兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (5): 1648-1662.doi: 10.12382/bgxb.2022.0944
收稿日期:
2022-10-18
上线日期:
2023-01-10
通讯作者:
基金资助:
YANG Guanxia, WU Haijun, TIAN Ze, DONG Heng*(), HUANG Fenglei
Received:
2022-10-18
Online:
2023-01-10
摘要:
采用撞击方式模拟爆炸/冲击加载是一种有效的实验室规模的加载手段。为探究金属/聚氨酯波形发生器(Polyurethane Waveform Gnerator,PWG)复合弹体的冲击载荷特性及PWG对载荷的调控作用,进行不同尺寸PWG的准静态压缩加载-卸载实验,分析PWG的基本力学特性及PWG的刚度、能量耗散比与PWG尺寸的定性关系。开展不同配置的金属/PWG复合弹体的直接撞击实验,对复合弹体撞击过程进行系统分析,探究冲击速度及PWG尺寸等因素对冲击载荷的影响,并分别建立冲击载荷特征参数与冲击速度、PWG尺寸因子的定量关系。通过金属/PWG复合弹体直接撞击实验的单自由度系统运动方程及PWG动力学模型,探究PWG刚度对冲击载荷的调控作用。研究结果表明:PWG的静刚度系数随直径的增加而增大,随厚度的增加而减小;与PWG直径相比,厚度对能量耗散比的影响更加显著;冲击载荷特征参数与PWG直径D、厚度H的乘积D×H具有显著相关性,且随D×H的增加,峰值压力呈指数下降,持续时间及峰值比冲量分别呈2阶、3阶非线性增长;随着冲击速度的增加,峰值压力和峰值比冲量分别呈现3阶非线性快速增长和线性增长趋势,载荷持续时间则呈现2阶非线性下降趋势;PWG直径对冲击载荷的影响主要通过调控线性静刚度系数α实现,直径越大,α越大,冲击载荷峰值越小,冲量越大,载荷越趋近于半正弦曲线;PWG厚度的影响主要通过调控非线性静刚度系数γ实现,厚度越小,γ越大,冲击载荷峰值越大,冲量越小,载荷的尖峰细腰形状越明显。
中图分类号:
杨冠侠, 武海军, 田泽, 董恒, 黄风雷. 金属/聚氨酯波形发生器复合弹体冲击载荷特性及调控机制[J]. 兵工学报, 2024, 45(5): 1648-1662.
YANG Guanxia, WU Haijun, TIAN Ze, DONG Heng, HUANG Fenglei. Impact Load Characteristic and Regulation Mechanism of Metal/polyurethane Waveform Generator Composite Projectile[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(5): 1648-1662.
D/ mm | l/H=0.5 | l/H=0.6 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
E'/ (kN·mm) | E/ (kN·mm) | δ | E'/ (kN·mm) | E/ (kN·mm) | δ | |
32.5 | 1.805 | 9.343 | 0.192 | 3.005 | 14.806 | 0.202 |
39.0 | 2.43 | 12.718 | 0.190 | 3.967 | 20.033 | 0.197 |
48.0 | 3.801 | 19.414 | 0.195 | 6.384 | 30.757 | 0.207 |
58.0 | 5.795 | 29.009 | 0.200 | 9.594 | 45.436 | 0.211 |
表2 不同直径PWG的能量耗散比(H=25mm)
Table 2 Energy dissipation ratioes of PWGs with different diameters(H=25mm)
D/ mm | l/H=0.5 | l/H=0.6 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
E'/ (kN·mm) | E/ (kN·mm) | δ | E'/ (kN·mm) | E/ (kN·mm) | δ | |
32.5 | 1.805 | 9.343 | 0.192 | 3.005 | 14.806 | 0.202 |
39.0 | 2.43 | 12.718 | 0.190 | 3.967 | 20.033 | 0.197 |
48.0 | 3.801 | 19.414 | 0.195 | 6.384 | 30.757 | 0.207 |
58.0 | 5.795 | 29.009 | 0.200 | 9.594 | 45.436 | 0.211 |
H/ mm | l/H=0.5 | l/H=0.6 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
E'/ (kN·mm) | E/ (kN·mm) | δ | E'/ (kN·mm) | E/ (kN·mm) | δ | |
12 | 4.475 | 15.811 | 0.283 | 7.818 | 25.223 | 0.310 |
25 | 6.024 | 29.231 | 0.206 | 9.70 | 45.78 | 0.212 |
37 | 8.886 | 44.55 | 0.199 | 14.318 | 70.367 | 0.203 |
50 | 10.81 | 61.906 | 0.175 | 20.476 | 101.53 | 0.202 |
表3 不同厚度PWG的能量耗散比(D=58mm)
Table 3 Energy dissipation ratioes of PWGs with different thicknesses(D=58mm)
H/ mm | l/H=0.5 | l/H=0.6 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
E'/ (kN·mm) | E/ (kN·mm) | δ | E'/ (kN·mm) | E/ (kN·mm) | δ | |
12 | 4.475 | 15.811 | 0.283 | 7.818 | 25.223 | 0.310 |
25 | 6.024 | 29.231 | 0.206 | 9.70 | 45.78 | 0.212 |
37 | 8.886 | 44.55 | 0.199 | 14.318 | 70.367 | 0.203 |
50 | 10.81 | 61.906 | 0.175 | 20.476 | 101.53 | 0.202 |
D/mm | α/(N·m-1) | β/(N·m-1) | γ |
---|---|---|---|
32.5 | 84252.85 | 509.78 | 317.51 |
39.0 | 122304.79 | 624.97 | 327.94 |
48.0 | 182625.69 | 830.15 | 336.02 |
58.0 | 266202.53 | 962.92 | 342.00 |
表4 不同直径PWG的静刚度系数(H=25mm)
