溫度對減載組件減載性能影響

李 俊，蔣濱安，張志遠，劉 闖

(1.陸軍炮兵防空兵學院 高過載彈藥制導控制與信息感知實驗室，安徽 合肥 230031；2.陸軍炮兵防空兵學院 兵器工程系，安徽 合肥 230031)

高過載新型彈藥設計中一大難點是彈載器件抗高過載設計，為克服高過載環境對抗過載能力弱的彈載光電器件可靠使用的影響，通常是利用加裝橡膠類減載組件緩沖吸能作用，達到保護彈載器件的目的[1-5]?？紤]炮兵作戰使用時外界環境的影響，尤其是我國東北寒區在冬季易出現-20℃以下的天氣情況，此時橡膠類減載組件力學性能會發生改變[6-7]，導致其減載效果變差。為此，筆者采用分離式霍普金森壓桿(以下簡稱SHPB)裝置、高低溫箱和高速攝像機，對不同溫度環境下彈載器件在高速沖擊條件下的力學響應進行測試，建立含有溫度影響的本構模型，得到經減載組件作用后彈載器件上的應力和應變，并對比不同溫度時理論模型計算結果和實驗測試結果，為研究溫度對減載組件減載性能影響提供理論研究和方法參考。

1 沖擊實驗

1.1 沖擊實驗設計

測試所用彈載器件是某型特種彈所用的光學鏡頭，減載組件由多片圓形空心橡膠墊疊合組成。加裝圓形減載組件的光學鏡頭實驗狀態如圖1所示，圖中相鄰橡膠墊涂上不同顏色以作區分，測試附件的外部殼體開槽并在槽體外部標注刻度。在利用SHPB裝置進行沖擊實驗過程中，將減載組件形變過程使用高速攝影機拍攝下來，利用專業軟件對拍攝視頻逐幀回放，記錄不同時刻減載組件形變情況，并描繪出其相對位移量隨時間變化曲線[8]。為了測試低溫環境下減載組件的減載性能，將測試件放入溫度為-40℃的低溫箱中12 h，取出后立即進行SHPB沖擊實驗。

2.2 實驗結果分析

利用SHPB裝置進行沖擊實驗后，經數據處理得到輸入應力和輸出應力，同時利用高速攝影機記錄的形變情況得到減載組件相對位移量。具體的測量結果及最終鏡頭完好性情況如表1所示。

表1 測量結果及鏡頭完好性情況

從表1可以看出，隨著試件溫度的逐步回升，減載組件壓縮量逐漸增大，作用于鏡頭的應力逐漸減小。通過觀察外觀、測試電阻發現，輸入應力為160 MPa左右，當溫度低于-30.4℃時，鏡頭達到破壞極限，而當溫度高于-20.3℃時，減載組件減載效果明顯提高。

2 動力學模型建立與求解

2.1 動力學模型建立

高過載環境下橡膠這一減載組件呈現出粘彈性特性，在應力波和應變率耦合的情況下，粘彈性材料力學特性是非線性的，同時整個SHPB沖擊實驗可以視為絕熱過程。為了分析研究溫度變化對減載組件性能影響，除了建立連續方程、運動方程和ZWT非線性粘彈性本構方程[9]外，還需采用應力波波陣面前后能量守恒[10]來一同描述粘彈性材料在高過載環境下的動力學過程。具體如下：

1)連續方程

(1)

2)運動方程

(2)

3)本構方程

(3)

4)絕熱方程

(4)

式中：v為質點速度；ε為應變；ρ0為材料密度；σ為應力；θ2為松弛時間，θ2=η2/E2，η2為粘性常數，E2為彈性模量；σe=E0ε+αε2+βε3，E0為彈性模量，α、β為非線性相關度；E1為彈性模量；e為單位質量的減載組件的內能，e=CeT，Ce為減載組件的比熱，T為環境溫度；E1、E2、E0、α、β和θ2為材料自身屬性參數，都是含有溫度的函數。

