破片战斗部毁伤威力测试关键技术研究

摘要

预制破片战斗部在爆炸过程中伴随着巨大的能量释放，产生强烈的冲击波和高温高压爆轰产物并毁伤目标，破片战斗部毁伤威力测试关键技术的研究为破片战斗部威力评价提供了重要支撑。破片战斗部的主要毁伤元为破片和冲击波，破片依靠其动能击穿并损坏目标，当破片质量一定时其动能则取决于速度。因此破片速度对于计算破片战斗部的杀伤半径和杀伤面积、改进装药结构、提高杀伤威力有着重要意义，是非常重要的战技考核指标，然而破片战斗部爆炸的瞬态特性及各种寄生效应干扰，对破片速度衰减规律的研究提出了更高要求。爆炸冲击波压力的典型表征参量为超压值、正压持续时间和比冲量，但是受爆炸场高温、高压、强火光等寄生效应的影响，往往导致实测值发生畸变且判读困难，因此亟需改进现有的冲击波压力测试装置，并针对获取比冲量、频谱和能量谱等方法展开进一步研究，提高爆炸场冲击波压力测试的可靠性。
　　本文主要采用理论分析、试验研究和数值模拟等方法，重点针对大当量破片战斗部爆炸的两种主要毁伤元，即破片和冲击波的测试方法及相关特性开展研究。全文主要研究内容和结论如下:
　　(1)针对现有的破片速度和冲击波压力测试方法存在的问题进行了详实分析，并在此基础上组建破片速度测试系统、冲击波压力电测系统及基于效应靶的冲击波压力评价系统。破片速度测试系统主要由多组光幕靶和数据采集系统构成，根据“定距测时”的原理获得破片的时间-距离数据，再建立破片速度衰减规律模型。冲击波压力电测系统主要由冲击波压力传感器、数据采集系统等组成，通过分析测试曲线得到压力峰值、正压作用时间、比冲量，以及冲击波压力的频谱和能量谱特征。提出一种基于效应靶的冲击波压力评价方法并建立测试系统，通过爆炸冲击波作用下效应靶的最大变形挠度来评价冲击波压力的毁伤效能。所组建的爆炸场破片速度及冲击波压力测试系统为破片战斗部毁伤威力评价奠定了基础。
　　(2)建立了球形、圆柱体和立方体三种典型预制破片的速度衰减模型及预报破片某点处速度的方程。首先改进设计了一种破片高速加载装置，通过分段试验的方法，分别获取了三种破片在高速段、中速段和低速段的时间-位移值，通过数据拟合获得典型破片的速度衰减系数。结果表明球形破片在三种速度段的衰减系数基本保持稳定，建立的球形破片速度衰减规律模型是可信的;利用cxS-Ma函数关系建立了可预报圆柱体破片和立方体破片初速度和某点处速度的方程，为计算战斗部破片的杀伤半径和杀伤面积提供了理论依据。
　　(3)基于理论分析和数值仿真的结果，设计了一种可抑制寄生效应的传感器安装装置。分析了高机械冲击和热冲击两类重要寄生效应的来源及对冲击波压力传感器的影响机理，分别建立了未加寄生效应抑制装置和加寄生效应抑制装置时传感器系统的数学模型，并通过模拟试验及爆炸场试验对其效果进行了验证。结果表明，带有寄生效应抑制装置的传感器信号在幅值、频率和能量谱上都有效抑制了干扰，为后期冲击波压力频率及能量谱特征分析提供了可靠的数据保障，也为破片战斗部毁伤威力测试方法的改进提供了新的思路。
　　(4)开展了冲击波压力的频谱分析和能量谱分析，针对EMD/HHT方法进行了改进，提高了信号分解的频率分辨率和不确定度;基于小波分析剔除了某实测信号的奇异点;提出了一种稳定化数值积分求取比冲量的计算方法;设计了冲击波压力信号处理软件。结果表明对于同种炸药，低频段能量值比高频段能量值大，对目标的毁伤效能更好;同时随着距离的增加，低频段能量所占比例逐渐增加，高频段的能量所占比例逐渐下降;不同炸药的爆炸冲击波能量谱在高频段和低频段的分布随药量和炸药种类的不同而明显不同，随着炸药TNT当量的增大，能量谱值不断增大，且低频段能量百分比逐渐增加，高频段能量百分比不断减小。稳定化积分方法计算冲击波比冲量的误差小于4.79％，优于常用数值积分方法的最大误差18.644％，对于破片战斗部冲击波压力信号数据处理具有重要的推动作用。
　　(5)提出了一种基于效应靶的冲击波压力评价方法，并根据量纲分析和相似性原理建立了效应靶变形挠度模型。采用有限元分析软件分别开展了不同材料、不同形状和不同尺寸下效应靶变形响应的数值计算，根据结果确定了材料为2A12铝合金、结构尺寸为φ300×2mm的效应靶结构。基于量纲分析的原理，对影响效应靶变形的TNT当量，炸药装填密度、单位质量炸药所释放的能量、爆炸产物的膨胀指数、初始压力、初始密度、绝热指数、直径、厚度、密度、剪切模量、屈服应力、炸距和炸高等因素进行量纲分析，建立了效应靶最大挠度的经验模型。设计了100kg、60kg、20kg三种破片战斗部爆炸条件下的立靶、平靶试验，用回归分析法获得二者经验模型系数。结果表明，立靶与平靶两种结构效应靶最大挠度的试验结果与经验模型计算结果误差分别优于3.59％及3.33％,误差主要来自爆炸场破片击中效应靶而引起额外形变，以及效应靶变形挠度的测量不确定度。模型计算挠度与试验测试值的吻合较好，说明该模型可用于爆炸场冲击波压力的定量评定，对于效应靶用于爆炸场冲击波压力的评定具有指导意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及研究意义

