随着高开关频率的碳化硅功率器件在高速永磁同步电机驱动领域的广泛应用,凸显的死区效应导致高速域下5次、7次高频谐波电流含量增加。传统的基于准比例谐振控制器的谐波抑制策略存在较大谐振频率偏差,并随着基波频率的升高而变大,电流谐波抑制效果不理想。针对上述问题,提出一种基于零偏差型准比例谐振控制的高速永磁同步电机的电流谐振抑制策略,通过对不同离散化方法下的准比例谐振控制的频率偏差进行分析,构建零频率偏差的离散变换表达式,并给出控制参数的设定依据,有效地抑制了谐振频率偏差。仿真与实验结果表明,新提出的控制策略可以实现零偏差谐振频率控制,有效地抑制高速永磁同步电机的相电流谐波。

针对高氮钢增材过程中氮损失及力学性能降低等问题,采用常规脉冲熔化极气保电弧(Pulsed Gas Metal Arc,P-GMA)及在脉冲电流峰值阶段叠加超音频脉冲电流的P-GMA对高氮钢进行电弧增材制造实验,分别制备不同工艺参数下的单道多层高氮钢直壁体,研究超音频脉冲电流叠加对高氮钢电弧增材制造凝固方式、显微组织演变及力学性能的影响规律。研究结果表明:由于高氮钢在电弧增材过程中存在氮损失现象,不同增材模式下高氮钢金属熔池的凝固模式均由单相奥氏体凝固(A模式)转变为铁素体为先析出相、奥氏体依附铁素体界面析出(FA模式);相比于常规P-GMA,叠加超音频脉冲电流后P-GMA产生的高频超声效应能够提高氮元素的扩散,促进奥氏体相变,限制铁素体枝晶生长;经过对比分析,超音频脉冲电流对铁素体树枝晶Y轴方向的影响大于Z轴方向,对Y轴方向力学性能的影响也大于Z轴方向,当频率为60kHz时Y轴方向抗拉强度提高了9.9%,屈服强度提高了15.9%。

为控制炸药水下爆炸能量分布,实现定向打击,研究一种典型炸药-空气柱形装药结构爆炸压力场分布特征。通过实验与数值模拟探究含不同尺寸空气域结构水下爆炸的压力和冲量分布情况,发现空气域对炸药水下爆炸具有定向增强效应。模拟结果表明:空气域会导致爆轰产物冲击空气-水边界,空气域方向近场峰值压力增强现象;伴随气泡形态变化,形成隔绝能量的花瓶状气泡,使空气域后方出现冲量增强现象;上述增强现象均随着距离增加而逐渐消失,其中冲量增强效应的影响范围更广。研究结果表明,空气域的存在可以显著增强该方向近场范围内的毁伤效果。

时间序列匹配技术广泛应用于车辆操纵一致性评价。针对某型教练车在协同驾驶过程中的动作匹配度评判问题,提出一种基于分段式动态时间弯曲距离的车辆油门操纵动作一致性评估方法。在有效解决教练车协同操控试验过程中样本数据点数量不一致问题的基础上,根据动态弯曲路径的斜率约束条件,将传统的动态时间弯曲距离(Dynamic Time Warping,DTW)矩形搜索区域通过改变路径搜索斜率方式转变为平行四边形搜索区域,以缩小搜索区域面积,从而极大程度地减小计算量。选取4组典型的油门动作曲线组进行50轮迭代实验进行验证,通过分段式DTW方法计算得到实车A、教练车B动作曲线之间的DTW距离矩阵,利用最小离差平方法对A、B两车动作进行聚类对象合并,从而完成油门动作数据的一致性评判。实验结果表明,改进后的动态时间弯曲算法在各油门动作的平均匹配精度可达89.2%,相较于单一的DTW算法提升约3.2%,平均匹配时间约为92.45s,降低约12.6%,从而验证了分段式DTW算法在油门动作一致性评判的可行性和优越性。

