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    2022年 第43卷 第9期    刊出日期:2022-10-09
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    2022, 43(9):  0. 
    摘要 ( )   PDF (241653KB) ( )  
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    摘要 ( )   PDF (1120KB) ( )  
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    论文
    国内外防弹标准防护等级的研究与对比
    张洋洋, 赵洪山, 彭伟, 胡春东, 杨志刚, 董瀚
    2022, 43(9):  2017-2036.  doi:10.12382/bgxb.2022.0626
    摘要 ( )   PDF (4633KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    一部完善合理的防弹标准不仅可以对防弹材料的防护等级进行正确的划分,而且能为行动指挥者面对危险时选用不同的防护装备提供高效实用的指导。各个国家或国际组织的防弹标准根据各自特殊情况所制定,因此不同国家的防弹标准在防护级别上有所差异。主要从防弹衣、防弹头盔、装甲防护车辆、透明装甲材料和其他防弹设备四个方面归纳了一些国内外常用防弹标准,对不同防弹标准中各防护级别的弹丸侵彻能量进行横向对比,并对其中4种常用测试弹丸的弹心材质和形貌结构进行比较与分析。通过对常用防弹标准的对比与分析,总结出国内外常用防弹标准在防护等级和所测试弹丸威力等方面的异同,期望能对从事相关行业的研究人员选用或修改完善防弹标准有所启发与帮助。
    单兵救援助力外骨骼机器人的设计与特性分析
    宋纪元, 朱爱斌, 屠尧, 张甲林, 张育林
    2022, 43(9):  2037-2047.  doi:10.12382/bgxb.2021.0729
    摘要 ( )   PDF (13697KB) ( )  
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    针对单兵救援人员对装甲车内伤员实施救助时体力不足的问题,开展外骨骼辅助救援者的设计与特性分析研究。通过对人体弯腰提升过程运动机理的研究,开展救援外骨骼的机构设计、运动学与动力学分析。基于分散负载的理念,融合外骨骼方案和外肢体方案,提出一种辅助人体提升重物的并联助力机构,设计一种单兵救援提升助力系统,完成救援外骨骼的样机研制并通过实验验证了样机运动的有效性。研究结果表明:救援外骨骼机器人能够实现救援者提升过程的运动需求,并能够实现分散救援者负载、提高救援效率的目标。
    反无人机用空间条网牵引展开仿真与试验研究
    刘一鸣, 熊自明, 陈曦, 仲思东, 王德荣
    2022, 43(9):  2048-2057.  doi:10.12382/bgxb.2022.0258
    摘要 ( )   PDF (10760KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对作战无人机拦截问题,提出了一种区别于现有绳网拓扑结构的空间条网拦截方法。围绕条网牵引展开性能及滞空姿态等关键问题,建立了空间条网的动力学模型,通过等比例模型数值模拟,研究了不同时刻下空间条网的网型姿态、网绳内力和位形变化过程,开展了相同工况下的地面验证试验,对特征时刻下条网展开的特征参数做出分析。将条网仿真结果与地面发射试验对比后发现,二者条网展开过程基本吻合,验证了该拦截方法的可行性和有效性,为大变形柔性系统的仿真与试验研究提供参考。
    防爆装备对TNT炸药爆炸强噪声的防护性能
    刘瀚, 赵耀, 郭志威, 冯顺山, 黄广炎
    2022, 43(9):  2058-2074.  doi:10.12382/bgxb.2022.0064
    摘要 ( )   PDF (12561KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    爆炸强噪声是炸药爆炸过程中伴随的一种非致命毁伤元素,对人耳听器造成直接损伤危害。在分析爆炸强噪声感知及传播机理基础上,开展不同TNT药量爆炸噪声测试,研究裸爆(FAB)、柔性防爆罐(FEP)和钢制防爆罐(SEP)的爆炸强噪声声压/声压级传播规律,得到了两种防爆装备相对于裸爆时的爆炸强噪声防护性能。研究结果表明爆炸强噪声具有典型的低频率高声压/声压级特征:距爆心20~40 m,FAB、FEP、SEP峰值声压分别衰减约50%、52%和48%,峰值声压级分别衰减约5.7%、4.7%和4.9%;峰值声压/声压级传播历时ΔtFAB=ΔtSEP=ΔtFEP=0.057 s;FEP削弱峰值声压52%~93.5%,降低峰值声压级4.8%~9.1%,SEP削弱峰值声压24.6%~93%,降低峰值声压级1.4%~6.9%;将人耳损伤划分成4个等级,FAB以Ⅳ级和 Ⅲ级损伤为主,FEP以Ⅲ级、Ⅲ级向Ⅱ级过渡两种损伤为主,SEP以Ⅳ级向Ⅲ级损伤过渡、Ⅲ级两种损伤为主。
    破片侵彻戴防弹头盔头部靶标钝击效应数值模拟
    聂伟晓, 温垚珂, 董方栋, 覃彬, 罗小豪, 童梁成
    2022, 43(9):  2075-2085.  doi:10.12382/bgxb.2022.0428
    摘要 ( )   PDF (12365KB) ( )  
