抗高过载技术ppt课件

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
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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 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
1000~40000
海军专用炮弹引信
900~80000
3000~45000
航空炮弹引信
50000~80000
20~200
穿甲弹引信
200~30000
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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 至达十万g乃至数十万g。
2020/4/13
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仿真方法
Ansys Ls-dyna
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抗高过载方法
装药
装药 结构
炸药 配方
装药 工艺
抗高过载
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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，
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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。
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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， 过载加速度脉宽约为数十微秒。
抗高过载技术
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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 力学 热学 通信 医学
表征用物理量
应用范围
电流、电压、功率等
电动机、继电器、电度表、 电网、电子元件等
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
机电、光电类设备和仪器、 电子元件等
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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 航空火箭弹引信
冲击加速度（g）
引信种类
冲击加速度（g）
1000~20000
迫击炮弹引信
300~9000
10~6000
特种弹引信
500~15000
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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。
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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。
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 可达万 g、数万 g甚至10万 g以上。
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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
公路运输
• 各种车 辆与路 面
装甲。
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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。
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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。 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。
系统吞吐率、CPU使用率、 缓存或队列使用率等
各类通信设备、系统
过载加速度
过载状态下航空、航天飞行 器中的人员及其身体器官
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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。
相对
同一过载强度，在一种场合是高过载， 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。
抗过载能力较高，优于其它品种的混合炸药
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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
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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。
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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
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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。
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试验方法
空气炮 加载
实弹射 击
试验 方法
马歇特 锤击
霍普金 森杆
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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
落锤冲 击
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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 于测试弹丸着靶时的装药抗过载能力。
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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 冲击峰值，降低高过载环境对结构体的影响
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抗高过载技术的研究 ➢ 抗高过载MEMS惯性器件 ➢ 混合集成电路
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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 速度的一种物理测量方 法。
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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
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装药
应力波作 用阶段
整体惯性 作用阶段
燃发料射介初质期内时部，的转应速力较波低到，达混顶合 部燃料离心作用较小
混合燃料成与为壳不体可壁压面缩的介摩质擦(力刚 体较)小
混弹合体燃的料纵介向质过内载部致不使再混发合生燃变料 形与，壳混体合端燃盖料碰底撞部，的在应燃力料成介为质 这内一部阶产段生安应全力发波射的主要因素
• 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
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
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 运动腔内反向移动，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。
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抗高过载技术的研究
抗高过载MEMS惯性器件
硅MEMS加 速度传感器
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
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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。
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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。
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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
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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。
飞机运输 • 一般不超过12g
水上运输
• 一般在10g以内
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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
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。
• 10g以内
铁路运输
• 各种条 件与方 向
• 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
• 10g以内
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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
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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。