₀，战斗部壳体厚度δ₀。

图6是实施例二中球形缩比战斗部相对目标结构的空间位置示意图；

图中标记：目标结构边长L_a，战斗部爆心距目标结构垂直距离R；

图7是本发明中等效缩比战斗部的主视图；

图中标记：1为等效装药，2为等效预制破片，3为引爆电雷管；

图8是图7的A-A剖视图。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明包括确定等效预制破片的分布步骤、制作等效预制破片步骤、确定等效装药的装药形式步骤、制作等效装药步骤、组装等效缩比战斗部步骤。

实施例一、本例为模拟某圆柱形战斗部空中爆炸产生的爆炸冲击波和高速破片群联合载荷的试验方法，如图2所示，为战斗部爆炸后破片飞散概图；

包括下述步骤：

(1)确定等效预制破片的分布步骤，包括下述子步骤：

(1.1)确定缩比战斗部模型尺寸；

防御目标战斗部为圆柱形，装药为梯恩梯装药，装药密度为1610kg/m³，装药长度为0.50m，装药半径为0.175m；战斗部壳体材料料为45#钢，壳体厚度为0.02m；

按照相似理论及试验条件需要，确定缩比模型的缩尺比例为1∶5，即缩比战斗部仍为圆柱形，装药选用梯恩梯装药，圆柱形战斗部剖面图如图3所示；装药密度ρ_e＝1610kg/m³，装药长度为L₀＝0.10m，装药半径为r₀＝0.035m；战斗部壳体材料料选用45#钢，壳体材料密度ρ_s＝7800kg/m³，壳体厚度为δ₀＝0.004m；

(1.2)计算缩比战斗部的破片初速V₀；

缩比战斗部装药量M_e＝0.620kg，梯恩梯装药的格林比能梯恩梯装药爆热Q_TNT＝4186×10³J/kg，梯恩梯爆轰产物多方指数τ＝2.94；缩比战斗部壳体材料破裂半径r_m＝0.0525m；壳体质量M_s＝0.725kg，弹药装填系数 a-0.854；计算破片初始速度V₀＝1791.8m/s；