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    为研究低速破片对于佩戴防弹头盔的人体头部靶标的杀伤效应,基于枪弹侵彻防弹头盔的3D-DIC试验和和头部撞击试验验证复合材料头盔仿真模型和头部有限元模型的准确性,构建6 mm钢球破片侵彻戴防弹头盔人体头部靶标的数值模型,开展破片从正面、侧面和顶部3个方向的侵彻效应数值模拟。研究结果表明:当破片以600 m/s的入靶速度侵彻时,正面、侧面和顶部侵彻弹着点处的瞬态鼓包高度分别为10.2 mm、11.3 mm和11.5 mm,表明有头部支撑头盔的情况下破片侵彻造成的背面鼓包高度接近;正面侵彻过程弹着点底部颅骨应力最大,侧面侵彻颅骨弹着点底部应力最小,破片侵彻造成的颅骨应力均不会超过损伤阈值,表明低速破片侵彻不会造成颅骨损伤;正面、侧面和顶部侵彻造成的颅内压峰值分别为495 kPa、110 kPa和327 kPa,表明在破片侵彻中侧面的防护效果最好,正面和顶部的颅内压峰值可以造成脑损伤。
    基于破片穿深的人员不同损伤严重度发生概率评估方法
    王建民, 陈魁君, 李彤华, 李冠桦, 樊壮卿, 张洁元, 陈斌, 杨光明, 康建毅, 陈菁, 段朝霞, 曹凌宇, 王涵
    2022, 43(9):  2086-2100.  doi:10.12382/bgxb.2022.0513
    摘要 ( )   PDF (4879KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    破片是爆炸性武器的主要杀伤因素,破片致人员损伤严重度的评估是爆炸性武器杀伤威力评估的主要内容。着眼于战场人员的作业能力需求,筛选与损伤严重度判定有关的重要组织器官;基于损伤定级标准与美军战伤评分为基础的损伤严重度评估,建立了不同组织器官不同穿深时的损伤严重度判据;提出了破片在软组织中穿深的计算模型,建立了破片在不同穿透深度时所致不同程度损伤严重度的发生概率。结果表明,基于破片穿深可有效预测人员不同损伤严重度发生概率,为破片人员目标杀伤威力评估提供数学模型。
    手枪弹撞击戴防弹头盔人体头颈部靶标的钝击效应
    沈周宇, 温垚珂, 闫文敏, 董方栋, 张俊斌, 李颖
    2022, 43(9):  2101-2112.  doi:10.12382/bgxb.2021.0858
    摘要 ( )   PDF (9088KB) ( )  
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    防弹头盔虽然能有效防御手枪弹的贯穿性杀伤,但是头盔的瞬态变形仍有可能对人体头部造成严重损伤。为研究头盔致头部钝击伤,采用仿真软件Abaqus用户材料子程序 VUMAT编 写适用于模拟复合材料防弹头盔力学性能的渐进损伤本构模型,基于防弹头盔三维数字图像相关法试验结果验证了仿真模型的准确性;开展9 mm铅芯手枪弹以343 m/s的速度撞击佩戴防弹头盔人体头颈部靶标的数值模拟,获得头盔鼓包高度、颅骨应力、颅内压力和颈椎应力等钝击效应特征量。研究结果表明:头盔未佩戴在人体头部时,顶部弹着点处的瞬态最大鼓包高度可以达到 27.7 mm; 头盔佩戴在人体头部后,由于头部的支撑作用,弹着点处的头盔壳瞬态最大变形量减小为10.73 mm;钝击过程中颅骨上的最大应力达到46.97 MPa,并有单元失效,表明颅骨发生了凹陷性骨折;颅内压力最大值达到208.7 kPa,能够造成大脑等重要器官的中度损伤;各颈椎骨上均有较大应力;各椎间盘中心髓核处应力较大,C2~C3椎间盘上的应力最大,达到2.65 MPa。
    弹道明胶动态力学性能试验与本构模型研究
    蒋明飞, 许辉, 黄陈磊, 刘坤, 吴志林
    2022, 43(9):  2113-2120.  doi:10.12382/bgxb.2022.0449
    摘要 ( )   PDF (6629KB) ( )  
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    弹道明胶被广泛用作生物医学和终点弹道中的软组织模拟物,其动态力学特性的准确测试一直是创伤弹道学领域重点关注的话题。为解决明胶材料在动态测试中出现的透射信号微弱、非均匀变形等问题,霍普金森压杆装置选用铝合金压杆搭配半导体应变片,同时采用波形整形技术及薄片试样等手段,开展4 ℃环境下浓度10%和20%弹道明胶的动态力学性能试验。试验结果表明:明胶的动态力学响应呈非线性,应力-应变曲线由弹性段及3个塑性强化段组成;应力动态增加因子与归一化应变率的对数呈线性关系;考虑应变率效应的多项式本构模型可较好地描述明胶在高应变率下的力学行为。研究成果可为轻武器杀伤元侵彻明胶靶标的数值仿真工作提供支撑。
    基于爆炸冲击波的头盔防护性能
    伍杨, 覃彬, 王舒, 熊漫漫, 安硕, 卢海涛, 张先锋
    2022, 43(9):  2121-2128.  doi:10.12382/bgxb.2022.0553
    摘要 ( )   PDF (5500KB) ( )  
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    针对爆炸冲击波致脑损伤的防护问题,开展基于爆炸冲击波的头盔防护性能研究,结合壁面压力传感器和颅脑模拟靶标,形成不同头盔结构和头盔内不同位置的冲击波防护试验测试方法,获取模拟靶标前额、颅顶和颅后的压力-时间变化曲线,分析爆炸冲击波在有/无防护条件下的颅脑表面传播规律。试验结果表明:头盔均能有效削弱冲击波超压,前额超压峰值可从无防护的352.57 kPa削弱至戴QGF-03式头盔的151.31 kPa,戴上全盔后则可削弱至11.36 kPa;冲击波在有防护的颅脑靶标传播过程中易发生绕射和叠加汇聚效应,与无防护相比,QGF-03式头盔内颅后超压提高了50%~100%,FAST头盔内颅后超压提高了9%,盔内压力作用时间显著增长,其中防护面罩可以大幅削弱爆炸冲击波对头部的作用,对前额和面部冲击波超压的削弱可达75%;全盔防护效果最好,能在前额、颅顶和颅后三处分别削弱90%、87%、80%超压峰值,密闭性对冲击波防护具有积极作用。
    电击武器作用生物体与含盐明胶模拟靶的相似性
    覃彬, 臧立伟, 高曈, 安硕, 罗湘娜
    2022, 43(9):  2129-2135.  doi:10.12382/bgxb.2022.0551
