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2024年 第45卷 第5期    刊出日期：2024-05-31

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航空飞行器用300kW高速永磁同步电机优化设计

魏嘉麟, 王又珑, 温旭辉, 陈晨, 李文善

2024, 45(5):  1363-1373.  doi:10.12382/bgxb.2023.0049

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航空飞行器用高速永磁同步电机损耗密度高、散热条件差,脉宽调制电压供电产生的损耗可能会导致显著的温升,加剧Halbach磁体的退磁风险,影响电机的安全运行。针对上述问题,提出基于Nelder-Mead法的高速永磁同步电机多目标优化设计方法,以电机损耗和温升为优化目标,使用场路耦合有限元分析法和解析法计算电机在T型三电平变流器供电下的损耗,进而计算电机温升。根据寻优算法搜索最优设计区域,获得优化设计方案。分析Halbach磁体内的磁密分布和涡流损耗,对磁体进行优化设计,从而抑制退磁和损耗。设计并制造一台300kW、30000r/min高速永磁同步电机,仿真和实验结果表明,新提出的设计方法能够快速实现多目标寻优,并有效抑制退磁。

基于偏振编码图像的低空伪装目标实时检测

沈英, 刘贤财, 王舒, 黄峰

2024, 45(5):  1374-1383.  doi:10.12382/bgxb.2022.1289

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偏振可以提高无人机的自主侦察能力,但易受到探测角度和目标材质的影响,从而降低偏振检测的鲁棒性。为此,提出一种基于偏振图像的低空伪装目标实时检测算法YOLO-P,采用融合多偏振方向信息的编码图像作为输入,应用三维卷积模块提取不同偏振方向图像之间的联系特征;引入特征增强模块对多层次特征进行进一步增强;采用跨层级特征聚合网络,充分利用不同尺度的特征信息,完成特征的有效聚合,最终联合多通道特征信息输出检测结果。构建包含10类目标的低空伪装目标偏振图像数据集PICO(Polarization Image of Camouflaged Objects)。在PICO数据集上的实验结果表明,新方法可以有效检测伪装目标,mAP_0.5:0.95达到52.0%,mAP_0.5达到91.5%,检测速率达到55.0帧/s,满足实时性要求。

履带式特种车辆精细化动力学建模与仿真

吴锐, 于会龙, 董昊天, 席军强

2024, 45(5):  1384-1401.  doi:10.12382/bgxb.2022.1070

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履带车辆动力学模型是车辆结构优化设计与控制算法开发、测试与标定的基础。基于商业软件所搭建模型的动力学方程及梯度信息对用户未知,极大地限制了结构参数与控制参数的优化效率。此外,现有商业软件求解效率低、实时性差,影响了控制算法开发进度。针对上述问题,基于多体动力学推导建立可同时满足纵横垂耦合运动仿真需求的履带车辆精细化动力学模型并进行仿真。建立考虑空间三维耦合运动的车体动力学模型以及精细到履带板的履带链动力学模型。通过计算履带板与各部件相互作用力,将车体模型、履带链模型以及地面相关联,最终构建190自由度的履带车辆动力学模型。在加速、刹车与转向等工况下与ATV(ADAMS Tracked Vehicle Toolkit)进行对比,结果表明自主开发的仿真模型纵横垂向运动仿真结果与商业软件高度一致,验证了新方法的准确性。

水陆两栖车辆水上运动特性实时仿真系统研究

陈泰然, 耿昊, 王典, 邱思聪, 孙旭光

2024, 45(5):  1402-1415.  doi:10.12382/bgxb.2022.1237

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为解决水陆两栖车辆水动力性能参数获取难度大、运动姿态预测慢等问题,设计一种两栖车辆水上运动特性实时仿真系统,实现仿真模型的驱动、运动姿态预测以及数据的监测和输出,通过动态流体-物体相互作用数值计算方法对车体动力学系数进行修正,提升了实时仿真系统的精度。在此基础上研制试验样车,对不同工况下实时仿真系统的准确性进行验证。试验结果表明:所构建的两栖车辆水上运动特性实时仿真系统兼具计算精度和计算效率,可以快速准确地预测车辆的运动姿态,适用于多种复杂工况,具有姿态预测的泛用性。新系统在两栖车辆研制阶段、驾驶员培训、半实物仿真演练、复杂环境模拟等方面具有较强的应用价值和应用前景。