为研究典型装药结构(球形和圆柱形)近场爆炸(0.06m/kg^1/3<Z<1m/kg^1/3)(Z为对比距离)冲击波特性,支撑弹药抗殉爆技术发展,设计开展kg级柱形装药近场爆炸冲击波载荷表征试验,构建炸药近场爆炸数值计算模型,分析得到球形和柱形装药近场爆炸冲击波结构和峰值空间分布规律。研究结果表明:近场反射载荷受爆轰产物影响,超压曲线存在多峰结构和锯齿形波动,原因可能是多次反射波效应和马赫区后爆轰产物复杂流动;爆轰产物-空气冲击波界面压力和密度梯度互异引起Rayleigh-Taylor不稳定效应,产生的界面微射流提高了多次反射波结构的复杂度,导致近场反射载荷试验测量结果不确定度增大;近场入射超压曲线表现为典型双峰结构,峰值分别由空气冲波和爆轰产物主导,同时受结构效应影响,柱形装药入射峰值载荷沿轴向和径向空间非均匀性较强,方位角为30°~60°时受桥联波效应影响空间散布较大;修正的预测模型可描述柱形装药(长径比为0.8)中心起爆时,0.06m/kg^1/3<Z<1m/kg^1/3范围内任意方位角和对比距离处入射峰值超压和冲量,与数值模拟结果偏差小于20%。

针对图像制导导弹的目标探测和精确制导的需求,研究基于矩形焦平面探测器的图像制导导弹转入末制导时对地面目标的截获概率。根据导弹的高度姿态和探测器参数推导对地面探测的不规则四边形视场(Irregular Quadrilateral Detection Field,IQDF)的解析解和简化的矩形探测视场(Simplified Rectangular Detection Field,SRDF)模型,确定影响目标截获概率的主要误差源。利用条件概率思想,将目标截获概率分解为导弹状态概率和当前状态下目标落入地面视场概率,并利用有限元分割算法推导出目标落入地面视场概率,从而建立多源误差下的目标截获概率模型。通过仿真分析在IQDF和SRDF下主要误差源对目标落入地面视场概率的影响,并在多源误差下将推导的目标截获概率与蒙特卡洛方法仿真结果进行对比,验证了目标截获概率计算方法的有效性。

为研究冲击波作用下的人耳动态响应特性,设计并开展基于某单兵火箭类武器发射环境的有/无佩戴护听器装置试验研究。在分析发射冲击波特性的基础上,设计制作人耳测试装置模型,形成耳内冲击波防护试验测试方法。通过在射手位置处布设人耳测试装置模型以获取人耳内压力-时间变化曲线,并采用超压传感器测量对比位置处的自由场冲击波压力。利用小波分析法对测到的数据进行分析,对比分析2种发射冲击波安全限值的评价方法。研究结果表明:发射时的高声强冲击波具有不稳定性,超压峰值高,持续时间短,具有多个脉冲;高声强冲击波频带宽,成分复杂,有明显的低频率高声压特性;无护听器装置时耳内压力有所增强;佩戴护听器装置后可大幅度削弱冲击波对人耳的作用,正射手右耳超压峰值削弱95.7%、声压级峰值削弱14.8%;改进后的国家军用标准GJB 2A—1996“常规兵器发射或爆炸时脉冲噪声和冲击波对人员听觉器官损伤的限值”和美军标MIL-STD-1474E“Department of defense design criteria standard noise limits”中AHAAH模型2种方法得到的单日允许射击数范围接近,对佩戴护听器装置后的冲击波测量曲线评估的方法是可行的。研究结果可为单兵火箭类武器发射冲击波测试系统优化及改进提供理论基础和实践指导。

针对无人机航拍图像密集度大、目标尺寸小、背景复杂等难点,提出一种基于多尺度注意力机制的小目标检测(Small target detection of BPAN-EF_C2f YOLOv8s,SBE_ YOLOv8s)算法,通过设计一种基于多尺度注意力机制的特征提取模块(EMA-Faster Block_C2f,EF_C2f),替换YOLOv8网络中的C2f模块,提高网络对小目标特征的提取能力;在特征融合网络中增加P1检测层,并设计一种跨尺度特征融合结构(Bi-Path Aggregation Network,BPAN),融合小目标特征信息;增加一个微小目标检测头,使用SIoU Loss作为边界框损失函数,提升小目标检测精度和网络收敛速度。在公开数据集VisDrone2019上进行实验验证。验证结果表明:与YOLOv8s算法相比,新算法在检测精度上提升了6.9%、mAP₅₀提升了9.1%,模型参数量减少了44.6%,检测速度为28帧/s,新算法在小目标检测领域具有一定的实用性。

