冲击载荷下PVDF和PZT压电材料的动态性能研究

采用霍普金森压杆装置研究 PVDF 压电薄膜和 PZT-5压电陶瓷在冲击载荷作用下的输出线性度、响应时间和灵敏度。结果表明,在冲击载荷≤70 MPa 时。PZT-5的灵敏度为653.8 pE/N;PVDF 压电薄膜在冲击载荷为0～500 MPa 的范围内,输出电荷量具有很好的线性度,灵敏度为16.4 pC/N;PVDF 压电薄膜和 PZT-5压电陶瓷的响应时间与冲击载荷幅值大小有关,随着冲击载荷幅值的增大响应时间减小。     

叠堆型压电陶瓷驱动器的耦合模态分析

为了研究压电陶瓷驱动器的驱动性能,分析了以PZT-5H为驱动元件的叠堆型驱动器,采用简化的等效器件建立了电学模型。基于压电陶瓷材料的机电耦合特性运用ANSYS有限元分析软件对叠堆型驱动器进行了计算分析,得出输入电压与输出位移呈近似线性关系,通过控制压电陶瓷两端电压来控制其位移。仿真结果验证了此方案的有效性和可行性。该驱动器在自适应弹药上具有潜在的应用价值,可为弹头的偏转驱动装置设计提供参考。     

TC4钛合金板对球形弹抗冲击损伤特性研究

为研究钛合金板在球形弹冲击下的弹道性能与失效特性,在一级气炮进行弹体正冲击靶板试验,获取弹体的弹道极限速度和速度曲线。用有限元软件Abaqus建立弹体撞击靶板的仿真模型,计算获取弹体不同入射角冲击靶板的弹道极限速度,验证数值仿真模型及参数有效性。结果表明:质量为8.35 g的刚性球形弹冲击厚度为2 mm的钛合金板时,数值仿真的弹体弹道极限为231 m/s,试验为233 m/s,两者相差0.86%。随弹体冲击角度逐渐增大,靶板弹道极限逐渐增大,靶板的拉伸撕裂程度更严重。     

低压长脉冲作用下PBX炸药的响应特性

为研究塑料粘接炸药(PBX炸药)在低压长脉冲作用下的响应特性,采用大落锤试验的方法对壳体约束下的炸药样品进行低速撞击加载; 采用薄膜式PVDF对炸药试样顶部和底部的压力-时间曲线进行测量,通过壳体外表面的应变片测试壳体的环向和轴向应变,同时采用高速相机捕捉炸药在撞击作用下的反应发光现象; 采用LS-DYNA非线性有限元软件开展数值模拟,研究大落锤冲击载荷作用下PBX炸药的动态响应特性。结果表明,落锤撞击速度为3 m/s时,炸药受撞击面的峰值压力约为100 MPa,炸药不发生反应; 落锤撞击速度为5 m/s时,炸药受撞击面的峰值压力为200 MPa,炸药发生明显的化学反应; 有限元计算结果与试验测试结果具有较高的吻合度,可以很好地模拟炸药在低压长脉冲冲击下的力学响应特性。     

压电陶瓷用于半导体桥点火的研究

根据多层压电陶瓷产生电量的理论计算和分析,制作了压电陶瓷堆,利用压电陶瓷在爆炸冲击作用下产生的能量对半导体桥火工品进行了点火试验,并研究了压电陶瓷层数、爆轰激励源大小对点火的影响。结果表明:压电陶瓷片层数越多,其输出电压越高,输出能量越大;施加的爆炸冲击波压力越大,其输出的电压越高,能量也越高。因此,压电陶瓷用于半导体桥点火是可行的。     

等效水下爆炸冲击加载装置的设计研究

为了获取等效水下爆炸冲击波载荷,基于一维弹性波理论与水介质的线性状态方程,对飞片撞击充水锥形靶舱进行了理论分析。采用AUTODYN有限元软件,对撞击过程进行了数值模拟,对比分析了两种活塞厚度对应的冲击波衰减时间。根据理论与数值模拟研究结果,设计组装了等效水下爆炸冲击加载实验装置,测得了水靶舱侧壁中心处的冲击波压力时程曲线。研究结果表明：在实验室范围内通过飞片撞击锥形水靶舱,获取等效水下爆炸冲击波载荷是可行的,而且飞片速度与活塞厚度决定了水靶舱内冲击波的压力峰值与衰减时间;研制的加载装置可用于典型结构与材料的水下爆炸冲击响应分析研究。     