Table 4 Static stiffness coefficients of PWGs with different diameters (H=25mm)
D/mm | α/(N·m-1) | β/(N·m-1) | γ |
---|---|---|---|
32.5 | 84252.85 | 509.78 | 317.51 |
39.0 | 122304.79 | 624.97 | 327.94 |
48.0 | 182625.69 | 830.15 | 336.02 |
58.0 | 266202.53 | 962.92 | 342.00 |
H/mm | α/(N·m-1) | β/(N·m-1) | γ |
---|---|---|---|
12 | 841657.06 | 1873.84 | 863.06 |
25 | 266202.53 | 962.92 | 342.00 |
37 | 180856.78 | 955.47 | 218.39 |
50 | 125933.70 | 757.91 | 155.27 |
表5 不同厚度PWG的静刚度系数(D=58mm)
Table 5 Static stiffness coefficients of PWGs with different thicknesses (D=58mm)
H/mm | α/(N·m-1) | β/(N·m-1) | γ |
---|---|---|---|
12 | 841657.06 | 1873.84 | 863.06 |
25 | 266202.53 | 962.92 | 342.00 |
37 | 180856.78 | 955.47 | 218.39 |
50 | 125933.70 | 757.91 | 155.27 |
v0/(m·s-1) | pmax/MPa | T/ms | Imax/(kPa·s) |
---|---|---|---|
7.51 | 3.39 | 5.795 | 8.659 |
9.66 | 6.14 | 4.154 | 10.697 |
14.56 | 13.19 | 2.560 | 14.995 |
18.82 | 29.40 | 1.705 | 18.560 |
21.40 | 43.15 | 1.215 | 21.093 |
表6 不同冲击速度撞击实验结果 (D=48mm,H=25mm)
Table 6 Test results at different impact velocities (D=48mm,H=25mm)
v0/(m·s-1) | pmax/MPa | T/ms | Imax/(kPa·s) |
---|---|---|---|
7.51 | 3.39 | 5.795 | 8.659 |
9.66 | 6.14 | 4.154 | 10.697 |
14.56 | 13.19 | 2.560 | 14.995 |
18.82 | 29.40 | 1.705 | 18.560 |
21.40 | 43.15 | 1.215 | 21.093 |
D/mm | pmax/MPa | T/ms | Imax/(kPa·s) | l/H |
---|---|---|---|---|
32.5 | 20.24 | 1.95 | 14.41 | 0.842 |
39.0 | 15.97 | 2.01 | 14.46 | 0.818 |
48.0 | 13.19 | 2.56 | 14.99 | 0.782 |
表7 不同直径PWG配置弹体的撞击实验结果 (H=25mm)
Table 7 Test results for different PWG diameters (H=25mm)
D/mm | pmax/MPa | T/ms | Imax/(kPa·s) | l/H |
---|---|---|---|---|
32.5 | 20.24 | 1.95 | 14.41 | 0.842 |
39.0 | 15.97 | 2.01 | 14.46 | 0.818 |
48.0 | 13.19 | 2.56 | 14.99 | 0.782 |
H/mm | pmax/MPa | T/ms | Imax/(kPa·s) | l/H |
---|---|---|---|---|
12 | 25.55 | 1.23 | 13.49 | 0.801 |
25 | 13.19 | 2.56 | 14.99 | 0.782 |
37 | 9.45 | 3.37 | 15.31 | 0.738 |
50 | 6.98 | 6.36 | 16.38 | 0.717 |
58 | 6.35 | 7.23 | 17.91 | 0.703 |
表8 不同厚度PWG配置弹体撞击实验结果 (D=48mm)
Table 8 Test results for different PWG thicknesses (D=48mm)
H/mm | pmax/MPa | T/ms | Imax/(kPa·s) | l/H |
---|---|---|---|---|
12 | 25.55 | 1.23 | 13.49 | 0.801 |
25 | 13.19 | 2.56 | 14.99 | 0.782 |
37 | 9.45 | 3.37 | 15.31 | 0.738 |
50 | 6.98 | 6.36 | 16.38 | 0.717 |
58 | 6.35 | 7.23 | 17.91 | 0.703 |
特征参数 | 几何因子 | ||||
---|---|---|---|---|---|
D | H | DH | D2H | DH2 | |
pmax | -0.425 | -0.890 | -0.910 | -0.907 | -0.812 |
T | 0.381 | 0.977 | 0.983 | 0.972 | 0.987 |
Imax | 0.348 | 0.981 | 0.981 | 0.966 | 0.977 |
表9 典型几何因子与载荷特征参数的相关性系数
Table 9 Correlation coefficientsamong typical geometric factors and load characteristic parameters
特征参数 | 几何因子 | ||||
---|---|---|---|---|---|
D | H | DH | D2H | DH2 | |
pmax | -0.425 | -0.890 | -0.910 | -0.907 | -0.812 |
T | 0.381 | 0.977 | 0.983 | 0.972 | 0.987 |
Imax | 0.348 | 0.981 | 0.981 | 0.966 | 0.977 |
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doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2021.03.009 |
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2021.03.009 |
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