2.2 基于特征線法的理論求解

根據所研究的彈載器件及其減載組件實際結構，可以簡化為圖2所示的理論模型[11]，A、B、C分別表示固定基座、減載組件和彈載器件，外載σ0為恒值載荷，彈載器件C的組成材料主要是玻璃和硬化塑料，不具備大變形能力，可視為剛體，其應力值等于減載組件B的右端應力值。

利用應力波沿著一維粘彈性傳播時沿著特征線不變的特性，將整個計算平面離散成若干個計算區域，區域編號分別為0、11、12、13、…、ij.模型求解過程：首先將動力學方程轉化為相容方程，再運用差分方法構建有限差分格式。有限差分格式如下：

(5)

通過式(5)確定了質點速度v、應力σ、應變ε和溫度T之間的相容關系，邊界條件如式(6)給出，只要確定初值條件和邊界條件，通過求解式(5)即可獲得不同溫度T對減載組件性能影響。

(6)

式中：σ為輸出應力；σ0為輸入應力；ρB、CB、SB分別為試件的密度、彈性波速、橫截面積；M為試件質量；t為沖擊時間；t0為沖擊初始時刻。

3 結果分析

理論計算是以沖擊實驗得到的輸入應力、輸出應力為依據，通過最小二乘法進行參數辨識[8]，可得到10組不同溫度下的含橡膠減載組件、鋁質沖擊殼體、玻璃鏡頭等在內的整個沖擊試件結構材料參數。為了分析溫度對減載組件減載性能的影響，將辨識得到的減載組件力學性能參數E1、E2、E0、α、β和θ2隨溫度變化情況擬合成如圖3～8所示的曲線。

再將參數帶入方程中，利用特征線法求解非線性動力學方程，得到作用于彈載器件的輸出應力和相對位移，理論計算結果和實驗測試結果對比如表2所示。從表2中可以看出，理論計算得到的輸出應力、相對位移與沖擊實驗所測結果一致性較好，其中誤差基本在5%以內，說明所建立的理論計算模型正確。

表2 理論計算結果和實驗測試結果對比

通過對比表2中不同溫度環境下輸出應力，可以看出，隨著環境溫度降低，作用在彈載器件上的應力會明顯增大，這主要是由于減載組件材料參數隨溫度變化而導致的。材料參數中，E1、E2、E0為應變的一階彈性系數項，α、β為應變的高階彈性系數項，θ2為表征材料動力學響應快慢的粘性系數項。通過圖3～8可以發現，θ2和β隨溫度變化明顯，而E1、E2、E0、α隨溫度變化不明顯。由于β為應變的高階彈性系數，對輸出應力的影響因子較小，可以忽略；而θ2隨溫度降低而變小，這表明材料的動力學響應時間隨溫度降低而變快。同時，減載組件與鏡頭組成的試件在低溫情況下密度變化不大，但具備較高的溫度敏感性和應變率敏感性，在-30 ℃左右力學性能變化較為劇烈。由此可知，溫度變化對波阻抗大的減載組件材料影響較小，而對波阻抗小的減載組件材料影響較大。

4 結論

考慮作戰使用時外界溫度環境的因素，采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置、高低溫箱和高速攝像機，對不同溫度環境下彈載器件在高速沖擊條件下的力學響應進行了測試，建立了含有溫度影響的本構模型，得到了經減載組件作用后彈載器件上的輸出應力和應變，理論計算結果與沖擊實驗測試結果具有較好的一致性，驗證了理論計算模型的正確性，為研究溫度對減載組件減載性能影響提供了理論研究和方法參考。

通過實驗測試結果和理論計算結果可知，隨著環境溫度降低，作用在彈載器件上的應力會明顯增大，輸入應力為160 MPa左右，在溫度低于-30.4 ℃時，達到彈載器件的破壞極限，而當溫度高于-20.3 ℃時，減載組件減載效果明顯提高；同時，減載材料具備較高的溫度敏感性和應變率敏感性，而且溫度變化對波阻抗大的減載組件材料影響較小，而對波阻抗小的減載組件材料影響較大。因此，在彈載器件的抗過載設計中，考慮到環境溫度的影響，應盡量選取偏彈性的材料作為減載組件材料。