药型罩材料的发展

2024-04-08

药型罩材料的发展（共7篇）

篇1：药型罩材料的发展

药型罩材料技术发展现状和趋势

破甲技术作为攻击装甲目标的一种重要手段，近几十年来在我国进行了系统的研究。在破甲战斗部方面:对起爆源、调整器、辅药柱、隔板、主药柱、药型罩等各个环节，都进行了详细研究。在破甲机理方面:对药型罩的压垮、射流的形成、侵彻过程的研究，均比较深人。在破甲弹对目标的侵彻方面:对炸高的影响、着靶姿态、引信瞬发度、破甲深度的动静差等也都进行了研究。此外，在测试手段、计算技术、模拟技术等方面都进行了大量研究工作。随着装甲技术的不断更新，对破甲技术的要求也越来越高。空心装药战斗部与各种制导技术的结合使之成为目前最具威力的反装甲武器，近年来随着子母弹、末敏弹以及末制导炮弹等各种制导武器的发展，更加拓宽了空心装药战斗部的应用前景。作为空心装药战斗部的关键部件之一的药型罩，其研究也相应地得到了加强，并取得很多进展。药型罩有两大基本类型，即角度小于700的锥形药型罩和角度大于120“的盘形或球缺形药型罩。当炸药引爆之后，锥形罩内表面形成轴向射流，而外表面材料朝与射流相反的方向形成一个大的柞体。射流头部速度超过10 km/s。采用这种药型罩的战斗部，适宜攻击厚装甲目标。当炸药引爆之后，盘形或球缺形药型罩向前翻转，形成弹丸。人们称这种弹为爆炸成形弹(EFP).它们的应变速率和应变比锥形罩的低得多，但破孔较大。因此，爆炸成形弹适宜攻击较薄的装甲目标，例如坦克的顶装甲及舰船等。1 空心装药破甲弹锥形罩技术

年代以来，国外在铜药型罩的基础上，研究了铝、钨、镍等单金属及钨合金、徕合金、超塑合金和非晶态合金等锥形罩罩材。对这些罩材的研究涉及材料的化学成分、静态和动态力学性能、显微结构等内容，涉及到电铸、单晶和其它一些新制造方法在内的先进制造工艺。研究的目的是获得具有高密度、稳定、延性好、速度高和抗旋等特点的高质量射流，以便有效侵彻现代复合装甲。为了进一步提高破甲威力，反现代反应装甲和复合装甲，国外还研究了多级和新结构药型罩。1.1 单金属药型罩

研究和实践证明，材料的塑性、密度和声速与侵彻性能直接相关。塑性好的材料易于加工成形，可形成侵彻性能较好的长射流。而射流的长度与侵彻深度成正比关系。此外，总侵彻深度还同射流密度与靶密度之比的平方根成正比关系，因而罩材的密度越高，侵彻深度将越深。材料的声速越高，射流的伸长速度越快，有利于射流侵彻装甲。因此，材料的塑性、密度和声速是选择药型罩材料不可缺少的参考指标。1.1.1 铜

纯铜是锥形罩普遍采用的材料。其原因是，纯铜具有优良的综合性能，即塑性好，密度和声速较高，最终获得延性射流。国内外的研究人员详尽地研究了铜药型罩的影响因素，研究了不同显微结构、不同再结晶温度对铜药型罩射流特性的影响，研究了材料杂质及晶粒尺寸和结构对药型罩射流性能的影响。除了传统的制造工艺外，还研究了多种制造工艺，如电铸药型罩、单晶铜药型罩技术。1.1.2 钨

钨具有高声速和高密度，是一种药型罩侯选材料。虽然钨材在室温条件下非常脆，但是，钨罩可获得延性良好的射流。目前，钨罩由于射流破断性能不稳定，而限制了实际应用。国外对钨罩射流的脆性破断性能进行了研究，得出钨罩射流的脆性破断性能可能与高温脆性有关。1.1.3 镍镍与铜相比，都是塑性优良的材料，密度相伺，声速却较高。镍罩形成射流的头部速度为11400m/s，比铜罩形成射流的速度大约高巧%。因此，镍是一种良好的药型罩侯选材料。目前，美国的海尔法导弹串联战斗部的主装药已采用电铸镍药型罩。法国、德国均试验了镍药型罩，研究了晶粒尺寸与射流延性的关系以及晶粒尺寸的影响因素。1.2 合金药型罩

