高聚物药型罩射流形成机理及应用研究

摘要

人类社会的进步与材料技术的发展密切相关。高分子聚合物（高聚物）材料是20世纪发展起来的一大类新材料，高聚物材料一般分为塑料、橡胶和纤维三大类，由于高聚物及其复合材料与传统材料相比，具有独特的性能，在军事和民用领域都得到了越来越广泛的应用。本文主要研究塑料类高聚物材料在聚能效应中的应用，以高聚物的力学性能和力学模型为基础，通过理论分析、试验研究和数值模拟、宏观理论分析和细观机理相结合的研究方法，对高聚物药型罩聚能射流性能及其侵彻机理进行了系统的分析和研究。
　　首先通过万能材料试验机(WDW-20)和分离式霍普金森压杆(SHPB)实验，得到了聚四氟乙烯、尼龙和聚碳酸酯在不同应变率下的拉伸应力-应变曲线和压缩应力-应变曲线。通过实验数据及拟合的曲线，观察到聚四氟乙烯属于软而韧材料，而尼龙和聚碳酸酯则属于硬而韧材料，力学性能都与应变率密切相关。结果表明:(1)尼龙的断裂伸长率最小，拉伸强度最大，而聚四氟乙烯的断裂伸长率最大，拉伸强度最小，聚碳酸酯的力学性能介于二者之间。(2)三种高聚物材料中聚碳酸酯的抗冲击性能最好，尼龙的次之，聚四氟乙烯最差。(3)当在高应变率情况下，聚碳酸酯的应变软化现象与尼龙相似，都没有准静态压缩试验的曲线明显，这表明高聚物材料在高应变率下应变软化和应变硬化会存在竞争趋势。(4)利用静态和动态压缩实验数据，拟合了不同高聚物材料在常温下的Johnson-Cook本构方程。
　　通过研究金属及粉末复合射流形成理论，在考虑高聚物材料特性的情况下，提出了高聚物膨胀射流形成准则，为计算膨胀射流的初始半径提供了理论基础。
　　利用AUTODYN有限元软件对高聚物药型罩形成的射流进行仿真，首先确定了三种高聚物药型罩的Shock状态方程参数，然后对不同的计算方法进行对比研究，选取适合描述高聚物膨胀射流的计算方法，最后研究了高聚物药型罩参数对膨胀射流性能的影响。数值模拟结果表明:不同材料的高聚物射流都具有一定程度的膨胀性，但是由于材料性能的差异，导致射流的膨胀直径和头部的凝实程度不同，其中尼龙射流的膨胀直径最小，聚四氟乙烯射流次之，而聚碳酸酯射流的膨胀直径最大且密实度最高。
　　对已有的金属材料聚能射流和粉末复合材料聚能粒子流的侵彻模型进行介绍和分析，在考虑材料的可压缩性和粘性的基础上，结合高聚物型罩材料的特性，分别研究了高聚物膨胀射流对不同目标靶板的毁伤特性，并与铜射流进行了侵彻对比试验，揭示了高聚物药型罩低炸高大扩孔的毁伤机理。
　　对高聚物射流冲击爆炸反应装甲实现穿而不爆进行了数值模拟研究，分析了炸高对高聚物射流穿而不爆作用的影响，最后分别对聚四氟乙烯和尼龙射流冲击反应装甲进行了试验研究。结果显示:(1)随着炸高的增加，高聚物射流的速度和密度随之减小，而直径和长度则均随之增大，不同材料的射流性能变化程度不同。(2)聚四氟乙烯射流冲击爆炸反应装甲的反应程度随炸高增加逐渐减弱，爆炸反应装甲只在1倍装药口径的炸高处达到完全爆轰的状态，在其它炸高处均处于燃烧以下反应;聚碳酸酯射流则在大于2倍装药口径炸高处都实现了对爆炸反应装甲的穿而不爆;而尼龙射流在不同炸高处均引爆了爆炸反应装甲。(3)通过高聚物射流冲击爆炸反应装甲的数值模拟研究发现，爆炸反应装甲的反应状态主要受高聚物射流头部密度的降低程度和初始接触面积的影响。(4)验证试验结果显示聚四氟乙烯射流可以可靠地实现对爆炸反应装甲穿而不爆的作用，并且减小药型罩锥角可以降低夹层装药的反应程度。
　　本文的研究工作为高聚物材料药型罩聚能装药的设计及其应用提供了新的指导思想。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1研究背景及意义

1．2聚能射流的研究进展

1．2．1聚能射流的发展历程

1．2．2聚能射流成型理论

1．2．3聚能射流的侵彻机理

1．3药型罩材料的研究进展

1．3．1单质金属材料药型罩

1．3．2粉末及其复合材料药型罩

1．3．3非金属材料药型罩

1．4本文的研究目标和内容

第二章高聚物材料力学性能研究

2．1高聚物材料准静态拉伸试验

2．1．1准静态拉伸试验方案设计

2．1．2准静态拉伸试验结果与分析

2．2高聚物材料准静态压缩实验

2．2．1准静态压缩试验方案设计

2．2．2准静态压缩试验结果与分析

2．3高聚物材料动态力学性能实验

2．3．1 SHPB实验装置及技术原理

2．3．2高聚物材料动态SHPB实验结果与分析

2．4高聚物材料本构方程的建立

2．5本章小结

3．1引言

3．2传统聚能射流形成理论

3．2．1经典定常理论

3．2．2 PER改进准定常理论

3．2．3药型罩压垮非定常理论

3．2．4压垮速度的确定

3．2．5抛射角δ计算公式

3．3高聚物射流的运动和伸长

3．3．1高聚物射流特性

3．3．2膨胀射流的形成准则

3．3．3膨胀射流头部的形成

3．4本章小结

4．1引言

4．2高聚物的材料模型

4．2．1状态方程

4．2．2强度模型

4．3高聚物膨胀射流成型过程

4．3．1 SPH算法

4．3．2ALE算法

4．3．3不同高聚物药型罩形成射流性能分析

4．4药型罩厚度对膨胀射流性能的影响

4．5本章小结

5．1引言

5．2聚能射流侵彻的理论模型

5．2．1 经典聚能射流侵彻理论

5．2．2粉末金属射流侵彻理论计算模型分析

5．2．3 高聚物膨胀射流侵彻特性

5．3高聚物射流对轻型装甲的毁伤性能研究

5．3．1药型罩角度对铝靶毁伤性能研究

5．3．2炸高对毁伤性能的影响

5．3．3药型罩厚度对毁伤性能的影响

5．4高聚物射流对钢靶的毁伤性能研究

5．4．1数值仿真结果分析

5．4．2高聚物射流侵彻钢靶试验验证

5．5本章小结

第六章高聚物射流对爆炸反应装甲穿而不爆的研究

6．1高聚物射流对爆炸反应装甲作用机理

6．2高聚物射流冲击爆炸反应装甲的数值模拟研究

6．3高聚物射流冲击爆炸反应装甲验证实验

6．3．1实验方法及条件

6．3．2实验结果及分析

6．4本章小结

7．1工作总结

7．2主要创新点

7．3今后需要做的工作

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的代表性学术成果