平面沖擊波加載及其傳播特性研究.pdf

1、準(zhǔn)確地獲取由飛片沖擊目標(biāo)靶板產(chǎn)生的平面沖擊波壓力及其傳播特性，不僅是研究高能密度材料合成效率，建立帶殼炸藥沖擊起爆計(jì)算模型的重要前提，也是評價(jià)材料的抗爆和防護(hù)性能的重要手段。但是，受測試技術(shù)的限制，采用超高壓傳感器進(jìn)行埋置式測量，無法完整地記錄平臺峰值壓力不低于10GPa、平臺保持時(shí)間(脈沖寬度)為微秒級的平面沖擊波壓力——時(shí)間歷程曲線，此時(shí)平面沖擊波及其在密實(shí)介質(zhì)中的傳播特性無法獲知。本文采用數(shù)值模擬、理論分析、試驗(yàn)研究三種研究方法，

2、重點(diǎn)對平面沖擊波加載及其在典型金屬材料中的傳播特性進(jìn)行研究。全文開展的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)采用數(shù)值仿真分析和灰色關(guān)聯(lián)分析的方法探討了三種典型沖擊特征參數(shù)對靶板撞擊面初始平面沖擊波的影響規(guī)律及其貢獻(xiàn)程度，研究結(jié)果顯示:1)飛片速度越大，平面沖擊波的峰值壓力和比沖量越大，脈沖寬度越小;飛片厚度越大，沖擊波的峰值壓力保持不變，脈沖寬度和比沖量越大;飛片與靶板材料的波阻抗越大，沖擊波的峰值壓力越大，脈沖寬度越小，比沖量越大

3、。2)對沖擊波的峰值壓力具有顯著貢獻(xiàn)的沖擊波特征參數(shù)依次是飛片速度、波阻抗;對沖擊波的脈沖寬度具有顯著貢獻(xiàn)的沖擊波特征參數(shù)依次是飛片厚度、波阻抗、飛片速度;對沖擊波的比沖量具有顯著貢獻(xiàn)的沖擊波特征參數(shù)依次是飛片速度、波阻抗、飛片厚度。最后，根據(jù)平面沖擊波理論分析和灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果，指出了飛片沖擊加載時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問題。
　　(2)對平面沖擊波在三種典型金屬材料中的傳播特性進(jìn)行了研究。采用數(shù)值仿真方法研究了平面沖擊波的傳播規(guī)律，探討

4、了三種典型沖擊特征參數(shù)對平面沖擊波的峰值壓力、脈沖寬度以及比沖量衰減特性的影響，結(jié)果表明:1)飛片厚度越大，沖擊波的峰值壓力、脈沖寬度以及比沖量衰減越慢;2)波阻抗越大，沖擊波的峰值壓力、脈沖寬度以及比沖量衰減越快;3)飛片速度越大，沖擊波的峰值壓力、脈沖寬度以及比沖量衰減越慢;4)沖擊波的比沖量在密實(shí)介質(zhì)中的衰減可分為2個(gè)階段，在早期階段，追趕稀疏波尚未趕上前面的沖擊波陣面，比沖量衰減較為緩慢;而后期階段由于受到追趕稀疏波的卸載作用，

5、沖擊波比沖量的衰減速度明顯加快。
　　(3)對平面沖擊波在密實(shí)介質(zhì)中傳播特性的相似規(guī)律進(jìn)行了研究。基于沖擊相似律和量綱分析理論，對影響平面沖擊波傳播特性的飛片厚度、飛片速度、飛片直徑、靶板直徑、靶板厚度及飛片與靶板的材料屬性等因素進(jìn)行分析，建立了平面沖擊波傳播特性的無量綱經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。以無氧銅材料為研究對象，在平臺壓力峰值為10GPa條件下，用LS-DYNA分別開展原型和縮比系數(shù)為1.0、0.8、0.6、0.4、0.2、0.1的無氧銅

6、飛片沖擊無氧銅靶板的數(shù)值仿真計(jì)算。結(jié)果表明，在縮比模型的飛片與靶板材料及飛片速度均與原型相同條件下，縮比系數(shù)不小于0.1時(shí)，縮比模型與原型平面沖擊波的傳播特性服從幾何相似規(guī)律，并且尺寸效應(yīng)對平面沖擊波傳播特性相似律的影響可以忽略。
　　(4)根據(jù)模型試驗(yàn)準(zhǔn)則，提出一種采用與原型完全幾何相似的縮比模型試驗(yàn)求取平面沖擊波在密實(shí)介質(zhì)中傳播特性的方法，并給出縮比模型試驗(yàn)的一般方案。首先，以第4章縮比系數(shù)為0.6的數(shù)值模擬結(jié)果在典型觀察點(diǎn)處

7、的平面沖擊波參數(shù)為依據(jù)，構(gòu)建了沖擊波峰值壓力、比例脈沖寬度和比例沖量分別與比例距離之間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?將該模型求得的原型平面沖擊波參數(shù)的理論計(jì)算值和數(shù)值仿真值進(jìn)行比較，結(jié)果表明縮比模型與原型之間沖擊波峰值壓力、脈沖寬度和比沖量較吻合?？梢?，在一維應(yīng)變沖擊狀態(tài)下，保持飛片速度、飛片與靶板的材料不變的前提下，通過改變飛片厚度、靶板厚度、飛片直徑以及靶板直徑進(jìn)行縮比模型試驗(yàn)求取原型平面沖擊波傳播特性的縮比試驗(yàn)方法是可行的。其次，在飛片沖擊半無限厚

8、靶板的理想狀態(tài)，保持飛片直徑、靶板直徑、靶板厚度、飛片速度以及飛片與靶板的材料不變的前提下，僅通過對飛片厚度進(jìn)行縮比，縮比模擬試驗(yàn)獲得的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜎_擊波峰值壓力、脈沖寬度和比沖量的理論計(jì)算值和原型相應(yīng)的數(shù)值模擬值較吻合，結(jié)果表明，僅通過改變飛片厚度進(jìn)行縮比模型試驗(yàn)求取原型平面沖擊波傳播特性也是可行的。最后，構(gòu)建平面沖擊波壓力測量系統(tǒng)，基于一級輕氣炮裝置開展了1GPa壓力量值下平面沖擊波在無氧銅材料中傳播特性的試驗(yàn)研究，縮比模型試驗(yàn)獲得的平

9、面沖擊波在無氧銅中衰減特性與原型較吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了該縮比試驗(yàn)方法的可行性。
　　(5)對平面沖擊波傳播特性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型進(jìn)行了研究?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，建立了以飛片速度、飛片直徑、飛片厚度、靶板直徑、靶板厚度、沖擊波傳播距離及飛片與靶板的材料屬性等20個(gè)物理量為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入量，沖擊波的峰值壓力、脈沖寬度及比沖量為網(wǎng)絡(luò)輸出量的平面沖擊波傳播特性的BP預(yù)測模型和RBF預(yù)測模型。通過對第3章中數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的整理，得到了對網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行