高冲击荷载下散粒体发射药床动态响应的试验和数值研究

The collision, extrusion, fracture and motion processes of propellant bed under the projectile are the dynamic response problem of the granular system under the high impact load. The ultimate goal of this project is to obtain the quantitative relationship between fracture degree of propellant bed and external high impact load by the physical experiment and numerical simulation. The fractured propellant bed can’t be obtained with direct fire, and conventional uniaxial or triaxial compression test can’t provide high-strength and high-speed impact load. In view of the above two questions, the special experimental equipment named Extrusion and Fracture Experimental Equipment of Propellant Bed is designed. In order to solve the statistical problem of the fracture degree of propellant bed, the dynamic vivacity is introduced. The relationship between the dynamic vivacity ratio and the combustion area ratio is established. Based on the experiments which include the extrusion and fracture experiment and the fracture degree experiment of propellant bed, the quantitative relation between fracture degree of propellant bed and external high impact load is obtained when the load isn’t over the limit. Aiming at the problem that the load can’t run over the limit in the laboratory, numerical simulation is used. The polyhedral element fracture model is established, and the code of granular system with partial polyhedral particles' fracture is written. Then the full curves between fracture degree of propellant bed and external high impact load are obtained with the code. The research results of this project will provide the theoretical basis for the launch safety and the foundation of the design of conventional weapons such as high-powered tanks, canon and naval guns.

发射药床在弹底的碰撞、挤压、破碎和运动过程实质是高冲击荷载下散粒体系统的动态响应问题。本项目的研究目的是通过物理仿真试验和数值模拟研究获得散粒体发射药床破碎程度和外部高冲击荷载之间的定量关系。针对直接射击无法获得破碎发射药床，常规单轴和三轴压缩试验无法提供高强度、高速率的冲击荷载，设计了专门的发射药床挤压破碎试验装置；针对发射药床破碎程度难以统计难题，引入动态活度概念，建立动态活度比和燃烧面积比关系；通过发射药床挤压破碎试验和破碎程度试验，获得非超限荷载下发射药床破碎程度和外部高冲击荷载之间的定量关系；针对实验室试验加载无法超限问题，建立多面体单元破碎模型，编制伴随多面体颗粒破碎的散粒体计算程序，模拟超限荷载下的发射药床破碎过程，获得发射药床破碎程度和外部高冲击荷载之间的完整曲线。项目的研究成果将为发射安全性提供理论依据，为高性能的坦克、火炮、舰炮等常规武器设计提供基础。

高初速已成为现代高性能坦克、火炮、舰炮等常规武器的主要特点之一。提高弹丸初速，通常采用的方法是提高装填密度和采用高能发射药，这使得膛内燃烧与力学环境越来越恶劣。发射药床在发射过程中发生膛炸等安全性事故，根本的原因是发射前期发射药粒发生大量的破碎。膛炸的灾难性后果会对高性能坦克、火炮、舰炮等常规武器发展产生致命制约作用。发射药床在弹底的碰撞、挤压、破碎和运动过程实质是高冲击荷载下散粒体系统的动态响应问题。本项目的研究目的是通过物理仿真试验和数值模拟研究获得散粒体发射药床破碎程度和外部高冲击荷载之间的定量关系。本项目主要研究内容如下：针对直接射击无法获得破碎发射药床，常规单轴和三轴压缩试验无法提供高强度、高速率的冲击荷载，设计了专门的发射药床挤压破碎试验装置,获得了破碎发射药床；针对发射药床破碎程度难以统计难题，引入动态活度概念，建立动态活度比和燃烧面积比关系，从理论上解决了试验破碎程度统计问题；通过发射药床挤压破碎试验和破碎程度试验，获得非超限荷载下发射药床破碎程度和外部高冲击荷载之间的定量关系；针对实验室试验加载无法超限问题，建立球体和多面体单元破碎模型，编制伴随多面体颗粒破碎的散粒体计算程序，在非超限荷载下数值模拟并通过试验验证计算参数及计算方法的正确性，然后模拟超限荷载下的发射药床破碎过程，获得超限荷载下发射药床破碎程度和外部高冲击荷载之间的定量关系；最终通过物理仿真试验和数值模拟研究获得散粒体发射药床破碎程度和外部高冲击荷载之间的定量关系绘制成完整的关系曲线。非超限和超限荷载下发射药床破碎程度和外部高冲击荷载之间的定量关系是本项目的重要结果，二者形成的完整曲线是关键数据。本项目的研究成果将为发射装药发射安全性提供理论依据，为高性能的坦克、火炮、舰炮等常规武器设计提供指导。