抗高过载技术分析

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主要包括直接碰撞力和冲击惯性力。 直接碰撞力因不正确操作使引信碰撞炮尾或因输弹而产生。 冲击惯性力是由于送弹运动的突然停止而产生的前冲力。对于某些武器 此惯性力产生的冲击加速度可达10000g以上,如25mm高射炮的这种前冲加 速度达(10.3-12.7)x103g。
弹药系统的冲击、振动环境
发射后冲击环境分析
发射周期内,弹体主要受后坐惯性力和离心力冲击作用 引信种类 地面炮榴弹引信 火箭弹引信 破甲弹引信 高射炮弹引信 冲击加速度(g) 1000~20000 10~6000 1000~40000 3000~45000 引信种类 迫击炮弹引信 特种弹引信 海军专用炮弹引信 航空炮弹引信 冲击加速度(g) 300~9000 500~15000 900~80000 50000~80000
抗高过载技术的研究
如图 所示为美国 NASA 中心研制的单晶 6H-SiC 压阻
式加速度计。主要应用于高温、高电磁场等特殊场合,这
些特殊场合对常规的硅传感器提出了考验,而碳化硅的半 导体特性使其在这种特殊场合有着巨大的应用前景。
抗高过载技术的研究
现状
高G值加速度计已被应用于炮弹引信、激 光制导炸弹和巡航导弹中
电子元件
对于在车载装备、炮射弹药、侵彻弹药等高过载条件下
工作的电子系统,要求其在经受高强度的加速度冲击之后,
仍能正常工作。在这种情况下,耐高过载便成为其中所包 含的电子分系统、电子整件、部件及电子元器件的一项 必不可少的基本要求。
试验方法
实弹射 击
空气炮 加载
试验 方法
马歇特 锤击
霍普金 森杆
落锤冲 击
航空火箭弹引信
20~200
穿甲弹引信
200~30000
弹药系统的冲击、振动环境
发射周期后的冲击主要表现为在弹道上碰到障碍物时的 冲击,尤其是侵彻类弹药,如钻地弹、爆破弹、各类尖 头弹等。
弹道末期,通常以每秒几千英尺的高速穿入地面、混凝土、岩石或
其它坚硬物质,其运动的平均加速度高达2万g,最大冲击加速度甚
抗高过载技术的研究
20 世纪 90 年代末,利用表面微机械加工技术,美国圣 地亚国家实验室研制出一种用于钻地武器的高 g 值加速度 计,如图 所示。
加速度计的结构由参考电容、检测电容和支撑梁组成。 检测电容由定极板和动极板组成,定极板与传感器基座 连在一起,动极板由梁支撑在定极板的上方。该加速度
计材料选用多晶硅,其量程可达到 5 万 g。
在模拟炮弹发射环境的冲击台和空气炮上进行过载冲击试
验,该产品可以承受超过 6 万 g 的冲击。
抗高过载技术的研究
20 世纪 90 年代,美国 Endevco 公司生产了用于武器系统 的引信和高冲击测试等方面的 7270 系列加速度传感器, 其敏感元件结构和封装结构如图 所示。
该传感器采用 2μm 直径的焊丝,利用环氧材料将芯片封 装起来,因此能够抵挡20万g的加速度冲击。在霍普金森 棒冲击测试中,该加速度传感器的量程达到10万g。
抗高过载方法
装药结构
炸药装药设计为一体(不是分段或分块),封闭在几乎不变形的弹体 内腔中,可有效克服弹体侵彻时因轴向或横向过载发生较大形变或位 移,减缓了装药内部因喷射、相互冲击、摩擦生热、绝热剪切等引起 的“热点”效应 在药室前端预置惰性缓冲组件 在弹壳内表面涂覆复合高分子惰性涂层,使装药与壳体隔离,避免因 装药与壳体弹壁的摩擦生热引起“热点”效应;大幅度减少装药中孔
洞、裂纹、间隙等疵病的产生,减弱内孔的塌陷,以及孔洞周围塑性
变形的粘性生热 尾部设计有轴向惰性缓冲物,改善传爆管的受力环境,减小装药尾部
因绝热剪切引起的“热点”效应
抗高过载方法
装药工艺 真空浇注-控温固化工艺方法 该工艺方法是将药料置于抽空减压条件下的设备中,将 药料浇入弹壳,经自然流平,然后关闭真空,将浇注好 的物料在控温条件下固化。在浇注过程中,抽真空可使
试验方法
实弹射击试验方法
这种方法是最早使用的一种产生高过载加速度的试验方法,并且其过载过 程与实际过程最为接近。 不足:这种方法过程难以控制,火药燃烧较快,气体瞬间膨胀产生的高压 力以及温度对身管内部的烧蚀很严重,并且火药的非平面燃烧会对管体造
