一种基于等效模型实验的炸药装药侵彻安定性评价方法

技术领域

本发明属于装药安定性技术领域，涉及一种炸药装药安定性评价方法，特别涉及一种基于等效模型实验的炸药装药侵彻安定性评价方法。

背景技术

在近年来的战争中，侵彻战斗部已经成为攻击地下深层目标或舰艇的重要手段。侵彻战斗部在攻击目标靶的过程中，炸药装药需要承受十分复杂和严酷的应力环境，可能导致炸药装药损伤、结构完整性破坏甚至早炸等关键问题，从而影响战斗部的使用安全性和作战效能。因此，需要开展炸药装药在侵彻条件下的安定性评价，为侵彻炸药装药选型及抗侵彻过载高能炸药设计提供依据。

目前，炸药装药侵彻安定性评价的方法主要有实弹射击实验，实验室模型实验和数值仿真。实弹射击实验普遍采用的方法是利用火炮或火箭橇发射缩比弹或1；1实弹侵彻靶目标靶，考核炸药装药的侵彻安定性，这种实验的优点是简单、直观，缺点是费用高，周期长，难以获取相关数据，在科研经费比较充裕情况下可以采用。数值仿真能够降低实验成本，缩短研制周期，但往往由于动态载荷作用下炸药的基本性能参数不准确等原因，使得计算结果和实际情况存在一定偏差，数值仿真只能计算出炸药装药各处所受应力环境，不能直接计算出装药在该应力作用下的反应情况(燃烧、爆燃、爆轰)。实验室模型实验是通过设计模拟加载系统，直接获取炸药装药在不同刺激作用下的响应参量和反应情况，并以此为依据，评价炸药装药的侵彻安定性，研究成本较低，可以开展大量探索实验，适用于项目论证、方案、工程研制和定型的各个阶段。

现有技术的不足和缺陷为：(1)实验室模型实验中炸药装药的受力环境与战斗部侵彻过程炸药装药的受力环境不具有等效性；(2)实弹射击实验评价方法研究成本高、周期长、动态响应参量难以获取。

发明内容

本发明的目的是以实验室等效模拟加载系统为实验载体，提供一种通过模型实验评价炸药装药侵彻安定性的方法。在测量炸药装药动态力学性能和热物性参量的基础上，通过数值仿真确定炸药装药侵彻过程所受到的最大压缩载荷和摩擦载荷，利用相应的等效加载装置，采用强化实验方法，考核炸药装药对相应刺激的耐受能力，并依据强化系数计算炸药装药侵彻安定性的可靠度，最后将通过模型实验计算出的炸药装药侵彻安定性可靠度与工程试验要 求的可靠度进行比对，判断其是否满足工程试验要求。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术解决方案：

一种基于等效模型实验的炸药装药侵彻安定性评价方法，在该方法中所用实验装置为等效加载装置，所述等效加载装置由摩擦载荷模拟实验装置和压缩载荷模拟实验装置组成。

摩擦载荷模拟实验装置包括端盖、传力柱、摩擦筒、样品、模拟药、应变片、套筒和底座，其中，端盖安装在传力柱的一端，传力柱的另一端嵌入摩擦筒的内腔中，在摩擦筒的内腔中还安装有样品，样品两侧的腔体中设置有模拟药；所述的应变片对称设置在摩擦筒的外壁上，摩擦筒远离端盖的一端安装在套筒中，套筒远离端盖的一端安装在底座中。

压缩载荷模拟实验装置包括上击柱、模筒、试样、缓冲垫、下击柱和传感器，试样安装于模筒内，试样两端分别安装有上击柱和下击柱，在上击柱、下击柱与试样之间安装有缓冲垫，传感器安装于下击柱的另一端。

一种基于等效模型实验的炸药装药侵彻安定性评价方法，包括如下步骤：

步骤一：炸药装药动态力学性能和热物性参量获取

炸药装药动态力学性能的实验装置为分离式霍普金森压杆，基本原理是：将炸药装药试件置于两根压杆之间，通过加速撞击杆产生加速脉冲，对试样进行加载。同时利用粘贴在压杆上的应变片来记录脉冲信号。根据压杆上电阻应变片所测得的入射波ε_i、反射波ε_r和透射波ε_t，并结合导杆中的弹性纵波波速c，试样的初始长度l₀，压杆的弹性模量E、压杆截面A以及试样截面A₀，利用公式(1)～(3)便可计算出炸药装药的动态力学性能参量，包括应变率应变ε和应力σ。