    摘要 ( )   PDF (4253KB) ( )  
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    建立适用于电击武器评估的标准的非生物模拟靶有利于消除生物个体差异,对于准确评价电击武器性能并确保其使用安全性具有重要意义。测试了电击武器对生猪的输出特性,验证了生物体的电容性阻抗特性;基于成分相似、作用体积相近及含盐量调整,试制了含盐0.1%、0.2%、0.4%的明胶模拟靶,通过电击明胶靶实验发现含盐明胶靶等效阻抗曲线与生物体相似,并存在与电击加载频率相关的分段阻抗特性。研究结果表明:0.1%含盐量的靶标与生物体相比,在输出电流方面的误差不超过7.72%,在输出电压、输出电流与等效负载电阻方面的误差都不超过25.63%,与生物体相似性最好。
    混杂结构复合材料防弹性能研究
    李伟萍, 龙知洲, 陈珺娴, 张华, 马天
    2022, 43(9):  2136-2142.  doi:10.12382/bgxb.2022.0456
    摘要 ( )   PDF (3270KB) ( )  
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    为探讨不同混杂结构对防弹性能的影响规律,根据芳纶Ⅱ和芳纶Ⅲ纤维力学性能特点,设计制备7种不同混杂比例的复合材料,每种混杂比例有芳纶Ⅲ为迎弹面或背弹面两种铺层顺序。采用1.1 g标准模拟破片、51式7.62 mm铅芯弹等对各种混杂结构的复合材料进行性能测试,研究了铺层顺序、混杂比例等对抗冲击性能和防弹性能等的影响规律。研究结果表明:低速冲击下,随着芳纶Ⅲ复合材料含量的增加,混杂结构复合材料的最大载荷时间逐渐降低,即同一时间内,芳纶Ⅲ可以吸收更多的能量;芳纶Ⅲ复合材料为迎弹面或背弹面,其穿透概率50%的弹道极限速度v50均随着芳纶Ⅲ质量含量的增加而提高,趋势为v50开始提升速度较大,质量含量超过30%时,v50提升速度明显趋缓,芳纶Ⅲ质量含量超过70%,v50提升不明显。当芳纶Ⅲ复合材料位于迎弹面时,混杂结构复合材料v50较高,这一现象在芳纶Ⅲ复合材料质量含量为30%~70%时最为明显,同时,芳纶Ⅲ复合材料含量的增加有利于减小防弹头盔弹击后的变形量。
    高性能复合纤维的防刺机理
    刘宇航, 黄广炎, 张宏, 周宏元
    2022, 43(9):  2143-2151.  doi:10.12382/bgxb.2021.0513
    摘要 ( )   PDF (4814KB) ( )  
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    近年来持刀袭警、袭医事件屡有发生,防刺服作为保障生命的最后一道防线至关重要。目前防刺服主要由高性能复合纤维制成,虽通过了标准穿刺测试,但其防刺机理尚不明晰。以3种典型防刺材料——浸胶芳纶布、无纬PE布和平纹芳纶布为研究对象,基于刚度、硬度、准静态穿刺和动态穿刺实验,研究相同面密度下3种材料的防刺机理。研究结果表明:防刺材料的硬度和弯曲刚度越大,准静态刺破力和动态刺破力越大,抵抗变形和刀具刺透的能力越强,防刺性能越好;刀具动能大部分转换为防刺服和背衬材料的动能和变形能,材料破坏吸能较少,研发防刺服的重点不在于吸能,而应增加其硬度及弯曲刚度。研究成果可为下一代轻质柔性防刺服的研发提供理论参考。
    UHMWPE纤维二维织物抗弹道冲击性能
    解亚宸, 黄广炎, 张宏, 周颖
    2022, 43(9):  2152-2163.  doi:10.12382/bgxb.2021.0648
    摘要 ( )   PDF (15305KB) ( )  
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    超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维织物由于高模量、高强度、低密度等特点,被广泛应用于爆炸破片防护领域。基于Abaqus有限元分析方法,根据UHWMPE二维织物弹道冲击实验结果,建立UHMWPE二维织物的细观数值模型,并在细观纱线模型中考虑边界固定方式及尺寸效应的问题,同时开展弹道实验,对数值模型进行校正。鉴于细观纱线模型的纤维织物尺寸较小时对二维织物抗弹性能影响较大,而增加纤维织物尺寸带来了更多计算成本,建立细观-宏观混合尺度模型。该模型在提高计算效率的同时,其计算结果与实验结果具有良好的一致性。基于混合尺度模型,比较二维织物在不同头部形状弹丸(平头、尖头、球头)冲击下的弹道性能并与实验结果对比,主要评估参量为弹道极限和织物失效形式。结果表明:二维编织物抗平头弹冲击性能最优;在100 m/s 以下的低速冲击下,抗尖头弹冲击性能较球头弹更优;在100 m/s以上的高速冲击下,抗球头弹冲击性能较尖头弹更优。
    生物软组织力学测试及相关理论研究
    康巍, 徐鹏, 卜伟平, 岳艳鲜, 王丽珍, 樊瑜波
    2022, 43(9):  2164-2171.  doi:10.12382/bgxb.2022.0444
    摘要 ( )   PDF (2389KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    合理的本构模型及正确的材料参数是进行有效数值计算以及靶标制备来表征生物软组织高速撞击下力学响应的前提方法。对典型的生物软组织及材料力学测试方法从单一加载模式拓展到剪切加载乃至混合加载进行了阐述,均进行详细的理论推导并得到各个模式下的主伸长。结果表明:基于各个加载模式下的主伸长,可以得到应力主面、形变最大值及方向来评估生物软组织及其对应仿生靶标的最大受力面及破坏程度等,便于深入探索生物软组织细观结构及模拟材料设计与其宏观力学性能相关性规律,旨在建立更加科学合理的人体仿生靶标。
    水下爆炸对比格犬损伤试验研究
    沈文妮, 侯立军, 唐佳炜, 穆春元, 张浩宇, 徐涛