成横向振动,安全可靠性不高,而且试验成本较高。所以这种方法主要用
试验方法
来源:炮射导弹高过载环境模拟试验技术研究——罗建华
试验方法
工作过程:
试验台为大过载一次性冲击火药技术综合试验台,用于检查被试 产品承受轴向启动加速度作用能力,同时可以检查产品承受轴向 制动加速度作用的能力。试验台是主发射药在药筒中燃烧形成的 气体压力作用下,对装有被试产品的容器载体产生瞬间加速,产 生的加速度作用在被试产品上,该产品经历过载考核,从而完成 试验。
于测试弹丸着靶时的装药抗过载能力。
试验方法
落锤冲击试验方法
该方法利用一质量块在一高度自由落体冲击试件。目前这种方法可以达
到的最大过载加速度为几万g。
不足:对于质量较小的精密电子元器件会造成损坏。
试验方法
马歇特锤击试验方法
该方法是传统的试验方法,其工作原理是用重力对冲击锤加速,使其打击砧 子,利用击锤碰击砧子产生的惯性力使试验件具有过载加速度。该实验方法 操作简便,易于实现。 缺点:加速度的分布空间较大,同样的试验测得的过载加速度值差异很大。
2018/9/24
仿真方法
Ansys Ls-dyna
抗高过载方法
装药
炸药 配方
装药 结构
装药 工艺
抗高过载
抗高过载方法
炸药配方 采用浇注 PBX 炸药来替代早期广范使用的 TNT 或 H6、 Tritonal 炸药
优点
提高爆炸威力 提高弹药装药的安全性和环境适应性 浇注 PBX炸药类似弹塑性体,它可以吸收过载应力, 抗过载能力较高,优于其它品种的混合炸药
至达十万g乃至数十万g。
抗过载
哪些部件需要抗过载?
装药
抗过 载
机械 机构 电子 元件
装药
应力波作 用阶段
发射初期时,转速较低,混合 燃料介质内部的应力波到达顶 燃料离心作用较小 部
混合燃料与壳体壁面的摩擦力 混合燃料成为不可压缩介质 (刚 较小 体 )
整体惯性 作用阶段
弹体的纵向过载致使混合燃料 混合燃料介质内部不再发生变 与壳体端盖碰撞,在燃料介质 形,混合燃料底部的应力成为 内部产生应力波 这一阶段安全发射的主要因素
硅MEMS加 速度传感器
抗高过载技术的研究 国外发展状况:
目前,国外已成功地研制出了许多性能优良的高过载惯性 器件,例如高过载加速度计和高过载陀螺。但由于高过载 的 MEMS 惯性器件一般都应用于军事方面,因此其公开
的资料比较少,可供参考的数据也比较少。
抗高过载技术的研究
1985 年,德雷伯实验室(CSDL)在美国军方合同的资助下, 开始研制可满足于军用惯性系统所要求的低成本微型惯性器 件,在 1996 年研制出量程为 10 万 g 的加速度计。 1989 年,美国模拟器件(AD)公司开始研究叉指式电容微加 速度计,在 1993年开始投产,现已形成 ADXL 产品系列。
• 美国 ADI公司、ENDEVCO公司
应用目标瞄准了汽车防撞气囊、测量仪器 和军事领域
• 美国的CSEM,CROSSBOW和MOTOROLA公司以 及UC berkley, Standford等著名大学
过载加速度脉宽约为数十微秒。
试验方法
空气炮加载试验
其工作原理是利用高压气体为动力源,使得试验弹体带着试件在身管 内完成加速运动,达到过载作用目的。这种方法试验成本较低、易于
操作、使用性好,目前使用最为广泛。
空气炮是通用的高速发射和高压加载工具。它可以发射从百米每秒到 万米每秒速度的不同形状和材质的弹体,弹丸连续可调而且重复性良 好,是高速撞击和超高速撞击的主要实验手段。 起初得到发展的是单级压缩气炮,它的弹速通常小于1500 m/s,主要用 来做材料动力学、侵彻和高速撞击现象的规律研究实验。随着航天技 术和太空动能武器的发展,超高速撞击实验的需求随之变得重要起来, 二级空气炮也就随之问世,其最大弹速通常为 4000-8000 m/S。
医学
过载加速度
高过载
与过载相对应,高过载(high overload)的含义可解释为“十分 过量”、“十分过度”,意即过载已经达到相当高的程度。 同一过载强度,在一种场合是高过载,
相对
