基于空氣炮和分離式霍普金森壓桿的火工品高加速度力學(xué)過(guò)載模擬試驗(yàn)等效方法研究

張 蕊, 付東曉, 都振華, 童書(shū)輝, 杜 軍, 任 斌, 李 芳, 劉 虎

(1. 陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所, 陜西 西安 710061; 2. 海軍裝備部, 北京 100841)

1 引 言

火工品是武器裝備的重要組成部分,廣泛應(yīng)用于武器彈藥系統(tǒng)。由于火工品使用的火工藥劑是最敏感的化學(xué)能源,其機(jī)械敏感性高,在撞擊、摩擦、過(guò)載等作用下可能導(dǎo)致火工品提前發(fā)火或失效,從而導(dǎo)致整個(gè)武器系統(tǒng)的意外作用或失效。尤其是在侵徹彈藥中,裝載火工品的彈藥可能未侵徹至需要的深度時(shí),火工品由于承受的過(guò)載太高而提前發(fā)火,或火工品的換能部件在侵徹過(guò)程中失效,導(dǎo)致彈藥無(wú)法達(dá)到作戰(zhàn)目的。因此,對(duì)火工品進(jìn)行過(guò)載試驗(yàn),測(cè)試火工品的抗過(guò)載能力,研究侵徹過(guò)載過(guò)程中火工品的性能變化規(guī)律具有重要意義。

現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)火工品進(jìn)行過(guò)載試驗(yàn)可以采用實(shí)彈射擊試驗(yàn)、馬歇特錘擊試驗(yàn)、自由式霍普金森壓桿(Free Hopkinson Pressure Bar,FHPB)試驗(yàn)、空氣炮等試驗(yàn)方法。其中,實(shí)彈射擊是評(píng)價(jià)過(guò)載安全性和可靠性的有效方法,但試驗(yàn)成本高,不適合用作產(chǎn)品的常規(guī)過(guò)載能力評(píng)估和驗(yàn)收。而馬歇特錘擊試驗(yàn)最大可以進(jìn)行過(guò)載加速度為3×104g的試驗(yàn)[1],FHPB試驗(yàn)最大可以進(jìn)行加載時(shí)間100 μs,過(guò)載加速度為10×104g的試驗(yàn)[2],空氣炮試驗(yàn)最大可以進(jìn)行加載時(shí)間100 μs,過(guò)載加速度為15×104g的試驗(yàn)[3],現(xiàn)有技術(shù)中,沒(méi)有能夠?qū)鸸て犯筮^(guò)載加速度進(jìn)行試驗(yàn)的常規(guī)過(guò)載能力評(píng)估試驗(yàn)方法。

分離式霍普金森壓桿(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)通常用作測(cè)量材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的主要手段之一[4],張學(xué)舜等[5]應(yīng)用SHPB裝置評(píng)估火工品動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)安全性和可靠性,提出了SHPB不同子彈速度下,火工品動(dòng)態(tài)安全性所受過(guò)載系數(shù)和應(yīng)力波強(qiáng)度下的臨界值。因此SHPB作用在火工品上是由過(guò)載系數(shù)和應(yīng)力波強(qiáng)度2個(gè)變量描述的,不能用單一的加速度來(lái)描述SHPB試驗(yàn)后的火工品狀態(tài)。阻礙了SHPB在火工品力學(xué)過(guò)載試驗(yàn)上的應(yīng)用。

本研究利用半導(dǎo)體橋(SCB)火工品在空氣炮試驗(yàn)和SHPB 兩種力學(xué)過(guò)載試驗(yàn)后宏觀性能的變化規(guī)律,例如軸向應(yīng)變、作用時(shí)間和發(fā)火能量的規(guī)律變化特性,建立了基于空氣炮和SHPB的高加速度過(guò)載模擬試驗(yàn)方法和等效關(guān)系,利用該方法和等效關(guān)系可以利用SHPB試驗(yàn)獲得等效加速度下火工品的抗過(guò)載能力及其性能變化情況。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品為半導(dǎo)體橋火工品,其尺寸為Φ7 mm×9.7 mm。半導(dǎo)體橋芯片尺寸為1.6 mm×1.3 mm×0.45 mm,其芯片電阻0.9～1.15 Ω,橋區(qū)厚度2 μm。圖1為半導(dǎo)體橋火工品樣品。