    2022, 43(9):  2172-2181.  doi:10.12382/bgxb.2022.0461
    摘要 ( )   PDF (5727KB) ( )  
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    为研究水下爆炸下水中作战人员的损伤模式和阈值,作者使用试验专用比格犬作为人体替代物,分别开展了克级、千克级TNT水下爆炸试验,直接观察到比格犬在水下爆炸冲击波与气泡脉动作用下的全过程响应,试验结果表明:水下爆炸作用下,含气器官如肺、听器等,遭遇冲击波、气泡、负压等载荷的作用,损伤最为严重,且无论头部是否露出水面,脑部都会产生一定程度的损伤;在同等水下爆炸条件下,潜泳战位比格犬的损伤半径约为泅渡战位的2.5倍;获取了泅渡与潜泳战位比格犬在水下爆炸下的损伤模式和阈值,可为人员水下爆炸冲击伤预测和救治提供参考。
    冲击波作用有/无防护颅脑靶标动态响应规律
    熊漫漫, 覃彬, 徐诚, 安硕, 伍杨
    2022, 43(9):  2182-2189.  doi:10.12382/bgxb.2022.0483
    摘要 ( )   PDF (4547KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    为探究真实工况下冲击波作用颅脑动态响应特性,开展单兵火箭弹膛口冲击波作用有/无防护颅脑靶标试验。分析颅脑内不同位置的压力特性和演化历程,并对比有/无防护下颅脑内压力变化。对比结果表明:无头盔颅脑内压力时程曲线表现出非典型冲击波特征,超压上升速度较慢,持续时间较长,并有正负压交替振荡效应,振荡周期为1 ms左右;无头盔颅脑内不同位置,压力峰值差异显著,冲击对侧表现出显著的负压特征,其正压力峰值超过冲击侧近1倍,但不同位置的冲量大小比较接近;头盔防护后颅脑内不同位置的压力衰减率差异显著,带头盔后冲击波对侧颅脑区域压力峰值和冲量衰减较明显并且会削弱或抑制冲击对侧的负压效应,而冲击侧颅脑区域衰减不明显,甚至有部分区域颅脑压力峰值增强。
    基于人体解剖结构的单兵防护后损伤评估
    李子轩, 温垚珂, 董方栋, 夏海龙, 彭磊, 郑浩
    2022, 43(9):  2190-2199.  doi:10.12382/bgxb.2022.0383
    摘要 ( )   PDF (8092KB) ( )  
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    为评估人体靶标在穿戴防弹衣情况下,枪弹钝击或穿透防弹衣时对人体造成的损伤严重度,基于真实人体切片数据构建了穿戴防弹衣的数字化人体模型,采用高速摄影机拍摄枪弹侵彻有防护明胶靶标过程,获得明胶靶标内部瞬时空腔的演化数据,并建立瞬时空腔简化模型。采用简明损伤定级标准(AIS)评价单个组织器官的损伤情况,分别基于最大简明损伤评分(MAIS)和新损伤严重度评分(NISS)损伤评估算法给出钝击和穿透防弹衣情况下人体相应部位的损伤评分结果,并进行死亡率预测。开发了人体易损性评估软件,获得了某枪弹以不同速度钝击和穿透穿防弹衣人体时,对人体造成的损伤严重度评分值。研究结果表明:当某枪弹以速度638 m/s射击穿防弹衣人体胸部时产生钝击损伤,人体损伤评分结果为MAIS=3、NISS=27,死亡率预测结果为12.88%;当某枪弹以速度714 m/s 射击穿防弹衣人体胸部时,枪弹穿透防弹衣直接侵彻人体组织,人体损伤评分结果为MAIS=5、 NISS=75,死亡率预测结果为97%。
    枪弹冲击下头-颈动力学响应及颈部被动肌影响
    范鑫, 黄星源, 常利军, 王天昊, 赵永飞, 蔡志华
    2022, 43(9):  2200-2209.  doi:10.12382/bgxb.2022.0457
    摘要 ( )   PDF (8443KB) ( )  
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    针对战场环境下弹体、破片的威胁,研究枪弹冲击下头-颈动力学响应及颈部被动肌影响。利用已建立并通过验证的头盔-头-颈有限元模型,开展9 mm手枪弹冲击数值模拟,获得有/无被动肌作用下人体头-颈动力学响应。研究结果表明:正面冲击时,首先头部额骨处产生应力集中,随后颈部后伸,颈部应力主要集中于下颈椎椎体,椎间盘前侧产生拉伸失效;在被动肌作用下,头部质心最大位移减少31.38%,颈椎椎骨与椎间盘连接处应力以及椎间盘最大应力均降低,椎间盘最大应力减少28.76%;颈部被动肌起到重要的保护作用,可缓解头-颈后伸,减轻颈椎的损伤,在颈部损伤评估中应考虑被动肌的影响。该研究结果可为颈部损伤评估和颈部防护装备的设计提供参考。
    人体防护装备用碳化硼抗弹陶瓷应用探析
    魏汝斌, 董彬, 王小伟, 张文婷, 刘欣, 杜亚媚, 翟文
    2022, 43(9):  2210-2218.  doi:10.12382/bgxb.2022.0478
    摘要 ( )   PDF (1391KB) ( )  
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    碳化硼(B4C)陶瓷具有高强度、高耐磨、高硬度和低密度的“三高一低”特性,是最理想的装甲陶瓷材料。针对人体防护装备对高性能、轻量化抗弹陶瓷的应用需求,综述了B4C抗弹陶瓷的应用研究进展。分析了抗弹陶瓷防弹性能影响因素,综合比较了各种烧结工艺的优缺点,总结了烧结助剂体系和陶瓷增韧技术途径,并对B4C抗弹陶瓷应用中面临的挑战与发展需求进行了展望。
    弹膛偏移对小口径埋头枪弹挤进动态响应的影响
    许辉, 张瑞洁, 蒋明飞, 刘坤, 吴志林
    2022, 43(9):  2219-2230.  doi:10.12382/bgxb.2022.0380
    摘要 ( )   PDF (9500KB) ( )  