柴油发动机燃油跨/超临界喷射特性数值仿真

刘宇浩, 解方喜, 刘成军, 刘宇, 洪伟

2024, 45(5):  1416-1425.  doi:10.12382/bgxb.2022.1012

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针对柴油发动机工作条件下喷雾特性变化复杂的问题,利用计算流体动力学软件CONVERGE,采用大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)方法进行跨/超临界柴油机燃料正庚烷的射流喷雾特性仿真分析,对LES中湍流亚格子模型进行深入研究,并从质量分数、密度和温度三方面对比跨/超临界射流的喷雾特性。研究结果表明:随机湍流分散模型开启会使喷雾贯穿距的预测值更接近试验值,当湍流分散系数c_ps=0.16时模型预测的贯穿距比c_ps=0.05更加贴合试验的结果;跨临界射流存在更加类似于液态的区域,升温时从环境吸收更多热量;与跨临界射流相比,超临界射流喷雾的温度扩散更加迅速,并且喷雾前端温度接近环境温度;跨临界射流中类似液态区域形成了较大的密度分层,抑制喷雾扩散,超临界射流喷雾外层的絮状结构比跨临界射流出现得更早,絮状结构范围更大,径向扩散作用更强;两种状态下温度、密度和质量分数分布呈现一定的对应关系,即温度、质量分数和密度都在中心轴线靠近喷油器处最大,随着轴向距离和径向扩散的增大而减小。

基于热化学烧蚀模型的身管寿命等效折算系数研究

李延泽, 钱林方, 付佳维, 陈龙淼

2024, 45(5):  1426-1435.  doi:10.12382/bgxb.2022.0949

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针对当前等效全装药(Equivalent Full Charge,EFC)折算系数的国家军用标准预测值与实际测试结果差距较大的问题,基于热-化学烧蚀模型,研究不同工况下射击发数与EFC射击发数间的折算系数计算方法。射击一定发数后,假设身管内壁白层厚度及成分随射击发数呈周期性变化,由质量扩散定律建立膛线起始部热-化学烧蚀量与火药燃气侵蚀性、内膛表面瞬态温度的关系。通过经典内弹道模型获得弹后空间火药燃气平均温度及内壁面强制对流换热系数,在考虑后效期高温燃气影响的基础上,建立身管内壁瞬态温度计算模型。以对内弹道过程有重要影响的射速、药量和药温为重点,计算不同射速、不同药号和不同药温下的身管内壁烧蚀量,并据此获得不同工况下的折算系数。研究发现,射速越快,装药质量越大,装药初始温度越高,单发射击造成的身管烧蚀越严重,其对应的EFC折算系数越大,其中强装药的EFC折算系数可达2.131。以某型155mm火炮身管实弹射击数据为例,验证了新模型的合理性。

基于改进拟连续算法的回转弹仓位置控制

陈冬, 钱林方, 陈志群, 陈龙淼, 邹权, 陈军华

2024, 45(5):  1436-1448.  doi:10.12382/bgxb.2023.0064

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为提高大口径火炮自动装填过程中回转弹仓工作的精确性和鲁棒性,在分析现有拟连续算法相关研究内容的基础上,设计一种全新的改进拟连续控制器对回转弹仓进行位置控制。通过与滑模扰动观测器相结合,新控制器增益不依赖于系统扰动的不确定性边界,且不需引入额外的控制器参数,降低了控制器的设计和调试难度。通过Lyapunov方程验证控制器本身及闭环系统的稳定性。仿真和试验结果表明:新设计的控制器相对于已有拟连续算法具有优越性,在受到不确定时变负载和不确定参数扰动的情况下,新设计的改进控制器在应用于回转弹仓时,在趋近段可以获得更快的收敛速度,减小到位超调量,并在滑动段有效减弱抖振。

反舰导弹大前置角下三维剩余飞行时间估计方法

吴浩, 李东光, 王泳安

2024, 45(5):  1449-1459.  doi:10.12382/bgxb.2023.0613

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为解决导弹开启末制导时初始前置角过大或前置角变化幅度较大的问题,设计适用于多种导弹制导律的前置角三维剩余飞行时间估计方法。将导弹速度和目标速度投影分解,在地面坐标系的Oxy面和Oxz面上建立弹目相对运动关系方程,以此为基础建立三维弹目相对运动模型。利用弹目相对运动关系方程和比例导引控制方程,建立1阶非线性微分方程,解析弹目距离与前置角的关系,并利用麦克劳林展开式求解方程。根据视线角速度变化选择合适的内框角,对前置角进行补偿,同时使用中位值平均滤波法降低前置角波动造成的误差。利用已建立的三维弹目相对运动模型进行仿真实验。仿真结果表明,在小角度假设不能成立时,尤其是因制导律进行角度控制而导致前置角变化较大时,前置角剩余飞行时间(Time-to-go,TGO)估计方法的估计值误差收敛时间和最大误差值要小于其他TGO估计方法,估计效果最佳。