多角度高速侵彻金属靶的有限元模拟和实验研究

为研究轻装甲车辆对高速弹丸的侵彻性能,建立尖头弹多角度高速撞击金属靶板的侵彻有限元模型,对弹靶侵彻过程和靶板破坏形式进行分析计算,搭建高速运动分析实验系统,对弹靶侵彻模型进行验证。研究表明:模型结果与实验数据二者吻合较好;有限元模型和实验输出的剩余速度误差不大于5%,模拟的破坏形貌与实验结果较吻合;在一定入射角范围内,弹丸入射角度越大,厚度越大,靶板吸收能量越多。     

空心弹体侵彻金属靶板的数值模拟和实验研究

采用动力有限元方法和弹道枪加载实验技术进行了两种材料 (35CrMnSi和贝氏体钢 )的空心弹体垂直侵彻A3金属靶板的对比研究 ,分析了弹、靶材料典型的宏观变形破坏过程和微观组织结构。实验结果表明 ,当撞击速度较低时 ,弹体头部发生镦粗变形 ;当撞击速度较高时 (80 4m/s、798m/s) ,两种材料的弹体头部则均有质量侵蚀现象 ,35CrMnSi侵蚀略少于贝氏体钢 ,弹体头部均有绝热剪切带出现 ;贝氏体钢可成为一种新型穿甲弹弹体材料     

空心弹体侵彻金属靶板的数值模拟和实验研究

采用动力有限元方法和弹道枪加载实验技术进行了两种材料（35CrMnSi和贝氏体钢）的空心弹体垂直侵彻A3金属靶板的对比研究，分析了弹，靶材料典型的宏观变形破坏过程和微观组织结构，实验结果表明，当撞击速度较低时，弹体头部发生镦粗变形，当撞击速度较高时（804m/s,798m/s），两种材料的弹体头部则均有质量侵蚀现象，35CrMnSi侵蚀略少于贝氏体钢，弹体头部均有绝热剪切带出现，贝氏体钢可成为一种新型穿甲弹弹体材料。     

玻纤增强复合材料冲击Hugoniot参数实验研究

在单级轻气炮上,对一种玻纤增强复合材料的冲击Hugoniot参数进行了实验研究。最高撞击速度为520 m/s,相应在靶中得到的最高撞击压力为2.815 GPa.压力测试采用锰铜计,PVDF产生的压电信号用于判读激波速度。由实验结果拟合得到了玻纤增强复合材料的Hugoniot线性关系和Grüneisen系数。     

压电及弹性层厚度对弯曲元件特性影响的研究

研制一种三叠片型压电双晶片驱动器,上下两层为压电陶瓷材料PZT-5H,中间弹性层为铍青铜。利用激光测试仪LC-2400A及LV-1610对压电弯曲元件的输出位移、位移滞环、蠕变量及基频等特性进行实验测试。通过实验,确定压电弯曲元件的弹性层及压电晶片的厚度对其特性的影响,分析影响压电弯曲元件性能的因素。     

复合压电振子非轴对称优化

对悬臂梁式压电振子在外界激励下的电压输出进行了计算和分析。在分析了复合压电振子尺寸对输出电压影响的基础上,建立了悬臂梁结构的基本复合压电振子和非轴对称优化的复合压电振子模型。在体积与外界激励一定的情况下利用ANSYS软件进行了仿真分析。通过仿真分析可知优化后的复合压电振子输出电压较优化前提高了17.95%,同时其固有频率较优化前也有所降低。由此表明,经适当的非轴对称优化的压电振子对于再提高能量的转换效率具有一定的可行性和有效性。     

弹药侵彻混凝土的火工品环境力分析

为了研究弹药侵彻过程中的火工品受力环境,通过文献和实弹试验结果,分析了弹药侵彻单层混凝土目标时火工品承受的过载加速度值、过载持续时间和过载波形特性.37~100mm口径弹药以300~450m/s侵彻目标时,加速度峰值在15 000g~50 000g,过载持续时间集中在4~5ms.侵彻混凝土和钢筋混凝土(2%钢筋率)目标时过载特性和过载值基本相同.火工品在弹药侵彻过程中将承受交替的压缩和拉伸的应力波作用,同时也承受低频减速过载作用.     

