CN118013701A - 一种炸药装药子弹撞击反应烈度预估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种炸药装药子弹撞击反应烈度预估方法，包括：步骤一，等效缩比试验弹的子弹撞击试验数值仿真模型构建；步骤二，子弹撞击等效缩比试验弹的动力学响应过程分析，受子弹撞击的动力学响应过程分为子弹侵入壳体和子弹侵入装药两个阶段；步骤三，不同装药尺度及约束条件的子弹撞击等效缩比试验弹的试验，判定等效缩比试验弹的反应烈度；步骤四，炸药装药子弹撞击反应烈度预估模型构建及预估。本发明能够预估不同条件下的反应烈度，弥补了全尺寸装药子弹撞击实弹试验难以开展的不足。本发明的主要步骤可在实验室条件下进行，不必多次费时费力进行试验，方法成熟，成本低廉，预估结果可靠性高。
Description
技术领域
本发明属于炸药技术领域，涉及炸药装药安全性，具体涉及一种炸药装药子弹撞击反应烈度预估方法。
背景技术
近年来，随着武器系统使用环境的日益复杂和高价值武器弹药在战场上的大量应用，对武器弹药在战场上生存能力的要求不断提高。炸药装药受意外子弹撞击是现代战场和战时运输途中常见的威胁之一，目前最为权威的低易损弹药危险性评估试验标准(MIL-STD2105D和STANAG 4439-2-10)中，子弹撞击试验都是必不可少的考核项目。
目前炸药装药受子弹撞击反应烈度的研究方法主要有实弹试验、模型试验以及数值仿真方法。实弹试验通常采用制式12.7mm标准穿甲燃烧弹以(850±20)m/s的速度撞击缩比样弹或全尺寸战斗部，这种实弹试验方法简单、直观，但成本高、周期长、安全风险高。模型试验是通过设计试验室装药量的等效模拟试验方法，获取炸药装药在不同加载条件下的反应情况，试验安全性高，研究成本较低，但与真实子弹撞击炸药装药的情况存在差距。数值仿真方法能够显著降低试验成本，并获取试验中无法观测到的材料局部变形、损伤以及反应度等过程参量的变化规律，但数值仿真模型需要结合试验结果进行校准，且目前难以计算得到装药的实际反应等级。
现有研究技术的不足和缺陷表现在以下方面：
(A)现有方法无法获取炸药装药在子弹撞击作用下的反应烈度与内部响应参量之间的关系，
(B)缺少对装药剧烈反应特征的量化研究，无法准确预估装药反应烈度.
(C)全尺寸实弹试验研究方法研究成本高、周期长、安全风险高。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种炸药装药子弹撞击反应烈度预估方法，解决现有技术中全尺寸装药子弹撞击实弹试验难以开展的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种炸药装药子弹撞击反应烈度预估方法，该方法按照以下步骤进行：
步骤一，等效缩比试验弹的子弹撞击试验数值仿真模型构建：
步骤101，开展约束状态下炸药的动态力学性能测试，得到动态压缩应力-应变曲线，获取炸药装药的动态力学参数。
步骤102，基于等效缩比试验弹的结构参数以及步骤101中得到的炸药装药的动态力学参数，采用LS-DYNA软件构建子弹撞击试验数值仿真模型。
步骤二，子弹撞击等效缩比试验弹的动力学响应过程分析：
步骤201，基于步骤一构建的子弹撞击数值仿真模型，仿真计算等效缩比试验弹受子弹撞击的动力学响应过程，所述的受子弹撞击的动力学响应过程分为子弹侵入壳体和子弹侵入装药两个阶段。
步骤20101，第一阶段，子弹侵入壳体：
获取子弹侵入等效缩比试验弹壳体后的子弹速度及装药压力变化规律，对比试验获取的炸药冲击起爆压力阈值，判断装药是否发生冲击起爆。
步骤20102，第二阶段，子弹侵入装药：
若子弹穿透等效缩比试验弹的壳体，进一步侵入装药且并未发生冲击起爆，获取子弹与装药相互作用的摩擦功、剪切功以及装药压力变化规律。
步骤202，基于步骤201的仿真计算方法，对不同装药尺度及约束条件的等效缩比试验弹的子弹撞击实验进行数值仿真，并分析各计算响应参量与装药尺度及约束强度之间的关联性。
步骤三，不同装药尺度及约束条件的子弹撞击等效缩比试验弹的试验：