$\stackrel{·}{ϵ}=\frac{c}{l_0}({ϵ}_i-{ϵ}_r-{ϵ}_t)---\left(1\right)$

$ϵ=\frac{c}{l_0}{\int }_0^t({ϵ}_i-{ϵ}_r-{ϵ}_t)dt---\left(2\right)$

$\sigma =\frac{A}{2A_0}E({ϵ}_i+{ϵ}_r+{ϵ}_t)---\left(3\right)$

炸药装药的热物性参数主要包括比热容、线膨胀系数和热导率，分别参照GJB772A-97中的方法405.1、方法408.2和方法409.2进行测试。

步骤二：确定炸药装药侵彻过程所受到的最大压缩载荷和摩擦载荷

利用商业软件LS-DYNA，建立战斗部侵彻目标靶的仿真模型，并代入步骤一获取的炸药装药动态力学性能和热物性参量，计算炸药装药在侵彻过程中所受到的大压缩载荷和摩擦载荷。

步骤三：等效强化模型实验

依据步骤二的计算结果，摩擦载荷和压缩载荷分别采用“摩擦功率密度等效”原则和“应力率等效”原则，利用相应的等效加载装置，选取不同的模型实验强化系数(即整倍数的增大数值仿真计算结果)，观测炸药装药在不同强化系数时的反应情况。

步骤四：炸药装药侵彻安定性可靠度计算

基于等效强化模型实验中选取的强化系数及炸药装药的反应情况计算炸药装药侵彻安定性的可靠度。

炸药装药侵彻安定性可靠度可用应力-强度干涉模型进行分析和计算。等效强化实验中增大了炸药装药受到的压缩和摩擦载荷，炸药装药安定性可靠度强化实验模型见图1，曲线1为等效强化条件下压缩/摩擦载荷概率密度曲线，曲线2为炸药装药起爆阈值概率密度曲线。

强化实验条件下炸药装药侵彻安定性的可靠度R_L、N为：

$R_{L,N}=\Phi \left\{\frac{{\mu }_s-{\mu }_d}{\sqrt{{\mu }_s^2{c}_s^2+{\mu }_d^2{c}_d^2}}\right\}=\Phi \left\{\frac{{\eta }_d-1}{\sqrt{{\eta }_d^2{c}_s^2+c_d^2}}\right\}---\left(4\right)$

式中，μ_s、c_s、μ_d、c_d分别为炸药装药起爆阈值和等效强化实验条件下压缩/摩擦载荷的均值与变差系数，η_p＝μ_s/μ_d为等效强化实验条件下的强化系数。

步骤五：炸药装药侵彻安定性评价

工程试验中，侵彻战斗部侵彻目标靶后，炸药装药安定的可靠度应大于0.999，基于步骤四计算出的炸药装药安定性可靠度R_L、N，若其值大于0.999，则判定为炸药装药安定，满足工程试验要求，否则，不满足。

本发明的一种基于等效模型实验的炸药装药侵彻安定性评价方法，带来的技术效果体现在以下几个方面：

(1)采用“应力率等效原则”和“摩擦功率密度等效原则”，设计了实验室模型实验装置，模型实验中炸药装药的受力环境与战斗部侵彻过程炸药装药的受力环境相等效，能够真实反映出炸药装药在摩擦和压缩载荷作用下的响应参量和反应情况；

(2)本发明提出的炸药装药侵彻安定性评价方法，和实验室等效模型实验相匹配，能够实现对炸药装药侵彻安定性的评价，和实弹射击实验相比，研究成本低、周期短、性价比高。

附图说明

图1是炸药装药侵彻安定性可靠度强化实验模型。

图2本专利所述一种基于等效模型实验的炸药装药侵彻安定性评价方法示意图。

图3是摩擦载荷模拟实验装置示意图。

图4是压缩载荷模拟实验装置示意图。

图5是等效强化模型实验中测得的摩擦载荷波形图。

图6是等效强化模型实验中测得的压缩载荷波形图。

图中的标号分别表示：11、端盖 12、传力柱 13、摩擦筒 14、样品、15、模拟药 16、应变片 17、套筒 18、底座、19、上击柱、20、模筒、21、试样、22、缓冲垫、23、下击柱、24、传感器。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步阐述。

如图1-图4，一种基于等效模型实验的炸药装药侵彻安定性评价方法，在该方法中所用实验装置为等效加载装置5，所述等效加载装置5由摩擦载荷模拟实验装置6和压缩载荷模拟实验装置7组成。