随着柴油机功率密度的提升,主轴承组合结构将面临主轴承变形加剧、关键部件强度下降等可靠性问题。以主轴承组合结构作为优化设计对象,将强度、刚度、接触强度和轻量化表现作为优化目标,构建多结构特性协同优化设计数学模型。针对传统快速和精英保留多目标遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II,NSGA-II)在求解小种群规模、有限进化代数的复杂工程问题时计算效率低的问题,基于Pareto优化理论,引入自适应策略及固定候选集随机测试算法,提出改进的大象放牧优化(Elephant Herding Optimization,EHO)算法用于求解多结构特性协同优化设计数学模型,并对算法性能及协同优化设计方案进行试验验证。研究结果表明:在小种群规模和有限进化代数下,改进EHO算法的求解能力更强,计算效率更高;在质量波动仅为0.6%的情况下,机体和主轴承座的应力分别降低18.67%和11.06%;各考察截面失圆度平均值降低14.39%;机体与主轴承座接触面最大接触压力降低18.92%。

为探究非金属芯层三明治结构复合材料对甲烷-空气混合气体爆炸传播规律的影响,利用自主搭建的爆炸管网实验平台,开展不同芯层材料(聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride,PVDF)泡沫板、三角帆蚌贝壳和高吸水性树脂(Super Absorbent Polymer,SAP)胶体)的爆炸实验,分析非金属芯层复合材料对爆炸超压、火焰传播速度、火焰温度以及熄爆参数影响规律。研究结果表明:三明治结构复合材料对甲烷-空气混合气体爆炸传播具有良好的抑制效果;当芯层为PVDF泡沫板时,对火焰温度的抑制效果最好;当芯层材料为SAP胶体时,对爆炸超压和火焰传播速度的抑制效果最好,且后端熄爆参数为9.20MPa·℃,表现出优异的抑爆效果。

车用高速机电复合传动系统(Electro-Mechanical Transmission,EMT)结构高紧凑、零部件高转速,导致系统机电耦合效应显著,易产生共振。针对串联式EMT系统进行机电耦合固有振动特性分析,推导系统的机电耦合固有振动模型,研究其固有频率及模态振型,基于各阶模态的振型特点,总结系统的6种典型振动模式。研究高速运行工况和机电磁耦合效应对系统固有频率和模态振型的影响,并基于坎贝尔图和模态能量法研究宽速域运行范围内系统的共振转速。研究结果表明,机电磁耦合效应改变了系统的低频振动特性,高速运行工况可显著改变系统的某些固有频率,在动力学建模中应对二者进行充分考虑,共振转速研究为系统动力学调控和优化提供了参考。

针对传统复合轴稳瞄系统子轴运动范围较小、易积分饱和导致系统失效的问题,提出自归零复合轴稳瞄系统。在剖析传统复合轴稳瞄系统子轴易积分饱和致系统失效原由的基础上,提出主轴据强度函数随动子轴的自归零复合轴稳瞄系统,通过直观展示、理论分析及数学仿真软件仿真其在避免子轴积分饱和及增强系统抗扰特性方面的可行性及优势,并搭建试验平台开展试验验证。测试结果表明,在低频段,自归零复合轴稳瞄系统可在保证子轴扰动抑制能力的同时,大幅度增强系统的主轴扰动抑制能力,使主轴误差维持在较小值,避免子轴限位饱和。由此表明自归零复合轴稳瞄系统的可行性,及其在避免子轴限位饱和、维持系统稳定性方面的优势。

