实验结果的处理与分析方法

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：实验结束后回收缩比弹，4 发实验弹的弹体均保持完整。实验前、后分别对缩比弹称重，发现其质量几乎没有变化。对加速度信号进行低通滤波处理，得到弹体刚性加速度曲线。从图5－8 及表中可知，4 组实验由加速度传感器测得的弹体最大过载值与经验公式相比，误差小于10%。射线源至样品的距离为55 mm，成像放大倍数为23.64，体元分辨尺寸为16.92 μm。

1.靶板和弹破坏情况

实验过程中通过高速摄影记录了弹体撞击靶板过程，如图5－5 所示。

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图5－5　高速相机拍摄的弹体飞行轨迹
（a）t＝3.1 ms；（b）t＝3.8 ms；（c）t＝4.2 ms；（d）t＝4.4 ms；（e）t＝4.9 ms

图5－6 所示为缩比弹侵彻后靶板的破坏情况。从图中可以看出，混凝土靶正面出现半锥角的漏斗坑，从孔沿着径向往外，剥落的厚度减小；但是靶板背面没有崩落现象。弹体撞击靶板时，首先在着靶区域的混凝土中产生径向的压缩应力波，应力波传递到周围的靶板自由面上产生了拉应力波。由于混凝土的抗拉与抗压强度相比几乎相差一个量级，这样在混凝土的前靶面上就产生了崩落，形成开坑。此外，在侵彻过程中，由于弹体在靶板内的挤压扩孔使得靶中产生环向的拉伸应力，导致靶板产生径向裂纹。混凝土靶板厚度大于弹体侵彻深度的3 倍，靶板背面没有出现层裂现象。

实验结束后回收缩比弹，4 发实验弹的弹体均保持完整。侵彻过程中混凝土受高温高应变的作用，黏结在弹体表面，弹体头部黏结的混凝土较多。将未损坏的缩比弹用砂纸打磨光滑后，没有观察到弹体有明显的变形情况。实验前、后分别对缩比弹称重，发现其质量几乎没有变化。因此，说明在低速侵彻条件下，弹体为刚性侵彻，且没有质量损失。缩比弹损伤破坏情况如图5－7所示。

2.加速度、速度和侵彻深度

提取加速度传感器的电信号数据，将其转换为加速度信号，获取了4 组加速度传感器数据。对加速度信号进行低通滤波处理，得到弹体刚性加速度曲线。图5－8 所示为4 发缩比弹侵彻阶段的过载曲线。

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图5－6　侵彻结束后靶板的破坏情况

（a）1号靶板；（b）2号靶板；（c）3号靶板；（d）4号靶板

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图5－7　侵彻结束后缩比弹的破坏情况

（a）1号缩比弹；（b）2号缩比弹；（c）3号缩比弹；（d）4号缩比弹

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图5－8　传感器得到的缩比弹过载曲线

（a）1号缩比弹；（b）2号缩比弹；（c）3号缩比弹；（d）4号缩比弹

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根据Forrestal 理论估计，弹体过载变化可以分为开坑和侵入两个阶段。随着侵彻深度的变化，弹体过载的预测公式［6］为式中：ω2＝πaR／（4M）；M 为弹体质量；v0为着靶速度；d 为弹体截面半径；z 为弹体侵彻深度；H 为最终侵彻深度；R 为靶体的动态强度，其表达式为

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弹体的最大过载为

式中：fc为混凝土单向抗压强度（Pa）；ρ 为混凝土密度（kg／m3）；Ψ 为弹头曲径比；S 为试验确定的与混凝土强度有关的系数，S＝82.6（fc／106）－0.544。

取fc＝35 MPa，ρ＝2 440 kg／m3，d＝60 mm，Ψ＝2.6，M＝3.46 kg，弹体着靶速度参考高速相机和电探针的测速值，如表5－2 所示。传感器记录与经验公式计算的最大过载列于表5－3 中（重力加速度g＝9.8 m／s2）。从图5－8 及表中可知，4 组实验由加速度传感器测得的弹体最大过载值与经验公式相比，误差小于10%。3号缩比弹在过载下降阶段出现了明显的波动，这是由于3号弹装药采用包覆式装填，装药和弹体内壁的相对运动更剧烈。可以看出由传感器测得的弹体加速度信号是比较准确的。