圖1半導(dǎo)體橋火工品樣品

Fig.1Sample of semiconductor bridge(SCB) pyrotechnics

2.2 試驗(yàn)方法

(1)空氣炮試驗(yàn)

空氣炮試驗(yàn)是基于空氣炮原理的動(dòng)態(tài)過(guò)載力學(xué)環(huán)境模擬試驗(yàn)方法,此試驗(yàn)方法的原理為空氣炮發(fā)射裝載被測(cè)火工品樣品的子彈、子彈與炮口前方的靶板碰撞形成沖擊力學(xué)環(huán)境,火工品受到?jīng)_擊力學(xué)環(huán)境的影響發(fā)生相應(yīng)的變形或位移,通過(guò)分析火工品試驗(yàn)后的樣品損傷程度、輸入輸出性能的變化和失效/發(fā)火事件數(shù),分析火工品樣品耐受沖擊過(guò)載的能力、評(píng)估火工品樣品的力學(xué)過(guò)載安全性和可靠性,檢驗(yàn)火工品的過(guò)載加速度指標(biāo)。本試驗(yàn)采用銅柱測(cè)壓法作為子彈與靶板碰撞試驗(yàn)的過(guò)載加速度測(cè)試方法。碰撞試驗(yàn)中,銅柱在撞擊桿作用下發(fā)生塑性變形,根據(jù)銅柱壓后高查找壓力表可得到撞擊壓力,根據(jù)撞擊桿質(zhì)量、測(cè)試得到的撞擊壓力并基于牛頓第二定律,進(jìn)而求得試件的過(guò)載加速度?？諝馀谧訌梼?nèi)火工品樣品的裝配方式如圖2所示。

圖2空氣炮試驗(yàn)中子彈與半導(dǎo)體橋火工品裝配示意圖

1—子彈, 2—靶板, 3—半導(dǎo)體橋火工品, 4—正軸向加載

Fig.2Assembly schematic of bullets and SCB pyrotechnics in air cannon test

1—bullets, 2—target plate, 3—SCB pyrotechnics, 4—positive axis direction of the load

(2)SHPB試驗(yàn)

SHPB試驗(yàn)是采用Hopkinson壓桿形成的應(yīng)力波對(duì)火工品試樣進(jìn)行應(yīng)力波加載,形成力學(xué)過(guò)載環(huán)境[6-8],火工品受到應(yīng)力波作用發(fā)生相應(yīng)損傷?；鸸て吩嚇臃胖迷赟HPB的輸入桿與輸出桿之間,火工品腳線部分插入墊塊,墊塊的材料與輸入桿輸出桿材料相同,裝配方式如圖3所示。

圖3SHPB與半導(dǎo)體橋火工品裝配方式示意圖

1—輸入桿, 2—半導(dǎo)體橋火工品, 3—墊塊, 4—輸出桿

Fig.3Assembly schematic of SHPB and SCB pyrotechnics

1—input bar, 2—SCB pyrotechnics, 3—pad, 4—output bar

(3)火工品軸向應(yīng)變

采用游標(biāo)卡尺對(duì)試驗(yàn)前的火工品長(zhǎng)度進(jìn)行軸向長(zhǎng)度測(cè)量,測(cè)量值為L(zhǎng)1,試驗(yàn)后軸向長(zhǎng)度為L(zhǎng)2,火工品軸向應(yīng)變?yōu)?00×(L1-L2)/L1(%)。

(4)作用時(shí)間

將火工品從輸入端接受規(guī)定的外部能量刺激到燃燒或爆炸所用的時(shí)間定義為火工品的作用時(shí)間。對(duì)半導(dǎo)體橋火工品樣品用(27±1) V、(28±2.8) μF充電電容器放電一次,并用GJB5309.21-2004規(guī)定的方法測(cè)量半導(dǎo)體橋火工品的作用時(shí)間,單位為μs。