目前,大体量装药是云爆武器的主要发展趋势,单个云爆装置抛洒大体量燃料难度较大,主流解决方案是多个云雾区进行协同爆轰。如何设计云雾区分布使其协同爆轰毁伤威力最大化,是亟需解决的技术瓶颈。通过数值计算,研究双云雾区协同爆轰的冲击波叠加效应及其分布结构参数等对爆轰超压场的影响规律,并基于此定量研究协同爆轰的最大毁伤增益,给出多云雾区分布优化方案及其最大毁伤面积的理论预测模型。研究结果表明:两云雾区间距存在最优值,使协同爆轰超压毁伤面积最大,且无量纲化的最优间距是燃料浓度的函数;以相邻两云雾区的最优间距为基础,设计得到多个云雾区呈圆周等间距分布的最优方案,在该最优分布下多云雾区协同爆轰最大毁伤面积与燃料质量的2/3次方、云雾区个数的1/3次方呈正比。

滞回环是低周塑性加载过程中连续监测到的应力-应变数据环,包含丰富的材料疲劳损伤累积信息。但由于滞回环数据采集、特征提取及分析等方面存在困难,相关研究报道较少。为深入评估42CrMo高强度钢低周扭转疲劳性能,提出基于滞回环特征数据的疲劳试验分析方法。采用扭转疲劳试验机获取材料的滞回环数据,设计特征提取算法获得循环应力、剪切模量、残余应力和塑性应变等随加载周期的演化规律以及材料的循环软化特性;通过试验设计及分析证实42CrMo材料不满足Masing特性,并且加载应变幅越大,非Masing特性越显著;通过低周扭转疲劳试验数据分析材料的循环应力-应变关系特性和应变-寿命关系特性,计算得到剪切模量G、循环强度系数K'、循环应变硬化指数n'、疲劳强度指数b、疲劳强度系数τ'_f、疲劳延性指数c、疲劳延性系数γ'_f等。基于滞回环特征数据的疲劳试验分析方法,充分利用扭转疲劳试验中间大量加载滞回环数据提取每一周期的滞回环特征,用丰富的分析数据描述材料疲劳性能。

反恐处突人员在处理城市暴力恐袭事件时需要同时应对刀刺及枪击的威胁,单一防护功能的防护服难以保障生命安全。根据防弹和防刺机理,将防弹和防刺材料进行组合设计可达到多功能的防护效果。目前基于组合材料的双防服研制方法主要为实验试错,设计效率低下,成本较高。针对这一问题,提出一种基于能量吸收准则的纤维混杂防弹防刺结构理论设计与优化方法,开展单一防护材料即浸胶芳纶布和超高分子量聚乙烯(Ultra high molecular weight Polyethylene,PE)无纬布的弹道实验和动态穿刺实验,计算单一材料的弹道动能吸收和穿刺动能吸收。基于能量守恒定律,设计给定8500g/m²面密度下的防弹防刺组合结构,得到防弹与防刺材料的层数范围。经过弹道及动态穿刺实验验证,理论计算安全余量充足,11层浸胶芳纶布加18层PE无纬布组合满足公安部《GA68—2019警用防刺服》及警用三级防弹要求且最为轻便,面密度8390g/m²。对防弹防刺结构进行优化设计,得到面密度为8370g/m²的最轻量组合结构(9层浸胶芳纶布加21层PE无纬布),研究成果可为双防服的工程设计与创新应用提供参考。

针对水下航行器覆盖层厘米级厚度与米级低频探测波长的尺度矛盾难题,通过超磁致伸缩换能器次级发射阵元研制及发射单元表面构型优化,基于相控阵的主动回波控制方法开展水下大试样主动回波控制效果的仿真评估。通过声学有限元模型数值仿真与大型压力消声水罐中的试验数据对比,验证空间声场中3个位置的声压级与声压云图,并研究不同阵列布局在300~2000Hz的低频带范围内6个频率点的声场一致性。研究结果表明:频率越高,形成的平面声场一致性越差;以方盘为阵元的阵列形成的平面声场一致性优于圆盘阵列;最优阵列布局可在10m后形成较好的平面声场,配合发射单元的最优构型进一步改善主动回波控制下的声场均匀程度,以达到更好的控制效果。