近几年来，国内外都在积极寻求更高性能的药型罩新材料。其中一条途径就是研制高性能合金药型罩，包括W一CU,Re一Cu,Ni 合金以及超塑合金等。1.2.1 钨合金

W 一C u合金因具有高密度，用作药型罩可改善射流对均质钢靶的侵彻性能。但W与Cu不能互相溶解，难以用常规工艺制造，所以其发展相当缓慢。日本采用粉末冶金技术成功地制造了W一Cu合金。1.2.2 镍合金

199 2 年，瑞典粉末技术公司提出了一种高密度、高延性镍基单相合金材。据称，该药型罩的侵彻性能远远高于纯铜药型罩。1.2.3 超塑合金

法国研究了具有超塑性细晶Zn一Al,C u 一Zn合金药型罩可产生理想射流，但是由于这些材料的射流对靶板强度敏感而缺乏实用性。合金药型罩的缺点就是合金密度不均匀，射流性能不稳定。需要解决的问题是精密制粉和精密粉末冶金技术，目标是使材料微区密度均匀，没有缺陷，并且可获得高致密度。

1.3 新结构药型罩

随着反应装甲的出现，串联战斗部应运而生。它的基本原理是:用前边一个小破甲战斗部引爆反应装甲，为后面的主破甲战斗部扫清通道，避免了反应装甲盒爆炸后产生的爆轰波和破片对主射流的干扰。无论美国或者西欧研制的新一代反坦克破甲弹，都考虑了串联战斗部方案。实践证明，国外配置成功的串联战斗部，破甲威力远远大于配置单一药型罩的普通破甲弹。对药型罩结构的改进，可以提高或改变装药质量与药型罩质量的比值，借此控制射流速度，使侵彻性能得到提高。2 爆炸成形弹丸(EFP)技术

爆炸成形弹丸(EFP)是反坦克弹药的一个新支。它的爆炸成形类似于破甲弹射流的形成，不同之处是药型罩为大锥角，因而在压垮过程中药型罩要翻转，最终形成一个弹丸。同时该弹对装甲目标的侵彻又类似于穿甲弹。因此,它是把破甲和穿甲联系于一体的一种新型弹丸。爆炸成形弹丸(EFP)与普通破甲弹相比，具有以下特点:①对炸高不敏感;②反应装甲对其干扰小;③侵彻后效大。由于爆炸成形弹丸(EFP)是从顶部攻击坦克要害部位，顶部攻击面积大，弹丸的攻击效果又不受炸高的限制，特别是爆炸成形弹丸(EFP)能够有效攻击披挂了反应装甲的坦克，而且后效又大，所以是一个应用前景广泛的新弹种。它与制导武器结合是对付直升机、坦克及其它装甲车辆顶部防护的有力武器。爆炸成形弹丸(EFP)是末敏弹的关键部件之一。美国1972年就完成了末敏弹的概念研究，1985年已经突破了末敏弹的技术关键。继美国之后，德国、法国和瑞典等国也都开展了末敏弹的研究。我国从70年代即开展了末敏弹的可行性研究，同时开始了关键技术的攻关，其中爆炸成形弹丸(EFP)战斗部是关键技术之一。影响爆炸成形的主要因素有:炸药性能、药型罩材料和锥角。关于药型罩材料:钨合金密度高、强度高，侵彻效果好，但由于其脆性和不易成型，应用难度较大。国外目前广泛采用钮罩，但其成本高，我国尚未进行试验。目前试验大部分采用紫铜。2.1 单金属药型罩材料