摩擦载荷模拟实验装置6包括端盖11、传力柱12、摩擦筒13、样品14、模拟药15、应变片16、套筒17和底座18，其中，端盖11安装在传力柱12的一端，传力柱12的另一端嵌入摩擦筒13的内腔中，在摩擦筒13的内腔中还安装有样品14，样品14两侧的腔体中设置有模拟药15；所述的应变片16对称设置在摩擦筒13的外壁上，摩擦筒13远离端盖11的一端安装在套筒17中，套筒17远离端盖11的一端安装在底座18中。实验时，通过高速运动的弹丸撞击端盖11，由传力柱12对样品14施加轴向压缩应力，并利用传力柱12的最大运行距离控制摩擦载荷的行程；由于套筒17的内孔为变径中心孔，快速冲压作用使得摩擦筒13内的模拟药15和样品14产生周向膨胀，由粘贴于摩擦筒3侧壁外圆周上的应变片16测量其周向应变，依据厚壁筒理论，即可得到样品14摩擦过程中所受周向压力。通过周向压力及速度，进而可得到摩擦功率密度。

压缩载荷模拟实验装置7包括上击柱19、模筒20、试样21、缓冲垫22、下击柱23和传感器24，试样21安装于模筒20内，试样21两端分别安装有上击柱19和下击柱23，在上击柱19、下击柱23与试样21之间安装有缓冲垫22，传感器24安装于下击柱19的另一端。实验时，通试样21安装于模筒20内，试样21两端分别安装有上击柱19和下击柱23，在上击柱19、下击柱23与试样21之间安装有缓冲垫22。记录炸药装药所受应力载荷的传感器24安装于下击柱19的另一端。实验中，通过高速运动的弹丸撞击上击柱19实现对试样21的冲击加载，利用传感器24记录实验过程中的应力波形。

所述的一种基于等效模型实验的炸药装药侵彻安定性评价方法，包括如下步骤：

步骤一：炸药装药动态力学性能和热物性参量获取

炸药装药动态力学性能的实验装置为分离式霍普金森压杆，基本原理是：将炸药装药试件置于两根压杆之间，通过加速撞击杆产生加速脉冲，对试样进行加载。同时利用粘贴在压杆上的应变片来记录脉冲信号。根据压杆上电阻应变片所测得的入射波ε_i、反射波ε_r和透射波ε_t，并结合导杆中的弹性纵波波速c，试样的初始长度l₀，压杆的弹性模量E、压杆截面A以及试样截面A₀，利用公式(1)～(3)便可计算出炸药装药的动态力学性能参量，包括应变率应变ε和应力σ。

$\stackrel{·}{ϵ}=\frac{c}{l_0}({ϵ}_i-{ϵ}_r-{ϵ}_t)---\left(1\right)$

$ϵ=\frac{c}{l_0}{\int }_0^t({ϵ}_i-{ϵ}_r-{ϵ}_t)dt---\left(2\right)$

$\sigma =\frac{A}{2A_0}E({ϵ}_i+{ϵ}_r+{ϵ}_t)---\left(3\right)$

炸药装药的热物性参数主要包括比热容、线膨胀系数和热导率，分别参照GJB772A-97中的方法405.1、方法408.2和方法409.2进行测试。

步骤二：确定炸药装药侵彻过程所受到的最大压缩载荷和摩擦载荷

利用商业软件LS-DYNA，建立战斗部侵彻目标靶的仿真模型，并代入步骤一获取的炸药装药动态力学性能和热物性参量，计算炸药装药在侵彻过程中所受到的大压缩载荷和摩擦载荷。

步骤三：等效强化模型实验

依据步骤二的计算结果，压缩载荷和摩擦载荷分别采用“应力率等效”和“摩擦功率密度等效”原则，利用相应的等效加载装置，选取不同的模型实验强化系数(即整倍数的增大数值仿真计算结果)，观测炸药装药在不同强化系数时的反应情况。

步骤四：炸药装药侵彻安定性可靠度计算

基于等效强化模型实验中选取的强化系数及炸药装药的反应情况计算炸药装药侵彻安定性的可靠度。

炸药装药侵彻安定性可靠度可用应力-强度干涉模型进行分析和计算。等效强化实验中增大了炸药装药受到的压缩和摩擦载荷，炸药装药安定性可靠度强化实验模型见图1，曲线1为等效强化条件下压缩/摩擦载荷概率密度曲线，曲线2为炸药装药起爆阈值概率密度曲线。

强化实验条件下炸药装药侵彻安定性的可靠度R_L、N为：

$R_{L,N}=\Phi \left\{\frac{{\mu }_s-{\mu }_d}{\sqrt{{\mu }_s^2{c}_s^2+{\mu }_d^2{c}_d^2}}\right\}=\Phi \left\{\frac{{\eta }_d-1}{\sqrt{{\eta }_d^2{c}_s^2+c_d^2}}\right\}---\left(4\right)$

式中，μ_s、c_s、μ_d、c_d分别为炸药装药起爆阈值和等效强化实验条件下压缩/摩擦载荷的均值与变差系数，η_p＝μ_s/μ_d为等效强化实验条件下的强化系数。