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    为研究弹膛偏移对埋头弹挤进过程动态响应的影响,以小口径埋头枪弹为研究对象,考虑聚合物弹帽与枪管对弹头的共同作用,采用显式动力学方法,耦合经典内弹道方程,建立了动态挤进过程弹-枪相互作用数值仿真模型。分析弹膛偏移量对弹头质心偏量、膛内偏角和挤进阻力的影响,开展了弹帽结构优化设计,利用多参数同步测量技术进行埋头弹姿态和精度试验,验证了设计方案的有效性。研究结果表明,随着弹膛偏移量的增加,弹头挤进结束时质心偏量、膛内偏角和最大挤进阻力均增大,降低了埋头弹-枪系统的精度,影响了系统寿命和安全性,通过优化弹帽结构,可大幅度减小膛内运动质心偏量,改善弹头偏角和最大挤进阻力。研究成果为埋头弹-枪系统设计及优化提供了技术支撑。
    大口径机枪枪管内膛烧蚀行为与微观机理
    窦彩虹, 靳鹏飞, 陈俊宇, 汪从珍, 李建军, 张程, 张诚, 黄进峰
    2022, 43(9):  2231-2240.  doi:10.12382/bgxb.2022.0561
    摘要 ( )   PDF (13277KB) ( )  
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    为进一步探究枪炮身管内膛烧蚀机理,采用扫描电子显微镜、透射电镜等方法对比分析了现用大口径枪钢30SiMn2MoV与新型长寿命枪钢MPS700V内膛烧蚀形貌与微观组织特征,在此基础上,通过促进点燃试验对比了两种枪钢烧蚀行为,揭示了枪管内膛烧蚀的组织演化规律与微观机理。寿终内膛组织分析表明,两种枪管烧蚀裂纹尖端同时形成三个区域,分别为硫化物区、氧化物区和基体区,其中氧化物区中发现熔化非晶氧化物,MPS700V的氧化物区和硫化物区厚度均小于30SiMn2MoV。烧蚀模拟实验结果表明:直径为1~10 mm的MPS700V试样的烧蚀临界压力比相同尺寸下的30SiMn2MoV试样高30%以上;直径3.2 mm镀铬MPS700V试样的烧蚀临界压力比相同尺寸的镀铬30SiMn2MoV高39%以上;新型长寿命枪钢MPS700V的抗烧蚀性能优于现用枪钢30SiMn2MoV。烧蚀试样组织分析表明,与寿终内膛烧蚀组织相似,两种枪钢在模拟烧蚀后均形成氧化物与树枝晶。通过对比寿终枪管内膛与促进点燃下烧蚀的热力学、动力学及组织特征,提出枪管内膛烧蚀由高温高压火药燃气下内膛表面微区发生金属燃烧导致,并建立了相应的演化模型。
    热身管下小口径枪弹弹头壳材料对其膛内运动的影响规律
    黄陈磊, 蒋明飞, 陈莉, 李忠新, 吴志林
    2022, 43(9):  2241-2251.  doi:10.12382/bgxb.2021.0812
    摘要 ( )   PDF (7932KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对95-1式自动步枪多发射击过程中枪管温度过高、射弹散布变大的现象,以5.8 mm枪弹为研究对象,开展热身管下不同弹头壳材料对其膛内运动的影响规律研究,并通过射击试验进行验证。基于传热学基本原理,借助有限元手段建立多物理场耦合下弹头膛内运动模型。研究结果表明:常温时铜弹头壳弹头膛内摆角小于覆铜钢弹头壳弹头,增幅随身管温度升高明显;相同膛压条件下,铜弹头壳弹头出膛口速度低于覆铜钢弹头壳弹头,在射击30发和60发后,铜弹头壳弹头出膛口速度随着身管温度升高分别减小2.2 m/s、1.8 m/s,膛内运动时间增加2.6 μs、4.7 μs, 覆铜钢弹头壳弹头出膛口速度分别降低0.7 m/s和增大1.4 m/s,膛内运动时间减小1.7 μs、 0.8 μs;所得研究成果可为轻武器弹药设计提供理论参考。
    枪械固定式刚性抛壳机构动作故障机理
    方义川, 王永娟, 沙金龙, 倪肖杨, 陆星宇
    2022, 43(9):  2252-2262.  doi:10.12382/bgxb.2022.0090
    摘要 ( )   PDF (7825KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    聚焦枪械固定式刚性抛壳机构动作故障机制及其数学建模,利用失效模式和影响分析方法分析机构故障模式和影响因素,得到两大主控因素为抛壳速度和抛壳挺抛壳窗相对位置。构建了固定式刚性抛壳机构的数学模型,获得固定式刚性抛壳机构性能参数,并结合故障模式给出故障判据。以某小口径自动步枪的结构参数为例,针对主控因素进行故障边界分析,并进行试验验证。理论计算和试验结果表明:抛壳可靠性随着抛壳速度的增大而提高;抛壳窗位置变化存在显著的双向边界效应,主要表现为抛壳窗对于弹壳的“欠(过)约束”效应和弹壳与抛壳窗撞击点位置变化;弹壳向内回弹和弹壳二次撞击是造成卡壳故障发生的直接原因。
    枪弹动态挤进阻力理论与实验研究
    许辉, 黄陈磊, 王希阔, 刘坤, 李忠新, 吴志林
    2022, 43(9):  2263-2273.  doi:10.12382/bgxb.2021.0875
    摘要 ( )   PDF (6727KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    枪弹挤进过程具有非线性、瞬时性等特征,对枪管寿命和射击精度有着重要的影响。为揭示弹-枪相互作用机理,通过理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法,开展枪弹动态挤进阻力模型研究。采用显式动力学有限元方法,借助Abaqus软件模拟枪弹动态挤进过程。利用多参数同步测量技术进行动态挤进实验,验证数值模拟的有效性。基于完全非弹性碰撞假设,考虑弹头材料静态强度、动态变形力和高速运动下摩擦力的作用,结合弹头运动、弹-枪结构参数,构建动态挤进阻力模型,分析影响挤进阻力的关键因素,并与数值模拟进行对比。结果表明,动态挤进阻力先增大后减小,在弹头圆柱部完全嵌入坡膛时达到最大值,弹头挤进速度和挤进过程中的体积变化率为影响动态挤进阻力的关键因素,该模型理论值与数值模拟结果一致性较好,能准确描述弹-枪相互作用过程。研究成果可充实枪弹设计理论,为轻武器系统优化提供理论参考。
