第41卷增刊2 2020年6月
兵工学报
ACTA ARMAMENTARII
Vol.41Suppl.2
Jun.2020半导体桥火工品多脉冲力学过载响应
麻宏亮，付东晓，张蕊，李芳，都振华
（陕西应用物理化学研究所应用物理化学重点实验室，陕西西安710061）
摘要：针对弹体侵彻多层靶板火工品抗力学过载能力评估技术的需求，开展火工品力学过载模拟试验和仿真研究。采用空气炮试验装置对半导体桥火工品进行单层均质钢靶板厚10mm和3层均质钢靶板（厚度6mm+厚度2mm+厚度2mm）侵彻过载试验，并利用有限元分析软件LS-DYNA对半导体桥火工品侵彻单层和3层钢靶板过载环境响应特性进行仿真计算。空气炮过载试验结果：3层钢靶板侵彻后火工品长度形变量为单层等厚的2.29倍、输出端直径的2.81倍。仿真计算结果：3层钢靶板侵彻后火工品长度形变量为单层等厚的3.2倍、输出端直径的2.85倍。研究结果表明，在侵彻3层和单层等厚度靶板条件下，从半导
体桥火工品受力形变的角度，与侵彻单层等厚靶板相比较，侵彻3层靶板时火工品承受的过载环境更为严苛。
关键词：半导体桥火工品；多脉冲力学；过载；空气炮
中图分类号：TJ450.2文献标志码：A文章编号：1000-1093（2020）S2-0176-07
DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2020.S2.024
Respon of Semiconductor Bridge Initiator to Multi-pul
Mechanical Overload
MA Hongliang,FU Dongxiao,ZHANG Rui,LI Fang,DU Zhenhua
（Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory,Shaanxi Applied Physics-Chemistry
Rearch Institute,Xi'an710061,Shaanxi,China）
Abstract:An air gun test device is ud for the penetration test of single-layer and3-layer steel targets
for evaluating the anti-overload capability of miconductor bridge initiator during penetrating muti-layer steel target.LS-DYNA is ud to simulate the respon characteristics of miconductor bridge initiator during penetrating single-layer and3-layer steel targets.The penetration test results show that the length deformation of initiator after the penetration into the three-layer steel target is2.28times of that of the single layer,and the diameter deformation of output end of initiator after the penetration into the three-layer steel target is 2.81times of that of single layer.The simulated results show that the length deformation of initiator after the penetration into the three-layer steel target is3.20times of that of the single layer,and the diameter deformation of output end of initiator after the penetration into the three-layer steel target is2.85times of that of the single laye360路由