1．2 破片战斗部毁伤威力测试技术研究现状

1．2．1 破片速度测试研究现状

1．2．2 爆炸场冲击波压力测试技术研究现状

1．2．3 基于效应靶的冲击波压力评价方法研究现状

1．3 问题的提出

1．4 论文的主要研究内容及结构安排

2 破片战斗部毁伤威力总体测试要求及测试系统组建

2．1 引言

2．2 破片战斗部毁伤威力总体测试要求

2．3 破片速度测试方法及系统组成

2．3．1 基于铝箔靶的破片速度测量系统

2．3．2 基于光幕靶的破片速度测量系统

2．4 冲击波压力测试及系统组成

2．4．1 引线电测法

2．4．2 存储测试法

2．5 基于效应靶的冲击波压力测试方法及系统组成

2．6 本章小结

3 典型预制破片衰减规律试验研究

3．1 引言

3．2 弹体及破片加载装置设计

3．2．1 弹体设计

3．2．2 破片加载装置设计

3．3 三种典型预制破片速度衰减规律试验

3．3．1 试验方案设计

3．3．2 球形破片试验结果及分析

3．3．3 圆柱体和立方体破片试验结果及分析

3．4 典型破片速度衰减规律分析及建模

3．4．1 球形破片衰减规律分析及建模

3．4．2 圆柱体破片衰减规律分析及建模

3．4．3 立方体破片衰减规律分析及建模

3．5 本章小结

4 冲击波压力传感器寄生效应及其抑制方法研究

4．1 引言

4．2 寄生效应分析

4．2．1 机械冲击及振动的影响

4．2．2 热冲击的影响

4．3 冲击波压力传感器对机械振动及冲击的响应分析

4．3．1 传感器的响应分析

4．3．2 传感器受机械振动干扰的力学模型

4．4 冲击波压力传感器对热冲击的响应分析

4．4．2 传感器受热冲击的力学模型

4．5 寄生效应抑制方法研究

4．5．1 寄生效应抑制装置设计

4．5．2 加机械振动及冲击抑制装置的传感器建模及分析

4．5．3 热冲击抑制装置的数学模型

4．6 寄生效应抑制装置的试验研究

4．6．2 冲击模拟试验研究

4．6．3 爆炸场工况试验研究

4．6．3 热冲击模拟试验研究

4．7 本章小结

5 冲击波压力信号处理方法研究

5．1 引言

5．2 典型的实测冲击波压力信号及分析方法

5．2．1 四种典型的实测冲击波压力信号分析

5．2．2 冲击波压力信号的频谱分析

5．2．3 基于小波分析的奇异点剔除方法

5．4 爆炸冲击波压力比冲量计算方法研究

5．4．1 求取比冲量的常用数值积分方法

5．4．2 稳定化数值积分方法求取比冲量

5．5 基于改进HHT的冲击波压力能量谱分析

5．5．1 Hilbert变换及EMD分解原理

5．5．2 基于小波包的改进HHT方法

5．5．3 爆炸冲击波压力能量谱特征分析

5．6 基于MATLAB的冲击波信号处理软件设计

5．6．1 数据处理软件总体设计

5．6．2 软件功能实现

5．7 本章小结

6 基于效应靶的冲击波压力测试方法研究

6．1 引言

6．2 效应靶方法的工作机理分析

6．3 典型效应靶结构设计

6．3．1 材料选择

6．3．2 效应靶形状的确定

6．3．3 效应靶尺寸的选定

6．3．4 安装结构设计

6．4 效应靶变形的试验验证

6．5 基于量纲分析的爆炸冲击波效应靶变形挠度模型建立

6．5．1 量纲分析的原理

6．5．2 效应靶变形的量纲分析

6．5．3 效应靶模型参数计算

6．6 本章小结

7 全文小结

7．1 论文主要工作及研究成果

7．2 论文的创新点

7．3 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士期间学术成果及科研项目

附录