曲线链式回转弹仓动力学模型不确定参数辨识

文浩, 侯保林, 林瑜斌, 金鑫

2024, 45(5):  1460-1471.  doi:10.12382/bgxb.2022.1196

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为了准确模拟曲线链式回转弹仓输送弹药过程中的非线性动力学特性,根据系统的拓扑结构和控制原理建立包含不确定参数的动力学模型。利用优化设计思想,基于系统测试数据建立不确定参数辨识模型。提出一种函数型时间序列相似度作为辨识准则,采用基于径向基函数的高维模型表示和径向基函数分别构建从机械系统和控制系统不确定参数到辨识准则的代理模型。将麻雀搜索算法嵌入岛屿模型进行多种群结构化,形成岛屿麻雀搜索算法,进行寻优求解。以工况1测试数据为基准,对机械系统和控制系统的不确定参数进行辨识。研究结果表明,辨识后的动力学模型对两种工况的输出结果与测试数据相似度较高,验证了建模的准确性和辨识的有效性,为动作可靠性分析和故障诊断研究提供了可靠的样本数据来源。

回波主动抑制的次级水声发射单元设计与优化

王文杰, 杨龙, 赵旭

2024, 45(5):  1472-1481.  doi:10.12382/bgxb.2022.0899

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水下航行器的传统涂覆层主要依赖于材料更新及结构优化,难以应对低频主动声波探测。基于超磁致伸缩材料设计一款轻质、薄型、耐高压的低频宽带水声发射单元,着重分析核心部件的设计优化过程,并由PSV-400激光测振仪验证有限元仿真结果。对辐射面板固定方式的模态进行分析,确定主动发射单元的最优边界约束条件。与原始构型的发射单元性能进行对比发现:在水声发射保持良好指向性的前提下,基于有限元分析2000Hz以下的最高共振频率降低超过10%;基于声振耦合分析主动发射单元在低频范围内辐射声源级最大为147.48dB,提高4.65%;发射单元声源级高于100dB的频率带宽超过1500Hz,且声功率级更高。该发射单元可为后期阵列式应用于大尺度声学覆盖层提供技术支持,具有一定的学术研究价值与广阔的工程应用前景。

透镜飞行器击水弹跳运动数值模拟

任帆涛, 牛钰森, 姜毅, 杨宝生

2024, 45(5):  1482-1496.  doi:10.12382/bgxb.2023.0102

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探索跨介质飞行器水面弹跳过程中的运动特性和自由液面特性,对于跨介质飞行器的着水和弹跳复飞研究有着重要的参考价值。基于无网格粒子数值模拟方法研究透镜跨介质飞行器击水弹跳运动特性及液面变化特性,在与试验值对比的基础上,重点研究不同自旋速度、击水速度和击水角度对透镜飞行器击水弹跳运动特性及自由液面特性的影响。研究结果表明:自旋速度是保证透镜跨介质飞行器顺利实现击水弹跳运动的必要条件,受飞行器自旋速度诱导出现的触水区马格努斯效应会导致飞行器出现侧向运动;击水弹跳过程普遍包括稳定下落、击水、弹跳至平稳飞行三个阶段,自由液面受飞行器强烈冲击出现液面破碎和液体迸溅现象;击水弹跳过程中,飞行器击水速度衰减率及砰击载荷受自旋速度影响较小,主要受击水速度与击水角度影响,击水速度与击水角度越大,速度衰减率及砰击载荷越大。

新型星形负泊松比抗冲击结构设计与入水冲击

金泽华, 刘清洋, 马文朝, 孟军辉

2024, 45(5):  1497-1513.  doi:10.12382/bgxb.2022.1212

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针对跨介质飞行器入水过程中受到较大冲击载荷的问题,提出一种基于工程需求的负泊松比抗冲击结构拓扑优化设计方法,通过将弹性模量和泊松比引入拓扑优化设计的目标函数,得到满足抗冲击性能需求的负泊松比星形-四边形蜂窝(Star-quadrangular Honeycomb,SQH)结构。在建立SQH结构理论分析模型的基础上,推导冲击载荷下的平台应力解析公式,并通过数值模拟仿真进行校验。通过与星形-圆环蜂窝(Star-circle Honeycomb,SCH)等多种负泊松比结构的比吸能进行对比,得到SQH结构在低速、中速、高速冲击下的比吸能分别高于SCH结构28.74%、45.2%、7.03%。通过流固耦合仿真分析,对所设计的SQH夹层结构进行入水冲击降载研究,进一步讨论SQH夹层结构主要尺寸参数对入水冲击特性的影响。研究结果表明,在尺寸允许范围内,SQH单元倾角和单元壁厚的增大均使得结构产生的加速度峰值减小,动能转化为结构的变形能也减小,验证了用于工程需求的负泊松比结构拓扑优化设计的有效性。