r.It is shown that the miconductor bridge initiator suffers larger overload under the conditions of penetrating into the three-layer target plate compared with the singl蔓越莓干
e-layer equal-thickness target.
Keywords:miconductor bridge initiator；multi-pul mechanics;overload;air gun
收稿日期：2019-04-20
作者简介：麻宏亮（1985—），男，工程师，硕士。E-mail：
通信作者：张蕊（1968—），女，研究员，硕士生导师。E-mail：
增刊2半导体桥火工品多脉冲力学过载响应177
0引言
火工品作为武器弹药中最敏感的首发元件，其安全性和可靠性直接影响着武器弹药的安全性和可靠性。未来战争中，打击地下掩体、加固装甲、加固工事和舰艇甲板等硬目标和深层次目标将成为弹药常态［1-3］。在垂直贯穿、侵彻高层建筑物等打击多层次目标的过程中，弹药会经历多次冲击过载环境，这就要求弹载火工品具有抗多次冲击过载的能力⑷。硬目标侵彻弹是对付硬目标和多层硬目标的有效手段，高速冲击和侵彻等高过载条件下弹药所形成的高温、高压和高速变形等状态，作为武器弹药首发元件的火工品，其安全性和可靠性对侵彻弹效能发挥至关重要。目前，国内外学者采用模拟实验与实作文网高中
弹验证相结合的方法，对火工品在高过载条件下的安全性和可靠性进行了研究。李创新等⑸利用过载实验装置对桥丝式电雷管进行了加载实验，结果表明高过载条件下电雷管出现意外发火的现象。刘虎等⑹采用分离式Hopkinson压杆对半导体桥火工品进行了过载实验，给出了半导体桥火工品结构损伤模式以及抗高过载加固措施。刘卫等⑺通过模拟仿真计算分析了高过载条件下火工品装药的响应特性。相比较而言，目前对于弹药侵彻单层靶板的单脉冲过载下火工品响应特性研究较多，而对于弹药侵彻多层靶板条件下的多脉冲力学过载下火工品响应特性和研究较少。研究表明：半导体桥火工品在力学过载下的结构损伤主要来源于壳体的屈服，以及药剂受惯性力导致自身密度的变化⑻；单脉冲力学过载条件下，半导体桥火工品因受力导致长度变短、输出端直径变大；当长度压缩量为10.88
%时，半导体桥火工品发生爆炸等安全失效现象。
为了研究在多脉冲力学过载下火工品的响应特性，本文以半导体桥火工品为研究对象，采用仿真计算和试验验证的方法，对半导体桥火工品长度和直径等变化特性进行分析，获得火工品在不同力学过载条件下的结构损伤模式，以期为提高火工品抗侵彻多层多靶板能力、建立火工品高过载等效模拟实验方法提供支持。
1基于空气炮的火工品力学过载模拟试验空气炮试验是一种动态力学过载模拟试验方法，可用于测试材料高温、高压加载下的动态力学性能，也被用来模拟火工品及其零件后坐力或后坐加速度的冲击过载［9-11］。孙晓霞等上-13】通过空气炮试验和数值计算两方面对两种引信用桥丝式电热火工品开展了损伤特征和规律研究。何义〔⑷分析了空气炮过载环境中冲击片雷管各个组件在空间上的应力与应变分布，发现电极塞、基板和加速膛是最容易失效的组件。利用空气炮试验装置模拟弹药侵彻条件下火工品的力学过载环境，考察火工品受到冲击过载、发生变形或位移的情况，可以分析火工品在冲击过载条件下的损伤程度，评估火工品耐受冲击过载的能力。
1.1模拟试验装置
1)空气炮。试验采用65mm二级空气炮进行，空气炮装置产生的高压气体释放后，在膛内形成高压，推动弹托和弹体沿炮膛方向加速度运动，撞击单层和多层钢靶板。
2)靶板。靶板材料均为Q345钢。单层靶板厚度为103层靶板包括厚度6mm和2mm 钢靶板两种，排布方式为6mm钢靶板+2mm钢靶板+2mm钢靶板，靶板间隙10：1.图1为试验所用靶板照片。
mm.
(a)单层靶板照片
(a)Single layer target
(b)3层靶板照片
(b)3-layer target
图1靶板照片
Fig.1Target plate
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兵工学报第41卷3）测速装置。弹体着靶时的速度测试采用激
光测速系统进行。通过测量遮挡激光光束形成的时
间间隔计算弹速，通过增加分束片位置微调装置使
光束空间定位准确。采用日本Photron公司某型高
速摄影设备对弹体高速飞行和撞靶过程进行全程
记录。
1.2试验样件
1）试验子弹。试验所用的子弹质量为1238g，弹体材料为高强度钢，尺寸为准36mm X120mm，弹体头部采用卵形结构，曲率半径为120mm.图2为子弹样品。
图2试验弹与弹托
Fig.2Bullet and sabot