开展不同装药尺度及约束条件的子弹撞击等效缩比试验弹的试验，获取不同条件下等效缩比试验弹的反应特性，并依据等效缩比试验弹的壳体破坏模式、周围区域的冲击波超压曲线以及地面和见证板破坏情况判定等效缩比试验弹的反应烈度。
步骤四，炸药装药子弹撞击反应烈度预估模型构建及预估：
步骤401，结合步骤二中的数值仿真计算结果以及步骤三中的子弹撞击等效缩比试验弹的试验，构建不同装药尺度以及约束条件下子弹撞击等效缩比试验弹最终反应烈度与炸药自身反应增长特性以及子弹与装药作用过程关键响应参量之间的相关关系，形成炸药装药子弹撞击反应烈度预估模型。
步骤402，基于步骤401中得到的炸药装药子弹撞击反应烈度预估模型实现对全尺寸炸药装药子弹撞击的反应烈度进行预估。
本发明还具有如下技术特征：
步骤101中，所述的炸药选用H-1炸药。
步骤102中，所述的等效缩比试验弹包括壳体，壳体的尾部安装有后端盖，壳体内靠近后端盖的位置安装有装药，装药和壳体的头部之间安装有惰性体。
步骤102中，所述的壳体和后端盖均采用热处理后的30CrMnSi加工而成，后端盖与壳体之间采用M242×6mm螺纹连接，壳体的头部采用截卵形结构，壳体的头部非直段内采用尼龙惰性体填充。
步骤102中，撞击区域的等效缩比试验弹的壳体和装药均采用多层过度网格划分方法。
步骤202中，所述的计算响应参量包括子弹速度、摩擦功、剪切功以及装药压力。
步骤202中，所述的不同装药尺度包括公斤级装药、10kg级装药以及30kg级装药；所述的不同约束条件包括不同的壳体壁厚以及螺纹长度。
步骤三中，子弹撞击等效缩比试验弹的试验采用子弹撞击试验系统进行，所述的子弹撞击试验系统包括等效缩比试验弹，等效缩比试验弹的壳体的右侧设置有验证板，验证板上设置有测速靶，等效缩比试验弹的壳体的左侧从近至远依次同轴布设有测速靶、压力传感器、掩体和子弹发射器。
所述的等效缩比试验弹的后端盖的后侧设置有压力传感器。
所述的等效缩比试验弹的左前侧和左后侧距离10至100m分别布设有一台常速摄像机，所述的等效缩比试验弹的右前侧100m布设有一台高速摄像机。
步骤401中，所述的炸药自身反应增长特性包括燃烧转爆轰距离和冲击起爆阈值。
步骤401中，所述的子弹与装药作用过程关键响应参量包括子弹余速、装药压力、摩擦功和剪切功。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(Ⅰ)本发明通过数值计算模拟子弹撞击试验的试验过程，直观体现出试验过程中装药内部参量响应变化情况，结合试验结果构建试验反应烈度与炸药自身反应增长特性以及子弹与装药作用过程响应参量之间的相关关系，进而形成炸药装药子弹撞击响应等级预估模型，能够预估不同条件下的反应烈度，弥补了全尺寸装药子弹撞击实弹试验难以开展的不足。
(Ⅱ)本发明的主要步骤可在实验室条件下进行，不必多次费时费力进行试验，方法成熟，成本低廉，预估结果可靠性高。
附图说明
图1是本发明的等效缩比试验弹的结构示意图。
图2是本发明的后端盖的结构示意图。
图3是本发明的子弹撞击试验系统示意图。
图中各个标号的含义为：1-测速靶，2-高速摄像机，3-常速摄像机，4-压力传感器，5-验证板，6-等效缩比试验弹，7-掩体，8-子弹发射器。
601-后端盖，602-装药，603-壳体，604-惰性体。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
需要说明的是，本发明中的所有设备和软件，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的设备和软件。例如子弹发射器采用本领域已知常用的子弹发射器，例如LS-DYNA软件为已知的LSTC公司开发的动力分析软件LS-DYNA。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例：
本实施例给出一种炸药装药子弹撞击反应烈度预估方法，该方法按照以下步骤进行：
步骤一，等效缩比试验弹的子弹撞击试验数值仿真模型构建：