(5)芯片發(fā)火能量

半導(dǎo)體橋芯片爆發(fā)過(guò)程中所消耗的電能。用示波器對(duì)發(fā)火過(guò)程中的動(dòng)態(tài)發(fā)火電壓和動(dòng)態(tài)發(fā)火電流進(jìn)行測(cè)量,將測(cè)得的電壓和電流時(shí)間相乘可得功率(P)的時(shí)間曲線, 通過(guò)積分即可得輸入半導(dǎo)體橋芯片上的電能(E),單位為mJ。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)空氣炮試驗(yàn)后的火工品樣品進(jìn)行軸向應(yīng)變、作用時(shí)間和芯片發(fā)火能量進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖4a,圖5a,圖6a所示。

對(duì)SHPB試驗(yàn)后的火工品樣品進(jìn)行軸向應(yīng)變、作用時(shí)間和芯片發(fā)火能量進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果見(jiàn)圖4 b,圖5 b,圖6 b所示。

表1空氣炮過(guò)載后SCB火工品的試驗(yàn)結(jié)果

Table1Results of SCB pyrotechnics after overload by air cannon

acceleration/×104gstrain/%timetoreaction/μschipfiringenergy/mJ4.551.2113.211.1165.881.1112.741.0917.212.2112.341.0839.872.7211.581.00810.544.0511.471.00712.534.4210.830.99214.195.0610.440.962

表2分離式Hopkinson壓桿過(guò)載后SCB火工品的試驗(yàn)結(jié)果

Table2Results of SCB pyrotechnics after overload by SHPB

bulletspeed/m·s-1strain/%timetoreaction/μschipfiringenergy/mJ2.51.8412.601.0845.06.1210.740.9447.57.968.700.9109.810.118.540.91311.511.578.660.939

a. air cannon test

b. SHPB test

圖4兩種試驗(yàn)的應(yīng)變擬合曲線

Fig.4Fitting curves of Strain obtained by two tests

(1)軸向應(yīng)變變化情況

典型半導(dǎo)體橋火工品頭部采用收口設(shè)計(jì),在空氣炮的試驗(yàn)夾具中頭部收口處會(huì)發(fā)生軸向壓縮,空氣炮試驗(yàn)與SHPB試驗(yàn)后的現(xiàn)象是一致的。同時(shí)2種試驗(yàn)SCB火工品的軸向應(yīng)變變化規(guī)律如圖4所示。隨著過(guò)載加速度或子彈速度的增加,軸向應(yīng)變呈線性增大,線性擬合公式如圖4中所示。

(2)作用時(shí)間及發(fā)火能量的變化情況

在2種過(guò)載試驗(yàn)中,SCB火工品中的藥柱被壓縮,使藥柱的密度變大,同時(shí)藥柱與換能元的接觸更為緊密,此時(shí)半導(dǎo)體橋火工品性能變化服從裝藥密度變化規(guī)律,即隨著密度的增加作用時(shí)間逐漸減少,發(fā)火能量逐漸降低,當(dāng)裝藥密度達(dá)到一定值后,由于半導(dǎo)體橋芯片的發(fā)火機(jī)理由等離子體起爆轉(zhuǎn)換為熱機(jī)理起爆,從而導(dǎo)致作用時(shí)間變長(zhǎng),發(fā)火能量變大。所以當(dāng)半導(dǎo)體橋火工品軸向應(yīng)變達(dá)到一定量值后,其性能變化主要受應(yīng)變的影響。作用時(shí)間和發(fā)火能量變化規(guī)律及擬合曲線方程如圖5和圖6所示。由圖5a和圖6a中可見(jiàn)空氣炮試驗(yàn)中SCB火工品的作用時(shí)間和發(fā)火能量呈現(xiàn)降低趨勢(shì),與所述規(guī)律不相符,這是因?yàn)榭諝馀谠囼?yàn)的最大過(guò)載加速度還未達(dá)到SCB火工品作用時(shí)間及發(fā)火能量發(fā)生轉(zhuǎn)變的臨界過(guò)載加速度。而圖5b和圖6b中,由于其應(yīng)變達(dá)到了較高的值(10.11%及以上),作用時(shí)間和發(fā)火能量達(dá)到了臨界變化最小值后,開(kāi)始有變大的趨勢(shì)。