2）火工品样品。火工品样品选用半导体桥火工品，外形尺寸为准6.2mm X10mm，图3给出了火工品样品的结构示意图与实物照片。
试验时，火工品样品安装在试验工装内。采用轴向输出端受力的应力加载方式，试验工装尾部有螺堵
固定。图4为装有样品的试验工装照片。
1.3试验结果分析
试验中弹体着靶速度为842m/s，子弹穿过单层靶板后速度为746m/s，穿过3层靶板后速度为719m/s.试验后取出火工品样品，对其进行尺寸测量，火工品样品试验前后的尺寸变化列入表1中。
从表1中可以看出：侵彻厚度为10mm的单层钢靶板后，火工品长度减小了2.46%、输出端直径增大了2.58%；侵彻3层钢靶板后，火工品长度减小了 5.64%，输出端直径增大7.26%；与单层10mm靶板相比，侵彻总厚度为10mm的3层靶板后，火工品长度和直径形变量均变大，其中，侵彻3层靶板后火工品长度形变量是侵彻单层靶板的2.29倍，直径形变量是侵彻单层靶板的2.81倍。由此可见，多脉冲过载对于火工品结构的影响大于
(a)火工品样品结构示意图
(a)Structure of micond猪肉粉条
uctor bridge initiator
(b)火工品样品照片
(b)Photo of miconductor bridge initiators
图3半导体桥火工品样品
Fig.3Structure diagram of miconductor
bridge initiator samples
图4装有样品的试验工装照片
Fig.4Photo of bullet and sabot
表1试验前后火工品的黑白电影周扬
尺寸变化
Tab.1Change in size of initiator after penetration
试验前试验后长度试验前试验后直径
试验项目长度/长度/变化/直径/直径/变化/ mm mm mm mm mm mm
单层侵彻10.179.92-0.25 6.20 6.360.16
3层侵彻10.109.53-0.57 6.20 6.650.45单脉冲的影响。
2火工品力学过载模拟仿真计算
2.1几何模型的建立
参考空气炮过载试验的结果，建立子弹侵彻3层6mm+2mm+2mm厚度和单层10mm厚度钢靶板的仿真计算模型。图5和图6分别给出了侵彻
增刊2半导体桥火工品多脉冲力学过载响应179
3层钢靶板和试验工装及火工品的仿真模型示意图。
图5子弹侵彻3层钢靶板仿真模型
Fig.5Simulation model of bullet penetrating
into three-layer steel target
图6子弹及火工品模型
Fig.6Bullet and miconductor bridge initiator models
考虑到模型的对称性，采用1/2模型进行建模，在对称面上施加对称约束。其中，模拟空气炮实验的尺寸与侵彻试验相同，单元类型采用solid164，子弹撞击钢靶板的初始速度为850m/s，采用面与面自由接触方式，计算时间为900滋s，输出时间步长均为1滋s.在试验工装及火工品仿真模型中，火工品由电极塞、盖帽、绝缘环、芯片、药柱和外壳组成，因此，采用与侵彻试验相同尺寸的子弹、靶板、火工品进行数值模拟。
2.2材料参数与本构模型
表2和表3给出了试验工装、靶板和半导体桥火工品试件模型的材料参数及本构模型。根据空气炮试验环境，钢靶板引人入胜的近义词
和子弹分别选用Q345钢和屈服强度较大的高强度钢，弹内火工品根据部件材料属性选用弹塑性和线弹性材料本构模型。
2.3仿真计算结果分析
2. 3.1半导体桥火工品受力过载环境分析
采用本文所建立的模型进行模拟计算，得到弹体以850m/s的初速分别撞击3层钢靶时的弹体过载加速度曲线，如图7所示。
表2试验工装和钢靶板材料参数
Tab.2Test test tooling and steel target material parameters 名称泊松比
屈服强度/硬化模量/应变强化
参数
硬化
指数
MPa MPa
高强度钢0.3144513260.01220.498 Q345钢0.33453200.280.064
药柱0.33373430.010.41
表3材料参数及本构模型
Tab.3State equations and strength models of
various components of model
部件
密度/
(g・cm-3)
杨氏模量/
1011Pa
屈服强度/
1011Pa
泊松比
材料本
构模型壳体7.93 2.06 1.184伊10-20.25弹塑性电极塞8.40 3.300.24线弹性药柱 1.630.130.30弹塑性