船舶舵机电静液作动器的分数阶线性自抗扰控制

吕明明, 谢华伟, 钟伟, 万国龙, 涂超凡

2024, 45(5):  1514-1522.  doi:10.12382/bgxb.2022.0922

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为改善船舶舵机电静液作动器(Electro Hydrostatic Actuator,EHA)的抗扰性能,提出一种基于线性自抗扰控制和分数阶PD控制的融合控制方法。在建立驱动电机和液压系统数学模型的基础上,利用线性扩张状态观测器(Linear Extended State Observer,LESO)估计EHA在不同工况下所受的内外总扰动,并证明LESO的有界稳定性;进一步采用分数阶PD控制作为控制律对所估计的总扰动予以主动抑制,控制参数由剪切频率和相位裕度等频率响应指标决定。利用AMESim和Simulink联合建立EHA仿真模型,通过分析可知,所提出控制方法在船舶航速分别为6kn和8kn时位移控制精度均约为1mm。利用自研EHA搭建船舶舵机半实物试验装置,进行来回摆舵和突然换向试验,结果表明在负载扰动下和有突变换向情况时,所提出控制方法对操舵指令的跟踪均具有较好的快速性和稳定性。

船用螺旋桨静态声散射预报方法及特性

柯慧程, 彭子龙, 周富霖, 陈添宝

2024, 45(5):  1523-1533.  doi:10.12382/bgxb.2023.0017

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针对螺旋桨静态声散射特性预报问题,采用分层介质声传播理论与离散面元厚度信息相结合的板块元算法,建立变厚度曲面薄板目标声散射特性预报方法。基于面元厚度及材料属性信息求解所有面元的反射系数,进而求得目标的总散射声场。为了提高计算效率,通过单片桨叶网格拓扑克隆的方式实现完整螺旋桨的散射声场预报,并通过有限元和静态声散射特性湖上试验对新的预报方法的准确性进行了验证。研究结果表明:螺旋桨目标强度的频响特性、角度-距离谱以及空间指向性预报值与测试值基本一致。研究结果对水下航行器艉向附近的声散射特性预报具有一定的参考价值。

含氟高分子材料包覆铝核壳材料研究进展

郭学永, 周近强, 李洪亮, 吴成成, 方华, 邓鹏, 朱艳丽, 刘睿

2024, 45(5):  1534-1546.  doi:10.12382/bgxb.2022.1022

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金属铝(Al)具有高燃烧热值、高密度、低耗氧量等优异性能,是固体复合推进剂领域最受青睐的金属添加剂。为了提高固体复合推进剂的性能,有必要采取措施对Al进行包覆改性。近年来含氟高分子包覆Al因其优异的综合性能而受到广泛关注。介绍了不同种类的含氟高分子包覆金属Al核壳材料、不同包覆方法、Al核壳材料的性能以及含氟高分子与Al的作用机理,总结发现通过Al核壳结构设计、含氟高分子引入和Al颗粒表面的自活化策略等途径,含氟高分子与氧化铝层之间的表面发生剧烈的氧化过程,增强Al核壳材料点火和燃烧性能,显著改善推进剂的燃烧团聚和燃烧效率。但目前含氟高分子包覆Al核壳材料研究过程仍存在许多不足,如缺乏新型多元含氟高分子包覆Al的能量性能的研究;缺乏Al颗粒与包覆层在高升温速率下作用机理的认识;包覆效率和批量制备能力低,阻碍了其实际应用等。未来可从进一步增强朝着研发新型含氟聚合物、研究对反应历程中产物的实时捕捉和开发工业化生产制造技术等方向发展。

碳纳米管对酚醛树脂基复合材料性能的影响

孔国强, 安振河, 赵寰, 于秋兵, 邵蒙, 李莹, 魏化震, 王康, 刘文博

2024, 45(5):  1547-1554.  doi:10.12382/bgxb.2022.1042

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为制备具有隔热、耐烧蚀、电磁屏蔽等多功能集成的结构复合材料,满足武器装备对多功能复合材料的迫切需求,采用超声波分散的工艺将碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)在树脂基体中进行分散,并制备CNTs改性国产碳布/酚醛复合材料。经对CNTs改性国产碳布/酚醛复合材料的层间性能检测,当CNTs含量达到1.5%时,其层间剪切强度提高57.4%。对CNTs改性定向国产碳纤维/酚醛树脂复合材料的弯曲性能、层间性能和抗冲击性能都进行检测。检测结果表明,经CNTs改性后,定向国产碳纤维/酚醛复合材料的力学性能和模量均得到了大幅提高。对CNTs改性短切高强玻璃纤维/酚醛树脂基复合材料的导电性能和导热性能进行了研究。研究结果表明:随着CNTs含量的提高,短切高强玻璃纤维/酚醛树脂基复合材料的电阻率呈数量级速度降低,当CNTs含量达到14%时,复合材料的电阻率由10¹⁰Ω·m降低到了10^-2Ω·m,复合材料由绝缘体转变为导体;当CNTs含量小于6%时,复合材料的导热系数虽有提高,但与复合材料电性能相比提高幅度不大。