爆炸成形弹丸(EFP)的罩材目前主要是软钢或紫铜。研究表明，罩材特性如强度和密度对形成爆炸成形弹丸(EFP)有着重要影响。如果罩材强度、塑性差，则跟不上变形速度，在变形过程中罩体会破碎。因此，为形成弹丸，减小变形过程中的质量损失，必须选择韧性、塑性较好的材料，尤其要考虑材料的动态特性。目前正在研究的韧性较好的重金属有Ta,U.2.1.1 延性铁

延性铁的塑性类似于铜，是爆炸成形弹丸(EFP)用药型罩广泛使用的材料之一。2.1.2 铜

纯铜是爆炸成形弹用药型罩普遍采用的材料。其原因是纯铜塑性很好，密度较高。2.2 新结构药型罩

多级球缺形药型罩英国亨廷有限公司研究一种爆炸成形弹，其中有两个口部朝向完全相反的球缺形药型罩。这两个球缺形药型罩口部与战斗部飞行方向垂直。当战斗部飞越目标时，爆炸成形弹丸(EFP)对目标实施攻击。德国应用研究公司研究了串联重金属双球缺药型罩。战斗部中的装药爆炸后，双球缺形药型罩生成一前一后在同一弹道上飞行的两个弹丸。前一弹丸可用于攻击反应装甲，后一弹丸用于破坏主装甲。法国军械部研究了一种带有变壁厚紧贴双球缺形药型罩的战斗部。在装药量给定的条件下，双药型罩产生的爆炸成形弹丸质量要比单药型罩的大，而且在弹道上的速度降低较小，终点弹道效果也较好。

就侵彻特性而言，爆炸成形弹丸(EFP)很难与现代的动能弹和优化破甲弹的高速射流相比。然而，它在这两类侵彻装甲弹药中占有重要的地位。一方面，爆炸成形弹丸(EFP)不需要象动能弹那样直接向目标发射和具有很高的速度;另一方面与成形装药弹头相比，爆炸成形弹丸(EFP)不要求直接接触被侵彻靶而发生作用，而且因为爆炸成形弹质量较大，所以在侵彻之后它具有比破甲弹更高的二次效应。

随着先进的爆炸成形弹和现代传感技术的发展，利用爆炸成形弹自动对付装甲车辆新系统的研究将会不断发展和加强。3 总结

随着材料科学技术的发展，破甲弹用药型罩材料与技术研究取得了一系列重大进展。除传统的铜药型罩材料外，又逐步研究了多种金属材料。破甲弹各部分与最终形成的射流或弹丸各部分之间存在着对应关系，对这种对应关系认识的逐步加深，今后会出现各种形式的药型罩。各种性能的材料和最佳结构使药型罩既具有先进材料效应又具有先进结构效应，从而大大提高了破甲弹的侵彻威力。

篇2：药型罩材料的发展

破甲战斗部是采用成型装药聚能效应, 依靠炸药爆轰挤压药型罩, 利用形成的高速金属射流侵彻目标。LS-DYNA软件有很强的非线性分析功能, 提供多种材料模型及状态方程, 可以模拟这一聚能射流侵彻问题。对于聚能装药侵彻, 药型罩是形成射流的主要零件, 炸药起爆后, 爆轰波的压力远超过药型罩的强度, 在爆轰波挤压药型罩的运动过程中, 塑性变形功转化为热能, 这样罩的温度升高、强度下降, 形成射流和杵体, 在很短时间内, 药型罩产生很大的变形。仿真时, 需要选择相关的材料模型描述其中的力学行为, 且必须考虑高温、高压、高应变率的影响。在研究中发现, 药型罩的材料模型的选择有多种, 如赵捍东等人在聚能装药射流的数值仿真研究中药型罩选用流体弹塑性模型[1], 汪文革等在研究聚能射流侵彻装甲钢的有限元分析时药型罩选用Johnson-Cook模型[2], 北理工曹德青等人选用Steinberg模型。但选择不同材料模型仿真结果的差别多大及与理论数据、试验数据对比, 哪种模型误差小且更符合实际情况, 需要进一步研究。现于聚能效应侵彻仿真过程中, 药型罩选择两种不同的材料模型, 进行仿真结果对比。