时间/|JIS
图7子弹加速度曲线
Fig.7Bullet acceleration curve
由图7可以看出，子弹在侵彻过程中的加速度峰值为35万g，脉宽为628滋s，且加速度峰值出现在侵彻第1层靶板时。侵彻第2层靶板时加速度峰值为20万g，侵彻第3层靶板时加速度峰值为21万g.由于第1层靶板最厚且侵彻速度最大，整个侵彻过程的加速度峰值在第1层靶板时最大。第2、第3层靶板厚度为第1层的1/3，且子弹贯穿第1层靶板后速度降低，因此加速度峰值降低。半导体桥火工品在整个侵彻过程中，必什么牌子音响好
然受到一个随时间变化的载荷作用，运动过程始终是一个应力波传播、反射和相互作用的过程。从质点纵向振动加速的角度，亦受到高幅值的加速度脉冲加载。
加速度的波动正是弹
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兵工学报
第 41 卷
内应力波传播、反射和相互作用的结果。2. 3. 2 半导体桥火工品受力过载分析
从仿真计算结果可以得到火工品力学侵彻过载过程中的等效应力 von Mis 应力变化过程, 图 8 为
(a) t=51 |Jis
应力/IO ” Pa 1.096x10-2 . 9.877xl0-3-l &790x10-3 上 7.703"0亠 6.617X10-3- 5.530x10-3- 4.443x10-3- 3.356x10-3- 2.270xl0-3-| 1.183X10-3-! 9.640x10-5-■
侵彻过程中半导体桥火工品不同时刻应力分布。
从图8中可以看出，整个过载过程中，半导体桥
火工品的壳体收口处所承受的应力始终最大。在贯
穿3层靶板时最大应力分别为1 900 MPa 、1 716 MPa 和1 200 MPa.对于火工品的壳体这种类似薄板的
构件，壳体头部会产生一定的变形。为了分析半导
体桥火工品长度和直径的变化，在样品径向输入端、
中部和输出端设置6个观察点，分别观察样品输入
端直径、中部直径和输出端直径的变化。在轴向输 出端设置2个观察点，观察壳体长度的变化。图9
给出了所设观察点的位置。
(b) =206 |Jls
(c) =479 |jis
LS-DYNA ur input
Contours of Effective Stress (v-m) min=0.0013688, at elem#82614
max=0.0179191, at elem# 82736 口
应力/10“ Pa 1.792X10-2 -a | 1.626x10-21.461X10-2-1 1.295x10 2 - 1.130x10-2- 9.644x10』+ 7.989X10-3 - 6.334x10-3 - 4.679X10-3 -■ 3.024x10-3 *
L
i ml
二:::
二
g
[Ji
41应力/10“ Pa 1.900x10-211.715x10-21.530x10-2-■1.345x10-2-1.160X10-2- 9.752X10-3- 7.903x10-3- 6.053x10-3- 4.204"0亠 2.355x10-3 5.053x10^-■
(a)直径观察点
(a) Obrvation point of diameter
(b)长度观察点
(b) Obrvation point of length
LS-DYNA&nb粤菜图片
sp; ur input
应力/10” Pa 1.716xl0-2-|1.558xlO-2-|1.400X10-2-"1.242X10-2-1.084X10-2- 9.262X10-3- 7.682X10-3- 6.102x10-3- 4.522x10-3 p 2.942x10-3 屮1.362x10-3-■
图9半导体桥火工品观察点位置Fig. 9 Obrvation points of shape change of
miconductor bridge initiator
(d) t=652 |jis
图8半导体桥火工品应力分布云图
Fig. 8 Stress distribution of miconductor
bridge initiator
图10分别给出了半导体桥火工品受力作用下 长度(见图10(a))和直径(见图10(b))的变化情
况。从图10中可以看出：在217 滋s 时刻，穿过第1层
靶板时长度减少了 1%，即0. 1 mm ；在520滋s 时刻, 穿过第2层靶板，长度减小了 1.5%即0. 15 mm ；在
850 滋s 时刻，穿过第3层靶板，长度减小了 1. 5%
即