涵道风扇无人机可以实现起降与悬停,结构简单可靠且安全系数高。针对常规水空两栖无人机起降环境受限、折叠翼机构冗余与气动效率较低等问题,设计一种新型双涵道风扇水空两栖跨介质无人机。借鉴水下无人潜航器和无人驾驶飞机对机身进行优化设计,并采用倾转双涵道风扇动力系统。基于改进叶素动量理论,得出小型涵道风扇升力计算理论公式。分析力学物理场下无人机整体的结构振型,并通过流场有限元仿真验证整机的气动性能。分析结果表明:改进的小型涵道风扇升力计算公式计算结果与风洞试验结果基本一致,两者最大误差为4.5%,设计出的小型涵道风扇可提供20%的附加升力,气动效率高;通过模态分析发现该无人机机体结构较为稳定,振型合理;完成了风洞试验与新型涵道风扇水空两栖无人机在不同介质下的试飞验证,证明了无人机设计方案的可行性。

针对包覆型含能药粒生产过程静电安全边界不清问题,结合再展开法与多层介质壳构型构建摩擦电包覆型含能药粒与药粒间的静电相互作用模型,基于改进Paschen定律明确包覆型含能药粒静电放电的电荷密度与场强阈值边界,揭示颗粒结构与电学关键参数对包覆型含能药粒静电安全性的影响规律。研究结果表明:包覆层极化效应增强了药粒间电场与吸引力,导致带电药粒同性相吸团聚,加剧了静电放电风险;在相同带电量下,被包覆活性金属导体药粒间吸引力远高于被包覆单质炸药介质药粒;当表面电荷密度为±5.0μC/m²时,包覆型活性金属导体药粒间电场会超过空气击穿阈值,发生放电;对于包覆型单质炸药介质药粒,只有表面电荷密度达到±50μC/m²,电场才会超过击穿阈值;包覆型活性金属导体药粒静电安全性远小于包覆型单质炸药介质药粒,更容易发生静电团聚与静电放电。

高熵合金因其优异的综合力学性能被应用于高速碰撞和爆炸冲击等极端环境。为研究高熵合金在动态加载下变形、损伤及破坏行为,设计并制备了HfZrTiTaAl系难熔高熵合金,开展准静态压缩实验和分离式霍普金森压杆实验,结合数值模拟得到含损伤的Johnson-Cook本构模型参数,模拟材料在动态加载下的损伤演化过程及破坏。研究结果表明:该难熔高熵合金在准静态压缩条件下具有良好的塑性,在0.001~3500s^-1应变率范围内,HfZrTiTaAl系高熵合金具有应变率效应,屈服强度从1140MPa增加到1568MPa;在高应变率加载下试样的损伤主要集中在与加载方向呈45°的断面上,且在试样中间的单元损伤程度大于试样两侧单元的损伤程度;随着加载应变率的增大,损伤度大于0.8的单元占试样总单元的百分比也逐渐增大。

针对连续波调频(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)引信易遭受的扫频干扰问题,提出一种分数域匹配阶干扰抑制方法。该方法基于FMCW引信目标回波差频信号为多个单音信号叠加、干扰差频信号为线性调频信号的特点,利用线性调频信号在特定阶数分数阶域的聚集性,通过分数阶域一维恒虚警检测,获得干扰信号位置,并通过干扰位置幅相重构剔除干扰对引信的影响。针对干扰信号分数阶域阶数寻优问题,设计迭代黄金分割搜索法的分数阶变换阶次快速搜索算法。通过仿真和实测数据验证了新方法的有效性,验证结果表明:在低于-20dB信干噪比条件下,新方法能够有效抑制同频非相参调频信号的干扰。

作战试验中的维修性评估具有现场试验数据不足、故障模式多样以及装备的修复状态和维修任务多样等特点。将与系统及其故障模式有关的先验信息和现场试验数据融合,可以扩充信息来源,为装备的维修性评估提供新思路。对此,利用离散Bayes定理结合故障数据更新各故障模式组合在试验中存在的概率,并在Bayes框架下估计各故障模式维修时间的分布参数。在此基础上获得受试系统维修性评估结果,并进一步考虑战场抢修条件下受试系统维修度的评估。通过算例分析说明新提出方法的具体应用,验证该方法能够得到比现有方法更为准确的维修时间密度函数估计和系统维修度估计,表明在作战试验背景下,将试验数据考虑为多故障模式的情况有利于更深入地理解维修时间分布的机理,更细致地掌握维修性评估的具体逻辑,从而得到更合理的评估结果。