在另一种场合可能就不能称之为高过载, 甚至连过载也算不上。
飞行员——几个g的加速度环境就已经处于过载状态,10 g则为高过载 环境。 弹药系统——过载状态下的加速度通常达千 g以上,在高过载状态下
试验方法
来源:炮射导弹高过载环境模拟试验技术研究——罗建华
传统加速度测压铜柱测量法
此方法适用于炮射末制导导弹的器件、部件等的冲击试验加速度2500g以 上,作用时间在2~6 ms,相关产品的环境适应性和工艺试验。 铜柱测量法是利用金属 受力产生塑性形变的特
性,通过测量测压铜柱
的变形量,确定其受到 的作用力,从而得出加
冲击峰值,降低高过载环境对结构体的影响
抗高过载技术的研究
抗高过载MEMS惯性器件 混合集成电路
抗高过载技术的研究 抗高过载MEMS惯性器件
高过载MEMS加速度传感器可应用于商业、
军事和空间技术等诸多领域,尤其是在军事 领域具有非常重要的应用价值,如控制侵彻 弹药引信在预定层数起爆、监测核爆破的冲 击过程、武器研制过程中的高过载测试等, 其中最典型的应用则是硬目标的侵彻或贯穿 装甲。
速度的一种物理测量方
法。
试验方法 工作原理:
试验时,将测量装置与试件钢性连接到试验舱的运动体上,当 气体或火药作用产生瞬间强冲击,惯性体由于惯性不会立即
随导向安装装置向前移动,而是相对导向安装装置在惯性体
运动Hale Waihona Puke Baidu内反向移动,压缩测压铜柱,使测压铜柱产生塑性变 形。测量装置与试件钢性连接,可以认为测得测量装置所受 的加速度即为试件得加速度。
• 10g以内
弹药系统的冲击、振动环境
冲击环境
公路运输
• 一般小于10g 铁路运输
• 正常运行状态下小于2g,车辆挂钩时高达30g~50g, 刹车和间隙碰撞达100g以上
飞机运输 • 一般不超过12g 水上运输
• 一般在10g以内
弹药系统的冲击、振动环境
装卸冲击 : 通常不超过10g 发射前装填上膛时受到的装填力
可达万 g、数万 g甚至10万 g以上。
弹药系统的冲击、振动环境
发射前冲击振动环境分析 振动环境
主要来源于运输系统
航炮射击时可达100 g左右
铁路运输
• 各种条 件与方 向 • 10g以内
公路运输
• 各种车 辆与路 面 • 10g以内
空中运输
• 固定翼 机与直 升飞机 • 10g以内
水上运输
• 船舶
抗高过载技术
过载
广义概念,基本含义是过量、过度。
不同领域:
技术领域
电学
表征用物理量
电流、电压、功率等
应用范围 电动机、继电器、电度表、 电网、电子元件等
力学
热学 通信
机械冲击、恒定加速度、液 传感器、制动器、压力机、 压、气压、刚体应力等 飞机、火箭、弹药等 功率、热能、温度等 系统吞吐率、CPU使用率、 缓存或队列使用率等 机电、光电类设备和仪器、 电子元件等 各类通信设备、系统 过载状态下航空、航天飞行 器中的人员及其身体器官
试验方法
霍普金森杆试验方法
其工作原理是以压缩气体作为动力源,发射子弹撞击霍普金森杆的一端, 在杆内产生一个波形近似于方波的压縮波,通过杆传到另一端的试件上。 该方法可以获得的过载值大,与马歇特锤击相比,作用时间相当,过载
值更大。
试验方法
自由式霍普金森杆可以模拟30000 g及更高的过载值,最高过载值可达250000 g,
药料内部的气体和易挥发物移至表面而逸出,提高装药
的密实性,从而使装药质量的一致性好
抗高过载方法 机械结构
选用高强度材料
加大结构承受力部位尺寸
从提高结构自身强度的角 度考虑的, 只能用于新设 计的部件
改善结构件受力方向,使结构强度高的部位能
承受高冲击载荷
加冲击减振装置,降低作用在结构上的载荷
后两种途径是从结构外部降低作用在结构受力 面上的压力考虑的, 可用于改善成品部件的抗 高过载性能
抗高过载方法 电子元件
采用高强度材料、精密加工制作零件,通过改善各部 件的连接关系,对结构进行封装固化等措施来提高结
构本身的抗高过载能力
改善结构的受力环境,即增加隔振缓冲装置,利用减 振元件的储存和耗散能量机制,减小传递到零件上的
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