步骤101，开展约束状态下炸药的动态力学性能测试，得到动态压缩应力-应变曲线，获取炸药装药的动态力学参数。
步骤102，基于等效缩比试验弹的结构参数以及步骤101中得到的炸药装药的动态力学参数，采用LS-DYNA软件构建子弹撞击试验数值仿真模型。
作为本步骤的一种优选方案，步骤101中，炸药选用H-1炸药。
作为本步骤的一种优选方案，步骤101中，采用基于分离式霍普金森压杆系统的被动围压装置开展约束状态下炸药的动态力学性能测试。基于分离式霍普金森压杆系统的被动围压装置为本领域已知常用的基于分离式霍普金森压杆系统的被动围压装置
本步骤中优选的，步骤102中，等效缩比试验弹是基于全尺寸战斗部局部截取原则设计的。
作为本步骤的一种具体方案，步骤102中，等效缩比试验弹，如图1和图2所示，包括壳体603，壳体的尾部安装有后端盖601，壳体603内靠近后端盖601的位置安装有装药602，装药602和壳体603的头部之间安装有惰性体604。
进一步优选的，步骤102中，如图1和图2所示，壳体603和后端盖601均采用热处理后的30CrMnSi加工而成，后端盖601与壳体603之间采用M242×6mm螺纹连接，壳体603的头部采用截卵形结构，基于直线段局部截取的思想，壳体603的头部非直段内采用尼龙惰性体填充。
作为本步骤的一种优选方案，步骤102中，子弹撞击试验数值仿真模型主要考虑等效缩比试验弹的结构参数以及炸药装药的动态力学参数，包括等效缩比试验弹的几何尺寸和弹体约束条件、试验弹内装药的几何尺寸和材料本构参数及状态方程、子弹尺寸及速度采用12.7mm标准穿甲燃烧弹和(850±20)m/s。
作为本步骤的一种优选方案，步骤102中，为保证模型准确性，撞击区域的等效缩比试验弹的壳体和装药均采用多层过度网格划分方法。
步骤二，子弹撞击等效缩比试验弹的动力学响应过程分析：
步骤201，基于步骤一构建的子弹撞击数值仿真模型，仿真计算等效缩比试验弹受子弹撞击的动力学响应过程，受子弹撞击的动力学响应过程分为子弹侵入壳体和子弹侵入装药两个阶段。
步骤20101，第一阶段，子弹侵入壳体：
获取子弹侵入等效缩比试验弹的壳体后子弹速度及装药压力变化规律，对比试验获取的炸药冲击起爆压力阈值，判断装药是否发生冲击起爆。
步骤20102，第二阶段，子弹侵入装药：
若子弹穿透等效缩比试验弹的壳体，进一步侵入装药且并未发生冲击起爆，获取子弹与装药相互作用的摩擦功、剪切功以及装药压力变化规律。
步骤202，基于步骤201的仿真计算方法，对不同装药尺度及约束条件的等效缩比试验弹的子弹撞击实验进行数值仿真，并分析各计算响应参量与装药尺度及约束强度之间的关联性。
步骤202中，计算响应参量包括子弹速度、摩擦功、剪切功以及装药压力。
步骤202中，不同装药尺度包括公斤级装药、10kg级装药以及30kg级装药；不同约束条件包括不同的壳体壁厚以及螺纹长度。
步骤三，不同装药尺度及约束条件的子弹撞击等效缩比试验弹的试验：
开展不同装药尺度及约束条件的子弹撞击等效缩比试验弹的试验，获取不同条件下等效缩比试验弹的反应特性，并依据等效缩比试验弹的壳体破坏模式、周围区域的冲击波超压曲线以及地面和见证板破坏情况判定等效缩比试验弹的反应烈度。
作为本步骤的一种优选方案，步骤三中，子弹撞击等效缩比试验弹的试验采用子弹撞击试验系统进行，如图3所示，子弹撞击试验系统包括等效缩比试验弹6，等效缩比试验弹6的壳体603的右侧设置有验证板5，验证板5上设置有测速靶1，等效缩比试验弹6的壳体603的左侧从近至远依次同轴布设有测速靶1、压力传感器4、掩体7和子弹发射器8。
等效缩比试验弹6的后端盖601的后侧设置有压力传感器4。
等效缩比试验弹6的左前侧和左后侧距离10至100m分别布设有一台常速摄像机3，等效缩比试验弹6的右前侧100m布设有一台高速摄像机3。
测速靶1距离等效缩比试验弹6迎弹面布设，用于测试子弹撞靶速度。
距离等效缩比试验弹6100m外布设一台高速摄像机3，用于拍摄等效缩比试验弹6的反应过程。