梯度硝基发射药是一种绿色无烟发射药,其结构的可控构筑是复杂的物理化学过程,是决定发射药燃烧性能的核心关键。为研究梯度硝基发射药制备中反应过程的动力学模型,以圆柱粒状单基发射药为研究对象,采用液体静力称量法测试圆柱粒状单基发射药样品的密度,考察反应温度、反应液浓度对脱硝率的影响规律,借助Avrami模型研究反应过程的控制步骤,建立脱硝反应动力学方程。实验结果表明:脱硝程度越大,圆柱粒状单基发射药样品的密度越小,圆柱粒状单基发射药的脱硝反应过程符合n=0.816的Avrami模型,表观活化能为49.223kJ/mol,反应液浓度表观反应级数为1.028,脱硝反应过程由扩散和化学反应混合控制;强化化学反应效应或扩散效应,可以提高圆柱粒状单基发射药的脱硝率;所得结果为梯度硝基发射药生产工艺条件的建立提供了理论依据。

压环是爆炸成型弹丸(Explosively Formed Projectile,EFP)装药结构中紧固装药和药型罩不可缺少的部件。为研究其在爆炸驱动过程中对药型罩形成EFP特征的影响,选取典型球缺型紫铜药型罩基准装药结构,采用有限元分析软件的拉格朗日、任意拉格朗日-欧拉、光滑粒子流法(Smooth Particle Hydrodynamics,SPH)及有限元法(Finite Element Method,FEM)-SPH自适应耦合等算法分别建模和仿真计算,对各算法计算获得的EFP速度和形态特征与脉冲X光摄影拍摄的EFP图像进行对比,采用FEM-SPH算法获得高精度的EFP成型仿真结果。针对该基准装药结构,在压环与药型罩质量比M_R/M_L≤0.2范围,进行矩形及非矩形压环参数(如轴向、径向厚度及截面形状)和材料对EFP初速、质量转换比、长径比和气动特性(密实度及迎风面积)参数影响的仿真计算。研究结果表明:矩形截面压环的轴向、径向厚度及材料参数对EFP初速影响在3%以内;对EFP质量转换比呈递减趋势(最大可降低12.6%);对EFP长径比呈递减趋势(最大可降低19.2%);密实度呈递增趋势,钢环较无压环,EFP的密实度提高32.6%;迎风面积呈递减趋势。以上结果表明考虑压环有利于EFP翻转成型和形成更密实的杆式EFP,并减小其迎风阻力。所得研究结果可为EFP装药结构的优化设计提供指导。

为提升低空突防作战场景下分布式多输入多输出(Multiple Input and Multiple Output,MIMO)雷达系统的目标检测效能,提出一种合作博弈功率分配(Cooperative Game Power Allocation,CGPA)算法。基于带误差的支援信息建立了低空多径环境下的分布式MIMO雷达信号模型,并推导了基于奈曼皮尔逊准则的检测模型。结合Max-Min准则以信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)为优化模型的效用函数。在此基础上,利用加权方法简化了联盟利益Shapley值的计算,得到满足帕累托最优性和公平性的合作资源分配方案。通过对发射功率资源的细致化管理,有效减小多径效应引起接收信号幅度的参差与衰落。在改善接收信号的稳定性的同时,挖掘并利用多径环境下丰富的散射特性,有效提升了雷达系统的探测效能。仿真实验验证了分布式MIMO雷达系统低空多径目标检测的出色性能,所提功率分配算法能够有效提升系统检测性能,并具有较好的实时性。