a. air cannon test

b. SHPB test

圖5兩種試驗(yàn)的作用時(shí)間擬合曲線

Fig.5Fitting curves of time-to-reaction obtained by two tests

a. air cannon test

b. SHPB test

圖6兩種試驗(yàn)的發(fā)火能量擬合曲線

Fig.6Fitting curves of chip firing energy obtained by two tests

2.4 空氣炮試驗(yàn)和SHPB試驗(yàn)的等效

空氣炮試驗(yàn)和SHPB試驗(yàn)對(duì)火工品的影響通常表現(xiàn)為火工品的軸向壓縮、作用時(shí)間和發(fā)火能量等參數(shù)發(fā)生變化。空氣炮試驗(yàn)可以通過(guò)彈載加速度傳感器或計(jì)算的方法直接獲得加速度。而SHPB試驗(yàn)中,除了加速度對(duì)火工品發(fā)生作用外,還有應(yīng)力波也對(duì)對(duì)火工品同樣產(chǎn)生影響,因此,SHPB試驗(yàn)中無(wú)法單純的用加速度來(lái)描述。本研究利用空氣炮試驗(yàn)和SHPB試驗(yàn)中火工品對(duì)應(yīng)性能的變化,將SHPB試驗(yàn)中的子彈速度等效為空氣炮試驗(yàn)中的加速度,從而得到空氣炮不能達(dá)到加速度下的火工品的抗力學(xué)性能。

(1)加速度-軸向應(yīng)變的等效

空氣炮加速度-應(yīng)變擬合線性方程如圖4a所示,由圖4a中公式可得:

x=(ys+0.4545)/0.37696

(1)

式中,x為加速度,g;ys為軸向應(yīng)變, %。

將SHPB試驗(yàn)后的SCB火工品的軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)(表2),代入方程(1)可得等效加速度。圖7給出了SCB火工品軸向應(yīng)變與SHPB試驗(yàn)等效加速度的擬合曲線。

圖7加速度-應(yīng)變曲線等效結(jié)果

Fig.7Equivalent results by acceleration-strain fitting lines

(2)加速度-作用時(shí)間等效

空氣炮加速度-作用時(shí)間擬合非線性方程如圖5a所示,由圖5a公式可得:

(2)

式中,x為加速度g,式(2)中取圖5a公式中參數(shù),即a=0.00574,b=-0.38568,c=14.83133-d,d為SHPB試驗(yàn)得到的作用時(shí)間,μs(表2)。圖8給出了SCB火工品作用時(shí)間與SHPB試驗(yàn)等效加速度的擬合曲線。

圖8加速度-作用時(shí)間曲線等效結(jié)果

Fig.8Equivalent results by acceleration-time to reaction fitting lines

(3)加速度-芯片發(fā)火能量等效

空氣炮加速度-芯片發(fā)火能量擬合非線性方程如圖6a所示,由圖6a公式可得:

(3)

式中,x為加速度,g,其中a=0.000539469,b=-0.02637,c=1.229-d,d為SHPB試驗(yàn)得到的芯片發(fā)火能量,mJ(表2)。圖9給出了SCB火工品發(fā)火能量與SHPB試驗(yàn)等效加速度的擬合曲線。圖8和圖9中的擬合結(jié)果表明,當(dāng)過(guò)載加速度達(dá)到24×104g以上時(shí),SCB火工品的作用時(shí)間和發(fā)火能量才出現(xiàn)拐點(diǎn),這也是在空氣炮試驗(yàn)中圖5a和圖6a中的規(guī)律未呈現(xiàn)拋物線規(guī)律的原因。

圖9加速度-發(fā)火能量曲線等效結(jié)果

Fig.9Equivalent results by acceleration- firing energy fitting lines

(4)等效數(shù)據(jù)綜合分析

利用SHPB試驗(yàn)中SCB火工品的軸向應(yīng)變、作用時(shí)間和發(fā)火能量等試驗(yàn)數(shù)據(jù),分別代入公式(1)、公式(2)和公式(3),獲得的SHPB試驗(yàn)不同子彈初始速度對(duì)應(yīng)的等效的加速度見(jiàn)表3。

