爆炸场热流密度测试方法研究

摘要

战斗部爆炸场对目标的毁伤元主要包括:破片、冲击波超压、窒息效应及热效应等，随着大当量战斗部以及燃料空气战斗部研究的不断深入，爆炸场热毁伤效应越发明显，其毁伤效应主要通过热流密度来衡量，因此，开展针对爆炸场热流密度测试方法的研究有着十分重要的意义。本文根据爆炸场热毁伤测试的要求，结合不同测试方法的优缺点以及目前热流密度传感器的研究现状，提出了一种新型的基于红外探测的接触式热流密度传感器的总体方案设计。 基于AUTODYN软件模拟了40.966kgTNT炸药空中爆炸时的爆炸温度场环境，对爆炸场热毁伤效应进行了初步的评估，从而确定了热流测试系统的设计指标要求，给出了热流密度测试系统的总体方案设计，并根据一维稳态传热理论给出了测试系统的热流密度测试原理，分析得出了传感器测得的热流密度与其热敏元件后壁面温度变化率的关系式。随后开展了热流密度传感器各组成部件（热敏元件、黑体涂层、光学系统、光电转换元件以及传感器壳体等）的具体结构设计及材料选择，并基于ANSYS有限元仿真软件对黑体涂层材料以及热敏元件进行了热力学仿真，探讨了黑体涂层对热敏元件传热的影响，结果显示，黑体涂层只是略微降低了传感器的输出幅值，对传感器的整体结构设计并无影响。此后根据传感器信号的输出特性要求，完成了热流传感器信号调理电路的设计，通过设计放大电路、滤波电路以及变送电路实现了将传感器光电元件输出的毫伏级电压信号转换为0-5V的电压信号输出。最后，以黑体炉为标准辐射源通过绝对式标定方法标定了所设计制作的热流传感器响应灵敏度，得到了传感器的响应灵敏度拟合直线，其线性度误差为5.91％，满足传感器的设计要求，并对热流传感器进行了100kg某温压弹爆炸温度场现场测试实验，结果显示，爆炸场环境热流密度最高可达9.35MW/m2，验证了所设计的热流密度测试系统用于爆炸场测试的可行性。

目录

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摘要

图表目录

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 研究现状及分析

1．2．1 热毁伤效应评估研究现状及分析

1．2．2 热毁伤威力测试方法研究现状及分析

1．2．3 热流密度传感器研究现状及分析

1．4 本文主要研究内容及章节安排

2 热流密度传感器总体方案设计

2．1 爆炸场热流密度测试系统设计指标要求

2．1．1 TNT炸药空中爆炸数值模拟

2．1．2 热毁伤测试系统技术指标设计要求

2．2 热毁伤测试系统的组成

2．3 热流密度传感器基本结构及测试原理

2．3．1 基本结构

2．3．2 热流密度测试原理

2．4 热流密度传感器各组成部件的设计

2．4．1 热敏元件的结构设计及材料选择

2．4．2 黑体涂层的设计

2．3．3 光学系统的设计

2．3．4 光电模块的选择

2．3．5 传感器壳体的设计

2．4 本章小结

3 热流密度传感器信号调理电路的设计及实现

3．1 引言

3．2 信号调理电路的组成及功能要求

3．3 信号调理电路的总体设计

3．2．1 放大电路的设计

3．2．2 变送电路的设计

3．2．3 滤波电路的设计

3．3 PCB板图的设计及实现

3．4 本章小结

4 热流密度测试系统的检测

4．1 引言

4．2 热流密度测试系统标定方法

4．2．1 标定方法简介

4．2．2 标定系统组成

4．3 热流密度测试系统标定实验

4．3．1 标定实验

4．3．2 标定实验结果及分析

4．4 本章小结

5 爆炸场热毁伤测试实验及分析

5．1 实验场地布置

5．2 实验步骤

5．3 实验结果及分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 全文工作总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录