距离等效缩比试验弹610至100m范围内从不同角度共布设两台常速摄像机3，保证等效缩比试验弹6及周边具有较好视场，用于对试验全过程进行监控。
利用压力传感器4测量冲击波超压，在与样弹轴线平行的方向和沿着等效缩比试验弹6轴线的方向布设。压力数据通过数采设备进行记录，采用通断法进行触发，在机枪口处绑设漆包线，当子弹出膛之后，将漆包线打断，触发数采设备。
验证板5用于对等效缩比试验弹6发生爆轰、爆炸或爆燃后的冲击波强度、破片动能(质量和速度)进行监测。
步骤四，炸药装药子弹撞击反应烈度预估模型构建及预估：
步骤401，结合步骤二中的数值仿真计算结果以及步骤三中的子弹撞击等效缩比试验弹的试验，构建不同装药尺度以及约束条件下子弹撞击等效缩比试验弹最终反应烈度与炸药自身反应增长特性以及子弹与装药作用过程关键响应参量之间的相关关系，形成炸药装药子弹撞击反应烈度预估模型。
步骤401中，炸药自身反应增长特性包括燃烧转爆轰距离和冲击起爆阈值。
步骤401中，子弹与装药作用过程关键响应参量包括子弹余速、装药压力、摩擦功和剪切功。
本实施例中具体的，最终通过仿真计算和实验，获取了公斤级(1.67kg、6.55kg)、10kg级(10.45kg、13.1kg)、30kg级(30.53kg、30.65kg)H-1炸药装药在子弹撞击下，3个尺度、9种约束下的计算反应参量和反应烈度。
步骤402，基于步骤401中得到的炸药装药子弹撞击反应烈度预估模型实现对全尺寸炸药装药子弹撞击的反应烈度进行预估。
根据上述具体实施方式，可以看出，本发明通过对等效缩比试验弹子弹撞击试验进行数值仿真，获取子弹侵入试验弹装药情况下的装药压力、摩擦功和剪切功等数值计算响应参量，结合炸药装药燃烧转爆轰距离得到不同尺度、约束条件下试验弹子弹撞击试验结果，进一步分析建立试验反应烈度与数值计算响应参量的相关关系，对反应烈度进行量化表征，最终实现对全尺寸装药子弹撞击反应烈度的预估，弥补了全尺寸装药子弹撞击实弹试验难以开展的不足。
Claims (9)
1.一种炸药装药子弹撞击反应烈度预估方法，其特征在于，该方法按照以下步骤进行：
步骤一，等效缩比试验弹的子弹撞击试验数值仿真模型构建：
步骤101，开展约束状态下炸药的动态力学性能测试，得到动态压缩应力-应变曲线，获取炸药装药的动态力学参数；
步骤102，基于等效缩比试验弹的结构参数以及步骤101中得到的炸药装药的动态力学参数，采用LS-DYNA软件构建子弹撞击试验数值仿真模型；
步骤二，子弹撞击等效缩比试验弹的动力学响应过程分析：
步骤201，基于步骤一构建的子弹撞击数值仿真模型，仿真计算等效缩比试验弹受子弹撞击的动力学响应过程，所述的受子弹撞击的动力学响应过程分为子弹侵入壳体和子弹侵入装药两个阶段；
步骤20101，第一阶段，子弹侵入壳体：
获取子弹侵入等效缩比试验弹壳体后的子弹速度及装药压力变化规律，对比试验获取的炸药冲击起爆压力阈值，判断装药是否发生冲击起爆；
步骤20102，第二阶段，子弹侵入装药：
若子弹穿透等效缩比试验弹的壳体，进一步侵入装药且并未发生冲击起爆，获取子弹与装药相互作用的摩擦功、剪切功以及装药压力变化规律；
步骤202，基于步骤201的仿真计算方法，对不同装药尺度及约束条件的等效缩比试验弹的子弹撞击试验进行数值仿真，并分析各计算响应参量与装药尺度及约束强度之间的关联性；
步骤三，不同装药尺度及约束条件的子弹撞击等效缩比试验弹的试验：
开展不同装药尺度及约束条件的子弹撞击等效缩比试验弹的试验，获取不同条件下等效缩比试验弹的反应特性，并依据等效缩比试验弹的壳体破坏模式、周围区域的冲击波超压曲线以及地面和见证板破坏情况判定等效缩比试验弹的反应烈度；
步骤四，炸药装药子弹撞击反应烈度预估模型构建及预估：
步骤401，结合步骤二中的数值仿真计算结果以及步骤三中的子弹撞击等效缩比试验弹的试验，构建不同装药尺度以及约束条件下子弹撞击等效缩比试验弹最终反应烈度与炸药自身反应增长特性以及子弹与装药作用过程关键响应参量之间的相关关系，形成炸药装药子弹撞击反应烈度预估模型；
步骤402，基于步骤401中得到的炸药装药子弹撞击反应烈度预估模型实现对全尺寸炸药装药子弹撞击的反应烈度进行预估。