表3三種參數(shù)的等效結(jié)果

Table3Equivalent results of three kinds of parameters

bulletspeed/m·s-1acceleration-strainacceleration/×104gacceleration-timetoreactionacceleration/×104gacceleration-firingenergyacceleration/×104g2.56.0876.3946.3145.017.44113.21916.1317.522.32225.81721.9869.828.02627.88427.84511.531.89940.96032.173

根據(jù)表3的結(jié)果,對(duì)不同子彈速度下的3組等效加速度進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果見(jiàn)圖10。子彈速度-加速度的等效線性方程為:

x=-0.58302+3.06007vv>0

(4)

式中,v為子彈速度,m·s-1;x為加速度,g。

圖10三種參數(shù)的等效結(jié)果擬合曲線

Fig.10Equivalent fitting curve of three kinds of parameters

由上獲得了等效加速度與SHPB試驗(yàn)中子彈速度的關(guān)系。至此,利用獲得擬合方程(4)即可得到SHPB試驗(yàn)不同子彈速度下半導(dǎo)體橋火工品所受到的等效加速度值。

3 基于空氣炮和SHPB試驗(yàn)的火工品高加速度力學(xué)過(guò)載模擬試驗(yàn)方法的步驟

歸納上述試驗(yàn),采用以下步驟即可進(jìn)行空氣炮和SHPB試驗(yàn)高g值加速度等效模擬試驗(yàn):

步驟1: 對(duì)待測(cè)試的火工品進(jìn)行不同加速度(不少于5個(gè))下的空氣炮模擬試驗(yàn)。

步驟2: 對(duì)待測(cè)試的火工品進(jìn)行不同子彈初速(不少于5個(gè))的SHPB試驗(yàn)。

步驟3: 對(duì)空氣炮和SHPB試驗(yàn)后的火工品進(jìn)行結(jié)構(gòu)或性能特征參量測(cè)試(如,軸向應(yīng)變、作用時(shí)間或發(fā)火能量等)。

步驟4: 對(duì)空氣炮模擬試驗(yàn)得出的過(guò)載加速度與火工品結(jié)構(gòu)或性能特征參量的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行曲線擬合,得到過(guò)載加速度-特征參量擬合方程。

步驟5: 將通過(guò)SHPB試驗(yàn)得到的特征參量代入過(guò)載加速度-特征參量擬合方程,得到基于特征參量的過(guò)載加速度與SHPB子彈速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

步驟6: 對(duì)基于各種(一般選擇兩種及以上)的特征參量過(guò)載加速度與SHPB子彈速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系共同進(jìn)行曲線擬合,得到SHPB子彈速度-過(guò)載加速度擬合方程。

步驟7: 將使用SHPB試驗(yàn)得出的子彈速度代入子彈速度-過(guò)載加速度擬合方程,得到等效的過(guò)載加速度。

4 結(jié) 論

采用空氣炮試驗(yàn)中SCB火工品的三種性能參數(shù)隨過(guò)載加速度變化的擬合關(guān)系(應(yīng)變隨著加速度變化呈現(xiàn)線性關(guān)系,作用時(shí)間和發(fā)火能量隨著加速度變化呈現(xiàn)拋物線關(guān)系),將SHPB試驗(yàn)的結(jié)果代入擬合關(guān)系式中,獲得過(guò)載加速度和SHPB試驗(yàn)的初始子彈速度的關(guān)系(見(jiàn)表3所示),并綜合擬合出等效加速度和子彈初速的表達(dá)式(x=-0.58302+3.06007v,v>0),初步實(shí)現(xiàn)了利用等效加速度描述SHPB試驗(yàn)中加速度與應(yīng)力波對(duì)火工品的綜合作用,是利用SHPB試驗(yàn)研究加速度對(duì)火工品抗力學(xué)過(guò)載性能的一種有效嘗試。

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