基于Taylor撞击的高g值冲击加载实验技术研究

The high-g acceleration environment of large-mass components and its experimental measurement are of significant for the field of impact dynamics and national defense. The high acceleration environmental situations with tens of thousands of g（g is the gravity acceleration) exist extensively in the field of national defense and industrial fields, such as the smart fuze in penetration weapons, explosive environmental condition, aerospace, automotive etc. The high-g loading experimental technique under laboratory conditions can contribute significantly to the research of related fields. It is considered Taylor impact specimens as two part, while one part is a loading generator which is undergoing large plastic deformation and shaping and filtering the impact loading, the other part is a elastic back-end which is used as a component base withstanding the high g acceleration. Based on the special-shaped Taylor impact theory , the loading characteristics during the process of projectile impacting rigid target would be investigated through a large number of numerical simulation and structure impact experiments. The influence factors of the loading and the control methods of the influence factors will be analyzed. Finally, the experimental method of high amplitude acceleration loading ( typically, the amplitude of 50000g , and the corresponding pluse duration at the level of 1ms ) for structure such as smart fuze with Taylor class impact will be developed.

大质量部件的高g值宽脉冲过载环境和实验测量是冲击动力学领域和国防建设领域的重要科学技术问题。侵彻武器智能引信研究、火工品环境条件考核等需要数万g(g为重力加速度） 的高过载条件，航空航天、汽车、运输等工业领域也存在高幅值过载环境条件，实验室条件下的高g值加载实验技术可极大地促进相关领域的研究工作。项目拟在不同头型试件Taylor撞击理论分析的基础上，进一步采用大量数值模拟与结构撞击实验相结合的方法，研究变形弹体撞击刚性靶体过程中的载荷特性，分析影响载荷特征的因素及其控制方法；将Taylor撞击试件分作发生塑性大变形、对撞击载荷整形与滤波的载荷发生器和承受高g值过载、安装待考核部件的弹性后端，探索应用Taylor类撞击对千克量级的部、组件级结构试件（如引信）施加高幅值加速度过载（典型地，幅值达到5万g，相应脉冲宽度接近1ms）的实验手段。

在大量的军民领域中存在高g值过载环境，为提高相关设备在高过载条件的有效性和可靠性，在产品研制和生产过程中，需要针对性的高过载冲击试验条件对产品设计的验证和考核。Taylor 撞击是一种重要的冲击动力学实验方法，将Taylor撞击发展为高g值加载方法也是对该方法的拓展和应用。.主要研究内容：在经典Taylor撞击理论的基础上分析了不同头型试件的类Taylor撞击变形过程；在动态力学性能实验技术研究和材料动态性能研究的基础上，通过数值模拟和实验研究了不同头型Taylor撞击的变形过程和撞击载荷测试，发展基于Taylor撞击的高g值加载实验手段；针对高g值作用下部件结构响应，研究了弹载侵彻高g值过载信号分析方法、高g值加速度测试的放大器频率效应、冲击载荷作用下压电陶瓷的力电特性、冲击条件下压电冲击传感器动态响应和加速度测试中的转接头效应等。.重要结果：（1）推导了异型Taylor撞击理论公式，通过数值积分得到的试件长度变化与实验一致，发展了Taylor撞击的理论分析；（2）项目提出了一种基于软材料的SHPB 波形整形技术，该方法既可提高SHPB动态力学性能实验的精度，也可用于Hopkinson杆的高g值冲击实验。（3）通过数值模拟和实验，确认了Taylor-Hopkinson实验中通过波导杆中部应变获得实验撞击载荷的限制性和有效性，拓展了Taylor实验的观测手段。（4）通过几种头型Taylor-Hopkinson实验的研究工作，表明相同撞击速度下截卵和截锥头弹体头部局部变形比平头弹要大很多，而且变形模式更加丰富，可以为材料模型及参数验证提供更多的选择；（5）结合不同尺度的Taylor撞击研究，建立了实验室条件下可对数公斤质量试件施加1ms左右脉冲宽度、持续施加数万g的加速度环境实验手段，为相关部组件开展高g值过载考核与验证提供了可控的实验室冲击加载方法。（6）提出将总体经验模态分解与连续均方误差相结合分析高g值冲击加速度信号的方法，结果表明该方法可以自适应地提取实测冲击加速度信号中的有效成分，是一种效率更高、更为普适的冲击加速度信号处理方法。