    枪械出厂前瞄准等效及其射效自动校正方法
    李睿冬, 刘科言, 曹岩枫, 王永娟
    2022, 43(9):  2274-2282.  doi:10.12382/bgxb.2021.0607
    摘要 ( )   PDF (6448KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    为改变传统以实弹试射为主的枪械出厂前射效校正,提出一种枪械瞄准等效及枪械射效自动校正的方法。基于光学原理和图像识别方法,考虑配合误差等因素建立了射线及瞄准基线的等效空间模型;综合外弹道特性以及相对位置误差的影响,建立了机械瞄具校调数学模型,输入光电检测及信号排异处理得到的等效光束信号集,计算获得校调参数;开发了一套枪械射效自动校正装置和软件系统。通过试验验证表明,枪械瞄准等效和射效自动校正方法有效、可行,可以满足枪械出厂前射击精度要求下机械瞄具的自动化校正要求。
    卧姿无依托射击时人体生物力学特性
    程勇, 王亚平, 曹捷, 王新蕊
    2022, 43(9):  2283-2290.  doi:10.12382/bgxb.2021.0467
    摘要 ( )   PDF (4933KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对卧姿无依托射击时人体生物力学特性变化认识不足的问题,以95式自动步枪为例开展人-枪相互作用研究。基于逆向动力学仿真软件AnyBody,建立卧姿无依托人-枪肌骨模型,获得射击时的肌肉响应规律、肌肉激活时序特性、关节受力特性等,并进行上臂外展角对最大肌肉激活度的影响规律分析。仿真结果表明:在火药气体作用和后坐到位撞击时刻,右侧菱形肌激活度最大,在复进到位撞击时刻右侧肱二头肌激活度最大;控制肩胛骨和肩关节稳定的主动肌首先激活,副主动肌随后激活;受力最大的关节为肩锁关节,其次是盂肱关节和肘关节;95式自动步枪卧姿射击时,左、右臂外展角小于30°为宜。
    通过弹钢材料提升榴弹威力的原理与方法
    王树山, 赵传, 孙雨荟, 刘东奇, 张学军, 王光志
    2022, 43(9):  2291-2299.  doi:10.12382/bgxb.2022.0131
    摘要 ( )   PDF (3360KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对典型的自然破片杀伤榴弹,研究通过弹丸壳体材料提升威力的原理与方法,为弹钢材料创新、发展与应用等提供理论和技术支撑。采用理论推导与试验研究相结合的手段,提出了通过调控弹钢材料的晶粒平均直径d和破碎尺度参数μ、实现有效破片数暨杀伤威力提升的原理与方法。试制了两种新弹钢40SiMn2X和50SiMnX,选择一种122 mm榴弹弹丸结构,进行制式壳体材料50SiMnVB和两种新材料各2发的静爆威力对比试验。研究结果表明,所提出的榴弹威力提升原理与方法具有科学性、合理性和实用性;新弹钢40SiMn2X和50SiMnX力学性能优越,对轻型装甲车辆和人员目标的杀伤威力半径比50SiMnVB分别提高了31.6%和12.3%,且均能够兼顾两种目标实现共同提升,具有重要的工程应用前景。
    分段杆弹的梯度化设计
    喻争, 王舒, 董方栋, 郑志军, 崔世堂, 张永亮
    2022, 43(9):  2300-2306.  doi:10.12382/bgxb.2022.0460
    摘要 ( )   PDF (3848KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    为充分发挥出分段杆弹侵彻效能,利用LS-DYNA软件拉格朗日算法对钨合金长杆弹侵彻装甲钢进行数值模拟,得到长杆侵彻的典型物理图像和重要物理量的时程曲线,与实验和理论结果进行对比,验证有限元模型的有效性。构造了各段长度梯度分布的和各段直径梯度分布的两类分段杆,对比研究了其侵彻效能。研究结果表明:分段杆弹体总有效长度一定时,各段长度均匀相等时分段杆的侵彻能力最大;各段直径梯度分布的分段杆弹比各段长度梯度分布的分段杆侵彻深度大。
    陶瓷/金属复合靶受12.7mm穿甲燃烧弹侵彻时弹靶破碎特征
    余毅磊, 王晓东, 任文科, 马铭辉, 蒋招绣, 高光发
    2022, 43(9):  2307-2317.  doi:10.12382/bgxb.2021.0497
    摘要 ( )   PDF (11726KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    弹靶破碎特征对陶瓷/金属复合装甲的抗弹性能有明显的影响,针对这一现象,进行12.7 mm穿甲燃烧弹垂直侵彻不同陶瓷材料下的陶瓷/金属复合靶板的实验研究。通过观测回收的弹芯及靶体陶瓷宏观破坏形貌,分析不同陶瓷材料与弹芯及陶瓷主要破坏特征之间的关系;通过对碎块的多级筛分称重,开展对不同陶瓷材料下弹芯及陶瓷面板的碎块尺度分布规律的研究。试验结果表明不同断裂韧性对陶瓷和弹的破碎形态及碎块粒径分布有明显影响:当陶瓷的断裂韧性增大时,弹芯小碎片的质量减小,大质量碎片增加,破碎程度减小;陶瓷半锥角增大,径向裂纹减少,陶瓷锥内破碎区碎块尺度呈增大趋势,故整体陶瓷锥破碎区占比提升;弹芯碎块及破碎后的陶瓷碎块粒径累计质量分布符合幂律分布模型。其中弹体碎裂主要分为两个部分,较大的碎块主要是由压剪断裂及应力卸载所导致的拉伸断裂所致,细碎化只发生在弹体头部,主要是由应力波产生的微裂纹与冲击诱发的粒间裂纹相互作用所致;径向裂纹及陶瓷锥是陶瓷冲击破坏的主要表现形式。
    不同厚度比陶瓷/金属复合装甲抗弹性能
    司鹏, 白帆, 刘彦, 闫俊伯, 黄风雷
    2022, 43(9):  2318-2329.  doi:10.12382/bgxb.2021.0844