步骤五：炸药装药侵彻安定性评估

工程试验中，侵彻战斗部侵彻目标靶后，炸药装药安定的可靠度应大于0.999，基于步骤四计算出的炸药装药安定性可靠度R_L、N，若其值大于0.999，则判定为炸药装药安定，满足工程试验要求，否则，不满足。

下面将通过具体实施例进行说明：

实施例1：

本实施例为装填高能炸药的战斗部以900m/s速度侵彻6米厚的钢筋混凝土靶。

步骤一：炸药装药动态力学性能和热物性参量获取

采用分离式霍普金森压杆测试了炸药装药在应变率为3200s^-1、3700s^-1和4300时的动态力学性能参量，其应力分别为25.6MPa、28MPa和30MPa，应变分别为1.9％、2.4％和2.8％。

按照GJB772A-97中的方法405.1、方法408.2和方法409.2测得炸药装药的比热容、线膨胀系数和热导率分别为：1.327J/g/℃、9.1(10^-5K^-1)和1.21W/(m·K)。

步骤二：确定炸药装药侵彻过程所受到的最大压缩载荷和摩擦载荷

利用商业软件LS-DYNA，建立500kg战斗部以900m/s撞击速度侵彻6米厚的钢筋混凝土靶的仿真模型，并代入步骤一获取的炸药装药动态力学性能和热物性参量，计算出炸药装药的所受到的压缩载荷和摩擦载荷。压缩载荷用应力表征，最大应力为500MPa，应力上升时间约为80us，即应力率为6.25MPa/us，摩擦作载荷用摩擦功率密度表征，其峰值为9.5×10⁷w/m²。

步骤三：等效强化模型实验

摩擦载荷模拟实验采用“摩擦功率密度等效”准则，即强化模型实验中炸药装药所承受的摩擦功率密度为炸药装药侵彻过程中所受摩擦功率密度的整数倍。采用图3所示的摩擦载荷模拟实验装置，选择强化系数为2和3，即加载摩擦功率密度分别为1.9×10⁸w/m²和2.85×10⁸w/m²，图5是等效强化模型实验中测得的摩擦载荷波形图。实验结果表明，两种强化条件下，炸药装药均未燃未爆。

压缩载荷模型采用“应力率等效”准则，即强化模型实验中炸药装药所承受的应力率为炸药装药侵彻过程中所受应力率的整数倍。采用图4所示的压缩载荷模拟实验装置，选择强化系数为2和3，即加载应力率分别为12.5MPa/us和18.75MPa/us，图6是等效强化模型实验中测得的冲击压缩载荷波形图。实验结果表明，两种强化条件下，炸药装药均未燃未爆。

步骤四：炸药装药侵彻安定性可靠度计算

针对钢筋混凝土靶标，一般取c_s＝0.10，c_d＝0.08，依据公式(4)可计算出强化系数为2倍和3倍时，炸药装药侵彻安定性的可靠度分别为0.9996和0.9998。

步骤五：炸药装药侵彻安定性评价

基于步骤四的计算结果，在两种强化加载条件下战斗部以900m/s撞击速度侵彻6米厚的钢筋混凝土靶后炸药装药安定的可靠度均大于0.999，判断为炸药装药安定，满足工程试验要求。该评价方法得到的结果与1:1实弹工程试验结果相符，说明了该评价方法的有效性。

实施例2：

本实施例为装填高能炸药的500kg级战斗部以700m/s速度侵彻30mm厚的钢靶，炸药装药侵彻安定性评价所用装置及步骤同实施例1。

炸药装药在应变率为3000s^-1、3500s^-1和4100时的动态力学性能参量，其应力分别为28.6MPa、35MPa和41MPa，应变分别为1.9％、1.8％和1.6％。炸药装药的比热容、线膨胀系数和热导率分别为：1.245J/g/℃、8.2(10^-5K^-1)和0.77W/(m·K)。

LS-DYNA计算结果显示炸药装药所受最大压缩应力为800MPa，应力上升时间约为40us，即应力率为20MPa/us，最大摩擦功率密度为3.2×10⁷w/m²。

等效强化模型试验中选择强化系数为2和3的强化实验，结果表明两种强化条件下，炸药装药均未燃未爆。

针对钢板靶标，一般取c_s＝0.12，c_d＝0.10，依据公式(4)可计算出强化系数为2倍和3倍时，炸药装药侵彻安定性的可靠度分别为0.9992和0.9995。即：在两种强化加载条件下战斗部以700m/s撞击速度侵彻30mm厚的钢靶后炸药装药安定的可靠度均大于0.999，判定为炸药装药安定，满足工程试验要求。该评价方法得到的结果与1:1实弹工程试验结果相符，说明了该评价方法的有效性。