2.如权利要求1所述的炸药装药子弹撞击反应烈度预估方法，其特征在于，步骤102中，所述的等效缩比试验弹包括壳体(603)，壳体的尾部安装有后端盖(601)，壳体(603)内靠近后端盖(601)的位置安装有装药(602)，装药(602)和壳体(603)的头部之间安装有惰性体(604)。
3.如权利要求2所述的炸药装药子弹撞击反应烈度预估方法，其特征在于，步骤102中，所述的壳体(603)和后端盖(601)均采用热处理后的30CrMnSi加工而成，后端盖(601)与壳体(603)之间采用M242×6mm螺纹连接，壳体(603)的头部采用截卵形结构，壳体(603)的头部非直段内采用尼龙惰性体填充。
4.如权利要求2所述的炸药装药子弹撞击反应烈度预估方法，其特征在于，步骤102中，撞击区域的等效缩比试验弹的壳体和装药均采用多层过度网格划分方法。
5.如权利要求1所述的炸药装药子弹撞击反应烈度预估方法，其特征在于，步骤202中，所述的计算响应参量包括子弹速度、摩擦功、剪切功以及装药压力。
6.如权利要求1所述的炸药装药子弹撞击反应烈度预估方法，其特征在于，步骤202中，所述的不同装药尺度包括公斤级装药、10kg级装药以及30kg级装药；所述的不同约束条件包括不同的壳体壁厚以及螺纹长度。
7.如权利要求1所述的炸药装药子弹撞击反应烈度预估方法，其特征在于，步骤三中，子弹撞击等效缩比试验弹的试验采用子弹撞击试验系统进行，所述的子弹撞击试验系统包括等效缩比试验弹(6)，等效缩比试验弹(6)的壳体(603)的右侧设置有验证板(5)，验证板(5)上设置有测速靶(1)，等效缩比试验弹(6)的壳体(603)的左侧从近至远依次同轴布设有测速靶(1)、压力传感器(4)、掩体(7)和子弹发射器(8)；
所述的等效缩比试验弹(6)的后端盖(601)的后侧设置有压力传感器(4)；
所述的等效缩比试验弹(6)的左前侧和左后侧距离10至100m分别布设有一台常速摄像机(3)，所述的等效缩比试验弹(6)的右前侧100m布设有一台高速摄像机(3)。
8.如权利要求1所述的炸药装药子弹撞击反应烈度预估方法，其特征在于，步骤401中，所述的炸药自身反应增长特性包括燃烧转爆轰距离和冲击起爆阈值。
9.如权利要求1所述的炸药装药子弹撞击反应烈度预估方法，其特征在于，步骤401中，所述的子弹与装药作用过程关键响应参量包括子弹余速、装药压力、摩擦功和剪切功。
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| CN202410050317.XA CN118013701A (zh) | 2024-01-12 | 2024-01-12 | 一种炸药装药子弹撞击反应烈度预估方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410050317.XA CN118013701A (zh) | 2024-01-12 | 2024-01-12 | 一种炸药装药子弹撞击反应烈度预估方法 |
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| CN118013701A true CN118013701A (zh) | 2024-05-10 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202410050317.XA Pending CN118013701A (zh) | 2024-01-12 | 2024-01-12 | 一种炸药装药子弹撞击反应烈度预估方法 |
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2024
- 2024-01-12 CN CN202410050317.XA patent/CN118013701A/zh active Pending
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