    摘要 ( )   PDF (13653KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    为支撑陶瓷复合装甲的结构设计,研究不同厚度比陶瓷/金属复合装甲的弹道防护性能。通过陶瓷/金属复合结构抗侵彻性能弹道实验及数值模拟研究,完成有限元-光滑粒子流体动力学耦合计算模型的校验;模拟长杆弹撞击陶瓷复合装甲过程,分析装甲陶瓷与金属背板厚度比对界面击溃效应影响,获取不同厚度比陶瓷/金属复合装甲抗弹性能。研究结果表明:陶瓷复合装甲存在两种主要防护机制;当弹体速度小于1 000 m/s,随着陶瓷厚度从15 mm增加至25 mm,复合装甲的界面击溃驻留时间能够提高一倍以上,期间弹体耗能最高可达50%;当弹体速度大于1 000 m/s时,侵彻阶段的耗能占据弹体动能损失的主导,期间最高耗能可达85%;当金属与陶瓷的厚度比为2∶1时,复合结构使弹体具有较长的界面驻留时间,并实现较高的弹道防护效能。
    爆炸成型弹丸药型罩用高密度合金选取准则
    付恒, 蒋建伟, 王树有, 门建兵, 李梅
    2022, 43(9):  2330-2338.  doi:10.12382/bgxb.2021.0826
    摘要 ( )   PDF (9479KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    为解决高密度合金在爆炸成型弹丸(EFP)应用中的破碎失效问题,以典型钨镍系合金为研究对象,对不同钨含量的平板飞片试样开展了爆炸加载试验。基于对受试材料成形性能及失效机理的分析结果,结合传统药型罩材料的共同特性,提出了EFP高密度合金罩材的选取准则,应用该准则进行了罩材选取,并通过爆炸加载成型及侵彻试验进行了验证。研究结果表明:钨镍合金难以形成完整侵彻体的原因在于,钨颗粒作为第二相粒子分布于基体中,使得大变形状态下在相界处因位错塞积而产生的应力集中无法避免,从而导致微裂纹形成并扩展以致材料发生断裂;高密度合金作为EFP药型罩材料,应具备完全固溶体的单相组织,若溶剂金属为非面心立方结构,则须具备低于服役环境温度的韧脆转变温度;依据上述准则选取的单相固溶体合金,其平板飞片与等壁厚球缺罩均能够形成完整侵彻体,试验结果与预期结果相符合。研究结果可以为EFP药型罩用高密度合金的设计、选取和应用提供参考依据。
    M855A1步枪弹侵彻钢靶板数值仿真
    王积锐, 刘聪和, 樊俊铃, 焦婷, 巩建坡, 韩啸
    2022, 43(9):  2339-2349.  doi:10.12382/bgxb.2022.0448
    摘要 ( )   PDF (8343KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    M855A1是一种采用新型穿甲弹结构的小口径步枪弹,较M855步枪弹主要优化了硬目标穿甲与软目标杀伤性能。为研究其穿甲性能,采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对不同射程下M855A1步枪弹侵彻结构钢靶板、装甲钢靶板的过程进行数值仿真,分析穿甲过程中弹头与钢靶板的变形和损伤演化,并对射程与极限穿透厚度的关系进行函数拟合,拟合精度高于99%。结果表明,M855A1步枪弹能基本满足现代小口径步枪弹对穿甲性能的需求,其结构在低速、薄靶条件下对弹体动能、质量的利用效率较高。
    刚性破片侵彻层合板运动模型
    董方栋, 杨耿, 王舒, 王志军, 冯志威
    2022, 43(9):  2350-2359.  doi:10.12382/bgxb.2022.0552
    摘要 ( )   PDF (4689KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    为揭示杀伤元与超高分子量聚乙烯(UHMWPE)层合板相互作用机制,开展硬质合金破片侵彻UHMWPE层合板的的弹道试验,获得不同入射速度下破片穿透层合板后的剩余速度以及层合板在不同速度下的断裂失效形貌特征。在此基础上,基于波动理论和能量守恒原理建立刚性破片对层合板侵彻过程的能量耗散模型,分析破片侵彻过程中不同形式能量传递规律。研究结果表明:侵彻过程中层合板因剪切失效、拉伸和压缩变形产生的能量传递在各种形式耗散能量中占主导地位;与试验结果对比发现,该模型可有效描述破片对层合板的侵彻过程,可为有防护目标杀伤机理及弹道设计提供一定参考。
    凯夫拉与陶瓷复合结构抗侵彻性能数值仿真
    王晓东, 徐永杰, 董方栋, 王昊, 郑娜娜
    2022, 43(9):  2360-2366.  doi:10.12382/bgxb.2022.0447
    摘要 ( )   PDF (1434KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    为研究凯夫拉-129(Kevlar-129)材料与氧化铝(Al2O3)陶瓷面板复合装甲结构对抗侵彻性能的影响,建立平头弹丸侵彻该复合装甲单元的有限元模型。在数值模拟侵彻过程中,通过改变侵彻体的速度与复合装甲的结构,得到不同速度下的侵彻体速度变化曲线,分析了不同速度侵彻体击穿复合装甲的靶后速度与复合结构对其动能的吸收能力。分析结果表明:Kevlar与Al2O3陶瓷的复合装甲结构可以更好地抵抗侵彻;Kevlar夹层的位置对抗侵彻能力有较大影响,可为今后轻质复合装甲板设计提供相关技术参考。
    水下爆炸冲击波载荷沿燃气轮机结构传递特征
    姚熊亮, 熊帮虎, 王志凯, 杨娜娜, 张文启, 万泽臣
    2022, 43(9):  2367-2378.  doi:10.12382/bgxb.2022.0466