内/外隔热复合结构炸药装药快速烤燃热防护效应

白孟璟, 段卓平, 白志玲, 张玉龙, 刘瑞峰, 张连生, 黄风雷

2024, 45(5):  1555-1563.  doi:10.12382/bgxb.2023.0065

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为了研究快速烤燃(火烧)条件下炸药装药内/外隔热复合结构(内隔热材料/外阻燃材料)的热防护效应,对多种内/外隔热复合结构的炸药装药进行多点测温快速烤燃试验,得到火焰场和炸药装药各测点的温度-时间曲线及装药点火响应时间。开展内/外隔热复合结构炸药装药快速烤燃数值模拟,获得内/外隔热复合结构对装药快速烤燃点火响应时间的影响规律。研究结果表明:在快速烤燃过程中,外阻燃材料由于火烧变性存在导热增强及隔热减弱效应,在数值模拟中需考虑该效应;无论使用单独的隔热/阻燃材料还是使用内/外隔热复合结构,炸药装药的点火响应时间均随着材料涂覆厚度增加而延后,其中内/外隔热复合结构具有更好的热防护能力;点火位置均发生在装药端面棱角处,装药点火后反应烈度不受内/外隔热复合结构影响,反应等级均为爆燃;对于一定热防护性能范围内的隔热阻燃材料,壳体外表面涂层材料是耐高温纳米隔热材料、壳体内表面涂层材料是高效隔热防护材料时复合结构的隔热效果最好,并且当需求的隔热效果给定时,可考虑优先增加壳体外表面涂层的涂覆厚度,实现以最小涂覆厚度的内/外隔热复合结构满足所需的隔热效果。研究成果可为提升弹药热安全性设计提供参考。

二维慢烤模型点火位置及其温度的理论推演

张坤, 智小琦, 肖游, 王帅, 罗锐恒, 张姚瑶, 黄云伟

2024, 45(5):  1564-1572.  doi:10.12382/bgxb.2023.0103

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为理论分析凝聚炸药慢速烤燃过程,并为慢速烤燃点火点位置研究奠定理论基础。根据炸药的热传导理论方程,利用叠加原理和分离变量法,将炸药非反应性热传导项与自热反应热传导项拆分,推导得到凝聚炸药二维慢速烤燃模型的温度分布解析解。计算并分析了自热反应温度场随时间和炸药尺寸的变化规律。根据慢烤试验结果,对理论计算得出的点火点位置、点火温度及时间进行了验证。研究结果表明:理论确定的点火时间、点火点位置与试验测量的点火时间、点火点位置相符。炸药自热反应最高温度所在位置随其尺寸的增加,由中心移动至边缘角落。随着试验时间的增加,自热反应温度分布趋于稳定。就尺寸为ϕ76×190mm的RDX炸药而言,发生点火时自热反应温度分布与点火前80000s时的自热反应温度分布一致。

铝纤维增强铝/聚四氟乙烯活性材料力学性能及反应特性

赵涵, 任会兰, 宁建国

2024, 45(5):  1573-1581.  doi:10.12382/bgxb.2023.0101

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为研究纤维含量对铝(Al)/聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)力学性能及反应特性的影响,针对模压烧结法制备的铝纤维增强型活性材料,采用材料试验机和冲击加载实验技术开展静态、动态力学响应和冲击反应研究,并结合细观结构特征揭示纤维增强活性材料的变形失效机制。研究结果表明:Al纤维含量(质量比)为1%~4%时,随机分布的Al纤维抑制了基体内裂纹扩展,提高了Al/PTFE的静态屈服强度和动态抗压强度;Al纤维含量1%的动态力学性能最优,随着纤维含量的增加,Al纤维穿出基体的破坏是限制材料动力学性能持续增强的主要因素;在保证Al/PTFE理论释能不变的前提下,Al纤维的加入提高了Al/PTFE的冲击反应阈值,无纤维时最小反应比入射能为50.7J/cm²,纤维含量增加至4%时提高到61.3J/cm²,活性材料的冲击不敏感性得到提升。

不同粒径黑火药点火过程中与纤维素壳体材料的热相互作用

李玉雪, 田小涛, 马伊凡, 刘佩进, 严启龙

2024, 45(5):  1582-1592.  doi:10.12382/bgxb.2022.1060

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为了研究点火装置中纤维素外壳对不同粒径黑火药固相反应放热特性、反应气相产物、点火燃烧特性等方面的影响,制备系列黑火药/纤维素复合物样品,并采用扫描电子显微镜表征其微观结构和形貌。通过同步热分析仪和傅里叶变换红外光谱仪联用,研究纤维素对黑火药热反应性能的影响。用氧弹量热仪测量各样品的爆热,利用综合燃烧诊断系统(高速相机和高速红外热像仪)获得黑火药及其纤维素复合物燃速与火焰温度分布。研究结果表明:纤维素会降低黑火药放热量,当纤维素含量为33.33%时,两种黑火药的总放热量分别降低了66.4%和58.5%;纤维素并未改变黑火药热解路径;黑火药的主要气相产物分别为H₂O、CO₂和NO₂,与纤维素复合后除浓度变化外,气相产物种类保持不变;纤维素仅影响黑火药能量释放过程,但对不同粒径黑火药的能量释放影响的差别较小,与纤维素复合后能量释放变化仅相差3.1%。实验研究发现,小粒径黑火药及其纤维素复合物燃烧更剧烈,火焰面积更大、燃温更高;纤维素对黑火药的燃烧起消极作用,主要是降低黑火药的燃速和火焰辐射强度,火焰温度分别降低273.7℃和299.4℃;黑火药及其纤维素复合物的凝聚相产物形貌表明纤维素一定程度上促进了黑火药凝相产物团聚,即纤维素会降低其燃烧效率。