飞机机翼和发动机进气道的结冰导致飞行安全事故频发。针对飞机在寒冷气候下飞行会造成机翼和发动机进气道结冰的问题,开发一种可用于飞机防/除冰的电加热复合材料用增强织物。基于定制纤维铺放(Tailored Fiber Placement,TFP)技术,设计制备镍铬合金丝作为电热元件、玻纤平纹织物作为基底、涤纶线作为面线和底线的电加热织物。通过拉伸实验研究针迹步长、面线张力和布线速度等TFP工艺参数对电加热织物经向和纬向拉伸性能的影响,选择出最优工艺参数。以此参数制备出3种电热元件排列密度电加热织物,同时对其在不同电压下的电热性能进行评价。拉伸性能和电热性能测试结果表明:基于TFP技术制备的镍铬合金丝电加热织物经向和纬向拉伸强度保留率最高可达98.34%和95.71%;3种电加热织物35s时均可达到最高平衡温度,当施加电压不变时,电热元件排列密度越大,织物最高平衡温度越高;所得研究结果可为飞机防/除冰用电热复合材料提供增强织物方案,对于飞机防/除冰用材料的研制具有重要意义。

为探究不同能量结构炸药对舰船的毁伤规律,开展不同能量结构炸药水下爆炸对舰船多舱结构的毁伤特性研究。通过任意拉格朗日-欧拉方法模拟TNT、PBXC19、H6和PBXN111共4种炸药水下爆炸能量输出结构,获取不同炸药的冲击波能和气泡能占比;分析不同能量结构炸药对多舱结构的破坏机理,获取不同能量结构炸药对多舱结构的毁伤特征。研究结果表明:同等装药情况下,炸药的冲击波能越大则冲击波阶段毁伤越严重,气泡能越大则气泡阶段毁伤越严重,2.28倍TNT冲击波能的炸药PBXC19在冲击波阶段舷侧外板破口直径比TNT增加30.2%;气泡在自由液面破碎的条件下,1.44倍TNT气泡能炸药H6在气泡阶段舷侧外板破口直径比TNT增加9.9%;增大炸药冲击能和气泡能会显著增加冲击波和气泡载荷对舰船多舱结构的毁伤效果。

钢靶侵彻是一种典型的大塑性变形过程,靶材本构与损伤模型的构建是实现有限元模拟的重要前提。针对AISI 4340钢进行不同应力状态、应变率的静动态试验以及多层靶的侵彻试验。为实现钢靶侵彻的有限元模拟,引入能描述材料在大塑性应变阶段(即颈缩后)应力-应变响应的Swift-Voce混合塑性模型,以及同时考虑含应力三轴度、Lode角参数、应变率、温度的拓展Hosford-Coulomb断裂起始模型。在模型参数标定中,基于试验数据和有限元模拟进行塑性模型的参数标定;在构建误差函数以及单纯形法的线性规划算法基础上标定断裂起始模型的参数;通过建立准静态拉伸试验、动态拉伸试验和侵彻试验的有限元模型,对塑性和断裂起始模型参数进行反演验证。研究结果表明:AISI 4340钢表现出明显的应变率强化和热软化效应;新构建的本构与损伤模型能够准确预测钢靶材料的变形与断裂行为,且在侵彻试验模拟中与试验结果较为吻合。

为探究活性材料与炸药组合装药的爆轰特性,制备一种Al/PTFE/TiH₂三元活性材料与RDX炸药的组合装药。利用空中爆炸实验并结合比色测温技术,研究TiH₂粉末含量对组合装药爆轰性能及后燃效应的影响。研究结果表明:随着TiH₂粉末含量的增加,组合装药的冲击波参数、爆炸火球持续时间以及最高平均温度皆呈先上升、后下降的趋势,且均在TiH₂粉末含量为10%时达到最大值,相较于不含TiH₂粉末的组合装药,其冲击波峰值压力、爆炸火球持续时间以及最高平均温度分别提升了21.6%、105.9%和7.1%;通过对比TiH₂粉末和Ti粉末对组合装药爆炸释能特性的影响,发现由于游离氢参与后燃反应,使得TiH₂粉末对组合装药爆炸冲击波参数和爆炸火球温度场的增益效应优于Ti粉末;研究成果可为Al/PTFE/TiH₂三元活性材料在组合装药中的应用设计及武器毁伤评估提供参考。