将侵彻过载曲线进行积分，可得到弹体侵彻速度变化曲线及着靶速度。表5－2 所示为探针、高速摄影和传感器测得的弹体着靶速度。

表5－2　弹体着靶速度

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表5－3　弹体最大过载值

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将侵彻速度曲线进行积分，可以得到弹体的侵彻深度，如表5－4 所示。分析4 组传感器数据处理后得到的侵彻深度，能够与测量结果相吻合。

表5－4　弹体侵彻深度

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3.装药损伤分析

PBX 装药内部的损伤情况无法通过肉眼观察和显微观察等常规手段进行观察，但是可以利用一些无损检测的技术手段进行观测和表征。为了得到侵彻后PBX 装药的CT 形貌图，利用中国科学院高能物理研究所自行研制的450 kV，通用X 射线高精度断层扫描设备进行CT 扫描和三维图像重构。该设备可检测毫米级宽度的裂纹，射线源为开放式设计的微焦点管头，采用0.2 mm×0.2 mm 面阵探测器PE 接收衰减信号，射线源至探测器的距离为1 300 mm，检测电压为150 kV，电流为100 μA。射线源至样品的距离为55 mm，成像放大倍数为23.64，体元分辨尺寸为16.92 μm。图像分辨率为2 048 ×2 048 像素，一个像素对应0.16 mm。检测时，将试样放置于样品台上旋转360°，沿横断面连续扫描，利用面阵探测器获取扫描图像。

图5－9 所示为1号、2号和4号缩比弹侵彻后内部装药的整体CT 形貌图，从装药的整体CT 形貌图中都没有发现明显的裂纹。观察指定位置的横截面CT 形貌图，1号缩比弹的中间段装药靠近头部的断面损伤较为严重，2号缩比弹装药尾部存在裂纹并向装药内部扩展，4号缩比弹的装药裂纹也存在于尾部，但是仅是表面受损。

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图5－9　缩比弹装药整体CT 形貌图及指定位置处横截面图

（a）CT 形貌图；（b）横截面图

图5－10 所示为3号缩比弹内部装药损伤情况，三维重构的装药轮廓与原始轮廓非常吻合，说明CT 扫描能够有效地观察装药损伤断裂情况。能够观察到三段装药的表面都有不同程度的横向裂纹。从纵向截面图可看出，三段装药均有不同程度损伤，其中前段和中段装药的裂纹较少，后段装药有大量明显的纵向裂纹。

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图5－10　3号缩比弹装药CT 形貌图及轴向横截面图

（a）CT 形貌图；（b）轴向横截面图

图5－11 所示为3号缩比弹装药不同位置的横截面CT 形貌图，尾部段装药从底部开始有大量纵向裂纹，裂纹向内延伸至装药中心，但并未贯穿整段装药；纵向裂纹向头部方向扩展，并逐渐消失，同时在尾部段装药的中间处观察到出现在表面的横向裂纹，裂纹并未向装药内部扩展。装药与隔板相邻的端面有明显的裂纹，这是两段装药在侵彻过程中与隔板相互作用的结果。中间段装药除在两端截面上观察到有裂纹外，内部并没有出现明显的裂纹。头部段装药有少量裂纹出现，可以认为头部装药受到弹体的约束较大，裂纹扩展受到抑制，失效模式从脆性断裂向屈服转变。

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图5－11　3号缩比弹装药横截面CT 形貌图

（a）距底部7.8 mm；（b）距底部21.7 mm；（c）距底部30.4 mm；（d）距底部39 mm；（e）距底部43.3 mm；（f）距底部47.0 mm；（g）距底部62.9 mm；（h）距底部65.0 mm；（i）距底部112.4 mm；（j）距底部145.6 mm；（k）距底部157.4 mm；（l）距底部175.9 mm

实验结果的处理与分析方法

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