SC-CO₂辅助挤出成型过程中双基发射药的流变特性

胡启鹏, 杨昆, 张合, 李纯志, 应三九, 肖忠良

2024, 45(5):  1593-1601.  doi:10.12382/bgxb.2023.0023

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为了部分替代在发射药挤出成型过程中使用的有机溶剂,将超临界二氧化碳(Supercritical Carbon dioxide,SC-CO₂)引入发射药的挤出成型过程中,借助其在临界点附近急剧变化的溶剂特性,实现增塑后可快速从产品中驱除,为最终实现SC-CO₂对有机溶剂的完全替代做铺垫。以剪切黏度为反映流变特性的参数,采用在线狭缝流变仪测量物料的剪切黏度并获得流变曲线,对物料在不同工艺条件下的流变特性进行研究。研究结果表明:SC-CO₂辅助双基药挤出成型过程中物料的流变行为可以用幂律模型描述,引入SC-CO₂后物料黏度显著降低,SC-CO₂在4.67 wt%含量下使得双基药的稠度系数降低17.10%,体现了SC-CO₂对于双基药的良好增塑作用;随着SC-CO₂含量、溶剂含量、温度等参数值持续升高,继续增大参数值所能提供的增塑效果将变得有限。

基于PSO-CNN-XGBoost水下柱形装药峰值超压预测

刘芳, 李士伟, 卢熹, 郭策安

2024, 45(5):  1602-1612.  doi:10.12382/bgxb.2023.0743

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为探索水下柱形装药结构、爆距等参数与水下柱形装药峰值超压的关系,将装药样本数据视为二维数据,建立粒子群优化(Particle Swarm Optimization, PSO)算法、一维卷积神经网络(1D Convolutional Neural Network,1DCNN)和极端梯度提升(Extreme Gradient Boosting, XGBoost)的水下柱形装药峰值超压融合预测算法。采用相关性分析与数据可视化方法,分析装药结构参数、爆距与峰值超压之间的关联关系。设计1DCNN深度网络挖掘不同长径比、爆距等参数与峰值超压之间的纵向时序关系。运用XGBoost算法寻找装药结构参数、爆距与峰值超压之间的横向非线性关系,提升小样本数据的预测精度。使用PSO算法优化1DCNN和XGBoost的超参数,获得最优算法结构。研究结果表明,在包含10种智能算法的对比实验中,PSO-CNN-XGBoost水下柱形装药峰值超压预测算法在精度、稳定性、拟合程度上均高于其他模型。

活性元含量对低附带毁伤弹药近场冲击波的影响

范瑞军, 王晓锋, 王金英, 周捷, 王少宏, 皮爱国

2024, 45(5):  1613-1624.  doi:10.12382/bgxb.2022.1291

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为提高现有低附带毁伤技术方案的近场毁伤威力,通过在分装式低附带毁伤弹药的重金属颗粒嵌层中加入不同含量的活性元材料,优化活性元配比,从而增强近场毁伤威力。开展碳化钨-铝粉-硝酸钠-氟橡胶(Tungsten Carbide-Al-NaNO₃-Fluororubber,WC-Al-NaNO₃-FKM)复合材料嵌层中不同含量活性元的静爆试验,利用自由场压力测试系统测得爆炸后的冲击波压力曲线。研究结果表明:活性元含量增加至15%时冲击波超压达到最大,在37.5CD(装药直径)、50CD处分别提高57.5%和18.2%;活性元含量增加至20%时比冲量在37.5CD处最大提高25.7%。在试验结果基础上利用数值模拟方法确定活性元后燃反应模型Miller项参数,得出不同含量活性元后燃反应能量释放规律以及活性元组分反应度随时间的变化关系:在理想情况下,随着活性元含量的增加,后燃反应时间减小。研究结果为低附带毁伤战斗部的近场增强设计提供了一种较好的技术策略。