为研究包覆式活性爆炸成型弹丸(Explosively Formed Projectiles,EFP)成型机理及药型罩结构对成型行为的影响规律,采用Lagrange和Euler组合算法开展包覆式活性EFP成型过程数值模拟。数值模拟结果首先揭示包覆式活性EFP成型机理,其典型包覆成型过程主要包括轴向双罩碰撞阶段、径向包覆闭合阶段和金属前驱侵彻体拉伸阶段。在轴向双罩碰撞阶段,双罩通过多次碰撞-分离-碰撞过程,实现轴向加速和动能传递;在径向包覆闭合阶段,金属罩向前折叠,其后部实现对活性罩完全包覆,前部形成速度梯度明显的金属前驱侵彻体;随后,金属前驱侵彻体随时间逐渐拉伸,甚至断裂。进一步得到紫铜罩和活性罩形状参数对包覆成型的影响规律,随紫铜罩边缘厚度从2.0mm减小到0.5mm,包覆闭合时间从57.9μs减小到23.9μs,同时头部速度从1851m/s增大到2370m/s,侵彻体长度从76mm增大到110.5mm;随紫铜罩曲率半径从60mm减小到40mm,包覆闭合时间从42.1μs减小到28.1μs,同时头部速度从1789m/s增大到2242m/s,侵彻体长度从66mm增大到100mm;随活性罩厚度由6mm减小至2mm,包覆时间从52.0μs减小至32.1μs,活性罩质量从6.47g降低至2.37g;随活性罩直径由32mm减小至16mm,包覆时间从34.4μs减小至30.8μs,活性罩质量从6.42g降低为1.61g。研究结果可为包覆式活性EFP聚能装药设计提供指导和参考。

冲击波防护能力是单兵头盔的主要性能指标,对提高单兵战场生存能力具有重要意义。为了提高单兵头盔的冲击波防护性能,针对先进战斗头盔内衬的结构以及布置方式展开探索,提出环形聚脲-聚氨酯泡沫-海绵复合材料外沿内衬设计,并进行防护性能评估。通过激波管和实爆,针对有/无头盔以及装配不同结构及尺寸外沿内衬头盔的冲击波防护性能展开测试,对前额、颅顶及后脑3个重点区域位置表面的冲击波波形以及压力峰值进行对比分析。实验结果表明:佩戴头盔后冲击波主要通过头-头盔间隙以绕射的形式进入并作用于头部表面,间隙内冲击波聚集叠加反而可能会使压力增强,且由于叠加汇聚效应往往导致距离爆源较远的位点,容易形成局部高压区;环形聚脲-聚氨酯泡沫-海绵复合材料外沿内衬可以有效阻挡绕射波进入头盔内部、减弱绕射波叠加效应,各测点冲击波超压衰减率均可达40%以上;在所采用的入射冲击波(弱冲击波)条件下,冲击波作用过程中形成的间隙越小,防护效果越好;当聚脲-聚氨酯泡沫材料宽度为15mm时外沿内衬与头模贴合程度最好且防护效果最优,外场爆炸实验结果显示,前额、颅顶和后脑位置超压衰减率分别可高达92.26%、88.82%和87.19%。

为研究脉冲触发对固体火箭发动机内弹道及瞬态流场特性的影响,利用数值计算方法建立脉冲触发器内弹道模型、发动机侵蚀燃烧模型以及动态流场仿真模型,对固体火箭发动机脉冲触发过程进行瞬态流场仿真。研究结果表明:与实验结果相比,压强预示误差小于5%;脉冲触发使得燃烧室内横向气流速度增大,靠近脉冲端的推进剂发生了侵蚀燃烧,侵蚀燃烧对压强抬升的贡献高达44%;脉冲触发时,越靠近脉冲入口的推进剂受侵蚀燃烧越严重,侵蚀比最大可达7.32;改变脉冲药量研究发现,脉冲药量越大,发动机压强峰值越大,压强抬升率和脉冲结束后的衰减率越大。