(1.3)计算缩比战斗部爆炸产生的破片总数N_T、质量分布；

梯恩梯装药化学常数B＝3.3kg^1/2/m^7/6，破片分布系数μ＝1.44×10^-2kg^1/2，破片总数N_T＝1740枚；破片平均质量

(1.4)计算目标结构的着靶破片数量N₀；

取目标结构边长L_a＝0.4m，缩比战斗部采用端部单点起爆方式，爆心距目标结构的垂直距离为R＝0.4m；目标结构的着靶破片数量N₀＝137枚；

(1.5)计算着靶破片的初始动能；

所有着靶破片的初始动能总和E_fk＝90.97kJ；

(1.6)确定等效预制破片的质量、尺寸、数量分布；

取等效预制破片平面形状为正方形，厚度t为缩比战斗部壳体厚度δ₀，即 t＝0.004m，单枚质量单枚等效预制破片平面面积 单枚等效预制破片边长等效预制破片总数枚；

(2)制作等效预制破片步骤；

由有资质的工厂按照步骤(1.6)中确定的尺寸和数量生产等效预制破片；

(3)确定等效装药的装药形式步骤，包括下述子步骤：

(3.1)计算考虑壳体效应的缩比战斗部等效装药当量M_ef；

缩比战斗部等效装药当量M_ef＝0.495kg；

(3.2)根据能量相似原理，计算缩比战斗部的等效梯恩梯装药质量缩比战斗部的等效梯恩梯装药质量

(3.3)根据能量守恒定律，计算等效装药的梯恩梯装药质量等效装药的梯恩梯装药质量

(3.4)计算等效装药的尺寸；

取等效装药的装药种类为梯恩梯，装药形状为圆柱形，接触面为正对目标结构的底面，等效装药的底面积为

进一步地，等效装药的装药半径为r_TNT＝0.024m；

进一步地，等效装药的装药长度为l_TNT＝0.177m；

(4)制作等效装药步骤；

由有资质的工厂按照步骤(3.4)中计确定的尺寸和种类生产等效装药；

(5)组装等效缩比战斗部步骤，包括下述子步骤：

(5.1)清除试验场地内的非试验人员，严格按照相关规程做好安全检查工作；

(5.2)在等效装药的接触面上密集布置等效预制破片紧密；采用粘结剂将等效预制破片紧密粘贴于等效装药的接触面；

(5.3)在等效装药的引爆面安装引爆电雷管，如图7、图8所示。

实施例二、本例为模拟某球形战斗部空中爆炸产生的爆炸冲击波和高速破片联合载荷的试验方法，如图2所示，为战斗部爆炸后破片飞散概图；

包括下述步骤：

(1)确定等效预制破片的分布步骤，包括下述子步骤：

(1.1)确定缩比战斗部模型尺寸；

防御目标战斗部为球形，装药为奥克托金装药，装药密度为1890kg/m³，装药半径为0.2m；战斗部壳体材料料为30CrMnSiNi2A，壳体厚度为0.02m；

按照相似理论及试验条件需要，确定缩比模型的缩尺比例为1∶4，即缩比战斗部仍为球形，装药选用奥克托金装药，球形战斗部剖面图如图5所示；装药密度ρ_e＝1890kg/m³，装药半径为r₀＝0.05m；战斗部壳体材料料选用 30CrMnSiNi2A，壳体材料密度ρ_s＝7800kg/m³，壳体厚度为δ₀＝0.005m；

(1.2)计算缩比战斗部的破片初速V₀；

缩比战斗部装药量M_e＝0.989kg，奥克托金装药的格林比能奥克托金装药爆热Q_vf＝6191×10³J/kg，Q_TNT＝4186×10³J/kg，奥克托金爆轰产物多方指数τ＝2.91；缩比战斗部壳体材料破裂半径r_m＝0.075m；壳体质量 kg，弹药装填系数α＝0.732；计算破片初始速度V₀＝1651.7m/s；

(1.3)计算缩比战斗部爆炸产生的破片总数N_T、质量分布；

奥克托金装药化学常数B＝3.1kg^1/2/m^7/6，破片分布系数μ＝1.83×10^-2kg^1/2，破片总数N_T＝2025枚；破片平均质量

(1.4)计算目标结构的着靶破片数量N₀；

目标结构边长L_a＝0.5m，缩比战斗部采用端部单点起爆方式，爆点距目标结构的垂直距离为R＝0.5m；目标结构的着靶破片数量N₀＝299枚；

(1.5)计算着靶破片的初始动能；

所有着靶破片的初始动能总和E_fk＝272.04kJ；

(1.6)确定等效预制破片的质量、尺寸、数量分布；

取等效预制破片平面形状为正方形，厚度t为缩比战斗部壳体厚度δ₀，即t＝0.005m，单枚质量单枚等效预制破片平面面积 单枚等效预制破片边长等效预制破片总数枚；

(2)制作等效预制破片步骤；

由有资质的工厂按照步骤(1.6)中确定的尺寸和数量生产等效预制破片；

(3)确定等效装药的装药形式步骤，包括下述子步骤：

(3.1)计算考虑壳体效应的缩比战斗部等效装药当量M_ef；

缩比战斗部等效装药当量M_et＝0.651kg；

(3.2)根据能量相似原理，计算缩比战斗部的等效梯恩梯装药质量

缩比战斗部的等效梯恩梯装药质量

(3.3)根据能量守恒定律，计算等效装药的梯恩梯装药质量

等效装药的梯恩梯装药质量

(3.4)计算等效装药的尺寸；

取等效装药的装药种类为梯恩梯，装药形状为圆柱形，接触面为正对目标结构的底面，等效装药的底面积为

进一步地，等效装药的装药半径为r_TNT＝0.040m；

进一步地，等效装药的装药长度为l_TNT＝0.125m；

(4)制作等效装药步骤；

由有资质的工厂按照步骤(3.4)中计确定的尺寸和种类生产等效装药；

(5)组装等效缩比战斗部步骤，包括下述子步骤：

(5.1)清除试验场地内的非试验人员，严格按照相关规程做好安全检查工作；

(5.2)在等效装药的接触面上密集布置等效预制破片紧密；采用粘结剂将等效预制破片紧密粘贴于等效装药的接触面；

(5.3)在等效装药的引爆面安装引爆电雷管，如图7、图8所示。

Claims (2)

1.一种模拟爆炸冲击波和高速破片群联合载荷作用的试验方法，其特征在于该方法由以下步骤实现：步骤1，确定缩比战斗部模型尺寸，计算爆炸后破片的初速和着靶目标结构的破片数量、破片质量分布，计算等效预制破片的质量、尺寸和数量；步骤2，制作步骤1所述的等效预制破片；步骤3，确定等效装药的装药型式，包括装药种类、装药形状、装药尺寸；步骤4，制作步骤3所述的等效装药；步骤5，将步骤2所述的等效预制破片、步骤4所述的等效装药、引爆电雷管组装成等效缩比战斗部。

2.如权利要求1所述的模拟爆炸冲击波和高速破片群联合载荷作用的试验方法，其特征是所述步骤2、步骤3的顺序可以任意互换。