一种考虑球体变形的钨球侵彻低碳钢深度计算模型

刘铁磊, 王晓锋, 徐豫新, 李永鹏, 张健

2024, 45(5):  1625-1636.  doi:10.12382/bgxb.2022.1013

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为了研究钨球在高速撞击下的变形行为对侵彻效果的影响,对钨球侵彻半无限低碳钢靶进行试验研究,得到<1600m/s冲击速度下钨球变形特征和靶板侵彻深度随冲击速度的变化规律。在此基础上构建钨球侵彻塑性变形模型。将钨球变形模型和球形空腔膨胀阻力模型相结合,建立钨球变形侵彻深度计算模型。对比不同撞击速度下钨球变形侵彻模型、刚性侵彻模型的计算结果。对比结果表明,变形侵彻模型能够更加准确地计算钨球对半无限靶的侵彻深度,计算结果与试验相比最大误差20%(正误差15%,负误差5%),精度较刚性侵彻模型提升42.86%。

接触爆炸下聚脲涂层增强钢板的抗爆性能

刘保华, 徐文龙, 王成, 杨同会, 葛萌

2024, 45(5):  1637-1647.  doi:10.12382/bgxb.2023.0090

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为满足装甲车等武器装备在接触爆炸下的防护需求,通过实验与数值模拟开展单层钢板及迎/背爆面聚脲增强钢板接触爆炸下的抗爆性能研究,分析不同面密度、不同聚脲涂覆位置下钢板的破坏模式及防护机理,探究在一定面密度下钢板-聚脲厚度比对复合结构抗爆性能的影响。研究结果表明:背爆面涂覆等厚度聚脲能够有效减小钢板背面穿孔及拉伸破坏,降低结构残余位移,迎爆面涂覆等厚度聚脲能够显著增强结构抗爆能力,使接触爆炸下的钢板损伤大大降低;相同面密度下,聚脲吸能性能与聚脲厚度正相关,但是聚脲过厚会导致复合结构变形加大,稳定性降低;综合考虑聚脲增强钢板结构的破坏变形、速度衰减以及能量吸收情况,在研究范围内,钢板迎爆面涂覆厚度比为1∶0.78的聚脲层具有最佳的抗爆性能。

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

杨冠侠, 武海军, 田泽, 董恒, 黄风雷

2024, 45(5):  1648-1662.  doi:10.12382/bgxb.2022.0944

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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。

不同物理性质无烟煤粉在乙烯/氧气氛围下爆轰波传播特性实验研究

张锋, 罗永晨, 肖博文, 倪晓冬, 郑权, 翁春生, 续晗

2024, 45(5):  1663-1672.  doi:10.12382/bgxb.2023.0022

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粉末连续旋转爆轰发动机不仅具有爆轰循环热效率高的优势,还兼具粉末燃料体积热值高、流量可调等优点,然而发动机的工作特性会受到煤粉的物理性质影响。为了更好地研究不同物理性质煤粉对于爆轰波传播特性的影响,搭建一套定容燃烧弹,结合高能点火系统,在初始压力p₀=100kPa下,研究多孔状5μm、多孔状40μm及片状5μm共3种无烟煤粉在不同当量比(0.7、1.0、1.3、1.5)下的爆轰波传播特性。研究结果表明:多孔状5μm无烟煤随着当量比的增加,爆轰波速度及压力持续增加,当量比为1.5时具有最大爆轰波传播速度及压力;多孔状40μm煤粉在0.7~1.3当量比下随当量比的增大,爆轰波速度持续增加,而后在当量比为1.5时由于过量的煤粉导致速度开始降低,但爆轰压力随着当量比的增加而增加;5μm多孔状煤粉爆轰波速度在相同当量比下优于40μm煤粉;片状5μm煤粉爆轰特性最差,在高当量比时会抑制爆轰。

基于冲击Hugoniot关系的爆压性质和不确定度量化

梁霄, 王瑞利

2024, 45(5):  1673-1680.  doi:10.12382/bgxb.2022.1207

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精确评估炸药冲击Hugoniot参数的可信区间,有效量化冲击起爆、状态方程等唯象模型的不确定度,提高模型的鲁棒性和可靠性,会极大地降低爆压标定的成本。利用线性回归拟合方法得到冲击Hugoniot参数,采用参数估计法推导出Hugoniot参数的置信区间,使用国内试验数据确认方法的有效性。在合理假设的基础上,结合Chapman-Jouguet理论和冲击Hugoniot关系,导出爆压与装药厚度、冲击波走时、初始密度、Hugoniot斜率和0-压声速之间的函数关系式。分别用对数正态分布和Beta分布表征输入不确定度,通过Rosenblatt变换将输入不确定度转化成相互独立的标准正态分布,使用自适应基函数多项式混沌不确定度传播量化方法,给出了爆压的概率密度函数和置信区间。研究结果表明,爆压与样品厚度、爆轰走时、爆速具有拟单调性,在特殊前提下证实了前人的判断。应用于PBX9502炸药,发现给出的置信区间较宽,与试验专家的先验论断吻合。该研究发展了一套有效量化爆轰不确定度的传播量化方法,为发展可信、强预测能力爆轰模拟软件提供了技术支撑。