压电冲击传感器方向敏感量化分析研究

针对压电引信中的压电冲击传感器输出受到冲击加速度方向的影响,提出一种评价压电冲击传感器方向敏感特性的方法。基于压电引信中压电传感器的工作原理和应用特点,构建多向压电冲击加速度传感器多角度冲击响应输出数学模型,并通过量化分析冲击传感器多角度冲击输出,掌握单向、多向压电传感器的多方向冲击响应规律,得到冲击传感器的最佳冲击方向。仿真结果表明：多向压电冲击传感器方向敏感特性优于单向传感器,方向敏感特性与传感器的各向灵敏度之比有关,该评价方法可为压电引信研制提供理论依据。     

非致命动能弹钝性冲击假人胸部的数值模拟

为验证应用Hybrid Ⅲ假人开展非致命动能弹钝性冲击损伤的有效性,揭示动能弹钝性冲击与汽车安全领域大质量低速冲击的不同,采用数值模拟的方法研究了非致命动能弹和大质量冲击物钝性冲击Hybrid Ⅲ 50^th假人胸部的动态过程,并基于粘性标准对非致命动能弹胸部损伤风险进行了数值评估。结果表明：Hybrid Ⅲ假人在非致命动能弹钝性冲击下的胸部压缩量和粘性指数最大值均在尸体实验的验证区间内,是一种有效的损伤评估替代物;在同等初始能量下,非致命动能弹钝性冲击时程更短、冲击力峰值更大、能量衰减速度更快,会造成胸部局部动能和内能的快速转换,从而形成局部表面伤,创伤面大于弹体横截面,且在肋骨前侧拐角处首先出现应力集中,容易造成断裂;而大质量低速冲击时的冲击物动能大部分转化为胸部内能,损伤伤情以胸内骨折和脏器损伤为主。质量为30 g的L5型棍弹速度超过74.6 m/s时,造成胸骨或两根以上肋骨骨折的概率超过50%。     

刻槽弹体旋转侵彻铝靶试验与数值模拟

为研究刻槽弹体旋转侵彻作用性能,分析了刻槽弹体旋转侵彻作用过程,在着靶速度400～700 m/s范围对刻槽弹体和卵形弹体旋转侵彻铝靶进行了试验研究,利用LS-DYNA动力学软件对刻槽弹体和卵形弹体旋转侵彻过程进行了数值仿真,仿真和试验结果吻合较好,表明仿真方法及材料模型的适用性。进行了着靶速度300～700 m/s,转速0～1 500 r/s条件下的仿真试验。仿真结果表明,旋转对刻槽弹体侵深具有很大的影响,在弹体转速和着靶速度达到合理匹配时,旋转的刻槽弹体可以有效地提高弹体的侵深。     

Al/Ni爆炸箔电爆特性及驱动飞片能力研究

利用传统的MEMs工艺成功制备出Al/Ni复合爆炸箔,在4k V的充电电压下研究其电爆性能。研究表明,相比于传统的铜爆炸箔,复合爆炸箔的能量利用高,可达18%,而且爆发提前,所需能量较小,爆发能量集中。飞片速度研究表明,爆炸箔的厚度和充电电压会影响飞片的最终速度,飞片的速度随爆炸箔的厚度和电压升高而增大。当爆炸箔的厚度为3μm、充电电压为5k V时,飞片的速度可达3 100m/s。     

长杆弹超高速侵彻砂浆靶临界速度的实验和计算

为了研究高强度合金钢长杆弹超高速侵彻砂浆混凝土靶时侵彻深度发生逆减的临界速度,开展了30CrMnSiNi2A长杆弹以初速度1 381~1 879 m/s侵彻半无限砂浆混凝土靶的实验。实验结果表明：靶板的开坑直径、开坑深度、开坑体积以及弹道孔径与侵彻速度呈近似线性关系;当侵彻速度小于1 724 m/s时,侵彻深度随速度的增大而增大;当侵彻速度大于1 724 m/s时,侵彻深度随速度的增大而减小;当速度为1 724 m/s时,侵彻深度达到最大。靶板的剖分结果显示:当长杆弹超高速侵彻靶板时,弹体着靶时微小的倾角会导致侵彻弹道发生严重的偏转,呈现为“J”字形弹道。基于实验结果,在考虑长杆弹头部变形的基础上利用修正的A-T模型,得到了长杆弹超高速侵彻砂浆混凝土靶时侵彻深度发生逆减的临界速度,分析了不同的弹靶参数对临界速度的影响,并结合实验数据,验证了理论模型的可靠性。