1材料屈服应力模型的介绍

1.1 Johnson-Cook材料模型

该材料模型是Johnson和Cook于1983年提出的, 并给出了一些材料的参数, 也称为黏弹性模型, 是一种与应变率和绝热温度相关的塑性模型, 用于描述材料在大变形、高应变率和高温下的情况。由于形式简单, 使用方便, 在冲击动力学问题, 如弹道侵彻、金属爆炸成型中得到广泛应用[3,4]。

模型中动态屈服应力的公式如下[4]

其中A、B、n、c、m是常量, 为等效塑性应变, ε*·为等效应变率, T*为无量纲温度。

断裂应变由下式得到[4]

σ*是压力与等效应力的比值, D1、D2、D3D4、D5为材料的常数。

1.2 Steinberg材料模型

美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的Steinberg等于1980年提出的, 该本构方程适用于高应变率的情况, 在起初并没有考虑应变率效应, 着重于压力和温度对剪切模量和屈服强度的影响, 对冲击波加载有很好的描述能力[3,4]。模型中剪切模量是压力P和温度T的函数, 表达式如下[4]

G0, b, h和f为试验确定的材料常数, p是压力, V是相对体积, R′=Rp/A, Rp是气体常数, A是原子量, Ec是冷压缩能量, Em为融化能量。

屈服强度的定义如下[4]

当Em超过Ei时:

式中γi为初始弹性应变, 当σ′0超过σm时, σ′0设置为与σm相等。

2仿真过程

2.1仿真模型的建立及算法控制

结构具有轴对称性, 为缩短计算时间, 模型简化, 取四分之一建模, 采用cm-g-μs单位制, 模型由炸药、药型罩、空气、靶板组成, 如图1所示。网格划分时有两种类型, 即自由网格和映射网格。由于自由网格难以控制网格的形状, 计算中容易出现网格畸变警告, 使计算过程变得繁琐, 因此在仿真中选用映射网格划分。所选单元类型为Solid164, 该单元为八节点六面体形状, 能较好地模拟网格变形且具有较好的计算精度。模型中除靶板外都是不规则体, 用规则的六面体单元难以划分, 所以先将不规则的体通过切割分成几个规则的小部分, 然后采用映射网格划分[2]。

在算法的选择上, 使用多物质ALE算法, 其中炸药、药型罩、空气采用Euler网格, 靶板选用Lagrange网格。采用流固耦合方法, 射流的能量通过耦合传递给靶板, 实现对靶板的侵彻[2]。空气模型外表面设置无反射边界, 使冲击波不发生反射, 在对称边界上施加对称约束, 采用单点中心起爆方式

2.2 材料模型及状态方程

由于本文重点是对比药型罩不同材料模型的仿真结果, 所以药型罩分别选用Johnson-Cook和Steinberg材料模型, 状态方程都选用Gruneisen方程。

在用LS-DYNA软件仿真时输入的材料模型和状态方程部分参数如表1和表2所示[5]。其中部分参数为软件计算需要的参数, Tm为紫铜熔化温度, Cv为紫铜的比热, C、S1、γ0、α为状态方程参数。

空气选用Mat_Null材料模型, 状态方程为Linear_Polynomial。炸药选用TNT, 结合JWL状态方程, 靶板的材料为钢, 材料模型为Johnson-Cook结合状态方程Gruneisen, 模拟靶板的变形过程[6]。

3 仿真结果及分析

聚能射流及侵彻靶板的仿真过程如图2和图3所示, 分别为各个时刻的速度云图与射流形状图。从图2、图3中可以看出, 在t=10 μs时, 爆轰产物挤压药型罩使其沿轴线塑性流动并闭合, 射流头部初步形成;在t=20 μs时, 射流接触靶板, 开始侵彻, 且两种材料模型的射流形态基本一致;在t=80 μs时, 射流速度已经很低, 两种材料模型的射流都出现明显的颈缩, 且Steinberg模型的射流出现断裂;在 (70～100) μs的时间内, 由于射流的速度逐渐降低, 侵彻能力逐渐下降, 射流头部开始堆积, 使破甲过程逐渐终止。