复杂爆炸载荷致肺损伤试验研究

李冈, 徐冰川, 胡滨, 蔡萌

2024, 45(5):  1681-1691.  doi:10.12382/bgxb.2022.1063

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为研究真实工况下人员在爆炸冲击波作用下的动态响应特性,开展某型云爆弹静爆作用下工事内仿人形装置(Anthropomorphic Test Device,ATD)和绵羊的毁伤试验研究。采用爆炸测试装置和简易假人作为研究对象,通过6发爆炸试验分析爆炸冲击波在ATD表面传播规律,开展 2种人员损伤预测模型的对比分析。研究结果表明:在本试验工况下,冲击波和崩落的混凝土碎块是主要的毁伤元;爆炸冲击波在ATD表面首先发生反射,随后绕射至其他部位,压力曲线表现出非典型冲击波特征,反射叠加效应明显;在典型冲击波特征正压作用时间区间内,由于Axelsson损伤模型线性阻尼项的影响,求解的胸壁运动速度呈现出先增大至峰值后降低的现象;Axelsson损伤模型与UFC 3-340-02规范相比,在人员损伤预测方面相对保守。所得研究结果可为工程应用及毁伤评估提供参考。

航空铝合金激光焊接关键工艺参数与应力场关系

李光祖, 王江涛, 谢利, 卢雅林, 张永康, 胡可军, C. M. CASCIOLA

2024, 45(5):  1692-1702.  doi:10.12382/bgxb.2023.0935

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激光焊接工艺参数不仅影响铝合金结构件的残余应力,而且影响其服役性能,探究参数与应力场的关系对提高焊接结构件的质量具有重要的意义。采用圆锥热源模型对厚度为5mm的7075-T7351铝合金板材进行激光焊接数值模拟,分析焊接速度和激光能量两个关键参数对焊接残余应力场的影响规律,并借助实验验证模拟结果的准确性,揭示7075铝合金激光焊接工艺参数与应力场的关系。研究结果表明:残余应力会随着焊接速度的增加而不断增大,但当焊速超过一定值后焊核区应力不再增加,最大应力逐渐向两侧扩展;激光能量越大,导致残余应力降低且最大残余应力分布区域逐渐扩大;获得7075铝合金激光焊的最佳工艺窗口,焊接速度5~7mm/s,激光焊接能量70~100J/mm。所得研究成果在7075铝合金激光焊接工艺优化的周期缩短和成本降低方面具有一定的价值和意义。

基于Ghost-TiFPN的轻量化快速目标跟踪算法

阴国华, 齐咏生, 刘利强, 苏建强, 张丽杰

2024, 45(5):  1703-1716.  doi:10.12382/bgxb.2022.1272

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针对传统孪生目标跟踪算法体量大、难以在嵌入式设备部署以及其在目标尺度变化大、有相似物干扰等条件下效果不佳的问题,提出一种新的轻量化快速跟踪(Ghost fast Tracking with TiFPN and Retriever, GTtracker)算法。引入Ghost机制,对Resnet网络进行重新设计,构建一种轻量化G-Resnet网络对跟踪目标进行快速特征提取。设计轻量自适应加权融合(Tiny adaptive weighted fusion algorithm Feature Pyramid Network, TiFPN)算法,进一步加强特征信息的融合,解决相似物干扰问题。设计一种轻量化区域回归网络(Ghost Decoupled Net, GDnet),以实现目标分类、交并比(Intersection-over-Union,IoU)计算以及边界框回归,并在跟踪阶段应用一种新的目标寻回器提升算法跟踪的成功率。在OTB100数据集和VOT2020数据集上进行算法验证,并移植算法到嵌入式设备Jetson Xavier NX上进行性能测试。实验结果均表明算法的有效性和优越性,相比经典孪生目标跟踪(SiamCAR)算法,新方法在精度和期望平均重叠率(Expected Average Overlap,EAO)指标均相似的前提下,能够实现更快的运行速度,可在Jetson Xavier NX上实时运行,达到30 帧/s,且能有效解决相似物干扰、尺度变化大等问题。

一种基于组合子阵协方差矩阵的阵列扩展方法

梁国龙, 罗钧戈, 郝宇, 付进

2024, 45(5):  1717-1724.  doi:10.12382/bgxb.2022.1076

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针对阵列在低信噪比条件下信号检测概率低且方位估计性能下降的问题,提出一种基于组合子阵协方差矩阵的线列阵扩展方法。该方法将阵列划分为奇偶子阵,根据子阵的互协方差与自协方差矩阵构建扩展接收数据,对扩展接收数据进行组合作为最终的阵列接收数据进行处理,由此在突破阵列物理孔径的基础上避免仅使用奇偶阵元互协方差重构接收数据时产生的栅瓣问题。仿真结果表明:新方法可以降低波束输出的旁瓣,具有较好的弱目标检测能力和方位分辨力;相比于基于奇偶阵元互协方差的阵列扩展方法,新方法可有效提升方位估计精度,且不存在栅瓣问题。