    摘要 ( )   PDF (11324KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    为研究水下爆炸条件下冲击波载荷对燃气轮机结构的损伤特征,开展水下爆炸冲击波载荷沿燃气轮机主结构的传递规律研究,通过等效力学模型对燃气轮机进行载荷传递预报。针对燃气轮机传递路径上测得的有限元仿真加速度信号,使用经验模态分解法和与之对应的希尔伯特-黄变换对信号进行时频域分析和能量分布分析。分析结果表明:针对水下爆炸冲击波载荷,基于希尔伯特-黄变换及经验模态分解法可以得到冲击波载荷所包含的频率信息以及载荷强度等信息;沿燃气轮机传播路径的冲击波能量,随载荷传递距离的增加,高频能量占比有所降低,与燃气轮机的应力响应相对应;燃气轮机力学模型能够预测燃气轮机的载荷传递情况,该结果对燃气轮机抗冲击防护具有借鉴意义。
    基于PSO-LSSVM弹药装配质量预测方法
    裘镓荣, 曾鹏飞, 邵伟平, 赵丽俊, 郝永平
    2022, 43(9):  2379-2387.  doi:10.12382/bgxb.2021.0867
    摘要 ( )   PDF (2239KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    针对弹药装配工艺复杂、装配工序质量影响因素多、装配效率低的实际问题,提出基于粒子群优化(PSO)算法—最小二乘支持向量机(LSSVM)的弹药装配质量预测方法。通过灰熵关联分析方法,提取影响弹药装配质量的关键质量特性,并将其作为预测模型的输入向量,降低预测模型复杂度和运算工作量。将PSO-LSSVM作为建模工具,利用PSO算法优化LSSVM参数,建立基于PSO-LSSVM弹药装配质量预测模型;以预测某型号弹药对接装配工序中跳动量为例,与LSSVM 预测模型和BP神经网络预测模型进行对比分析。实验结果表明,提出基于PSO-LSSVM弹药装配质量预测方法具有可行性和有效性,能够很好地实现弹药装配质量的预测。
    计及动态冲击挤进过程的埋头式弹药内弹道特性
    常人九, 薛晓春, 余永刚
    2022, 43(9):  2388-2398.  doi:10.12382/bgxb.2021.0519
    摘要 ( )   PDF (7299KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    为能够精确预测埋头式弹药的内弹道特性,了解埋头式弹丸动态冲击挤进过程中尼龙弹带的变形形态、失效模式及刻槽形成机理。利用LS-DYNA软件,建立计及挤进系统复杂结构和埋头式弹丸动态冲击特性的三维有限元模型,并进行模拟仿真。结合埋头式弹药两级点火和火药程序燃烧的新原理,进一步建立埋头式弹丸挤进过程初始内弹道与挤进完成后内弹道的一体化模型,并对比数值计算与试验测试结果。对比结果表明:弹带材料直接受膛线作用发生断裂失效模式主要以剪切失效为主,挤进过程分为初期依靠初始速度减速挤进与后期火药燃气推动加速挤进阶段,两阶段弹带材料受膛线挤压均产生大变形,相应的挤进阻力也较大,最终通过拟合得到了弹丸动态冲击挤进阻力表达式,并与内弹道方程耦合建立了埋头式弹丸内弹道一体化精确模型,该模型计算结果与试验吻合较好,验证了其准确性,为今后这种新型弹药的装药结构设计提供了有益的参考。
    超高速钢球打击肥皂与生物靶标的创伤弹道特点研究
    李冠桦, 张良潮, 翁昌梅, 张东冬, 张洁元, 陈魁君, 段朝霞, 康建毅, 王建民
    2022, 43(9):  2399-2407.  doi:10.12382/bgxb.2022.0536
    摘要 ( )   PDF (5728KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    通过对比研究不同速度钢球打击肥皂靶和生物靶的创伤弹道表现,探讨二者在超高速破片打击下的动态响应异同。采用不同速度(1 000 m/s、2 000 m/s、3 000 m/s、4 000 m/s)的0.72 g钢球分别打击肥皂靶和实验动物后肢肌肉丰满处。打击后观察靶标的弹道学表现,包括出入口大小、伤腔形状和大小、动物肢体损伤范围和损伤程度。研究结果表明:从1 000 m/s到4 000 m/s,随着钢球速度的增加,伤道入口越大,伤道出口从1 000 m/s到3 000 m/s逐渐增大;在4 000 m/s速度时,投射物未能穿出软组织,形成半球形伤腔;钢球以1 000 m/s速度打击肥皂时形成直径为5 cm的入口和直径0.6 cm大小的出口圆锥体;2 000 m/s速度打击肥皂时形成直径为16 cm的入口和出口直径3 cm大小的圆锥体;4 000 m/s速度打击肥皂时形成25 cm×25 cm×17 cm的半球形坑,未击穿肥皂;从弹道入口为起始点,以1 cm为间距分别测量的动物瞬时空腔、动物伤腔和肥皂空腔不同伤道深度上剖面投影的直径大小。对比相同速度钢球打击下剖面直径变化曲线,发现不同速度下伤道深度5~10 cm处肥皂空腔和动物的瞬时空腔的剖面直径相近。在超高速钢球打击下,肥皂靶形成的空腔与生物靶形成的瞬时空腔在伤道前端大小近似,可见肥皂靶可以一定程度上反映超高速钢球的生物杀伤效应。
    基于Sobol和EFAST法的枪弹转动角速度全局灵敏度仿真分析
    魏伟, 张竞文, 常思江, 王浩圣, 王建中
    2022, 43(9):  2408-2416.  doi:10.12382/bgxb.2022.0546
    摘要 ( )   PDF (3708KB) ( )  
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    为开展外弹道测试、动力学特性研究等需要,经常在枪弹外部安装各种用于飞行状态测量的装置。由于枪弹在发射及飞行中的状态受到各种随机因素的干扰,直接影响测量输出。为更好地开展试验设计及相关数据处理工作,采用姿态测量装置测量枪弹转动角速度的方案,以5自由度刚体弹道方程组为基础,采用基于蒙特卡洛打靶的Sobol全局灵敏度分析方法和傅里叶幅值灵敏度检验扩展法(EFAST),就姿态测量的输出对初速跳动、起始扰动等因素的敏感程度开展定量研究。定量分析结果表明:1)初速和初始攻角对姿态测量装置沿弹体径向的输出影响较大,初速对姿态测量装置轴向输出的影响较大;2)Sobol法和EFAST法均可定量分析参数对输出变量的贡献率,但EFAST法的计算更为稳健、高效。