对比可以发现, 在不同时刻, 两种模型对模拟射流的形成过程差别很小。取射流顶部的同一节点, 做出时间历程曲线, 如图4所示, 横轴为时间, 单位为μs, 纵轴为节点的速度, 单位为cm/μs。

对比两图发现, 不管哪种材料模型的药型罩, 在约8 μs时, 由于爆轰波的巨大的冲击作用, 药型罩急剧变形, 短时间内获得很高的加速度, 射流头部的速度在这一时刻达到最大。然后爆轰波的作用逐渐减小, 射流头部速度开始下降, 下降到约1 000 m/s时, 射流头部的速度会持续一段时间。这一阶段即为射流的准定长阶段, 是破甲的主要阶段, 在此时间段, 射流速度的降低和破孔直径的减小都很缓慢[7]。对比两图看出, 选择的两种材料模型都能达到描述这一过程的目的。随后, 速度逐渐减小至停止侵彻, 在后续射流的推动下, 在曲线上显示头部微元会有速度波动, 但此时已无侵彻能力。由此可以看出, 药型罩材料模型选择Johnson-Cook或者Steinberg都能很好地模拟聚能射流的侵彻过程。

因射流头部节点不断变换, 为更充分地说明两种材料模型的仿真结果的相似度, 每隔10 μs取射流头部最高速度拟合曲线, 以时间为横轴, 速度为纵轴, 标出相应时刻对应节点的位置, 发现两条曲线非常吻合, 如图5所示。

4 结论

(1) 应用LS-DYNA软件仿真聚能效应侵彻过程时, 药型罩的材料模型选择Johnson-Cook或者Steinberg都能很好的模拟聚能射流的形成过程, 通过对比速度曲线, 两种材料模型各时刻的速度差值很小。

(2) 所选的材料模型仿真得到的结果同实际的误差多大, 哪种材料模型更适合聚能效应的仿真过程, 需要通过试验的验证。

(3) 在应用有限元商业软件处理非线性问题时, 合理的选择材料模型模拟相应的力学行为对于仿真结果的可信度有很大影响。因此, 在选择材料模型时, 首先要正确理解该本构方程, 其次要结合具体问题进行。

参考文献

[1]赵捍东, 陈国光, 董永香.聚能装药射流的数值仿真研究.华北工学院学报, 2001;22 (3) :211—214

[2]汪文革, 杨世军, 韩永要, 等.基于ANSYS/LS-DYNA的聚能射流侵彻装甲钢的有限元分析.兵工自动化, 2008;27 (3) :39—41

[3]彭建祥.Johnson-Cook本构模型和Steinberg本构模型的比较研究.北京:中国工程物理研究院博士学位论文, 2006

[4]李真.串联嵌入弹的终点效应优化设计和数值模拟.南京:南京理工大学硕士学位论文, 2006

[5]时党勇, 李裕春, 张胜民, 等.基于ANSYS/LS-DYNA8.1进行显式动力分析.北京:清华大学出版社, 2005

[6]姚冰, 谢金, 胡浩, 等.某破甲弹聚能射流仿真分析.中国制造业信息化, 2008; (24) :110—111

篇3：不断发展的建筑材料

人们学会合成技术以后，建筑材料就从自然材料华丽变身成了——合成材料。

建筑材料逐渐由天然石材转向用泥土在高温下烧制成的泥砖和黏土砖。工业革命给建筑材料带来了巨大变革。在大量生产铝、铁、钢等成为可能之后，金属材料被广泛引入建筑行业，作为建筑材料使用。最大的变革则是钢筋混凝土的出现。现在的混凝土中部加入钢筋进行加固。到了21世纪，虽然出现了很多新型合成材料，但是混凝土依然是目前世界上使用最为广泛的建筑材料。

现如今，碳纤维、织物、塑料、玻璃等材料越来越多地被应用在建筑领域。工程师们还在想方设法地将更多的回收产品作为建筑材料重复利用。

有了更多的选择余地

早期的建筑物大都（dū）是以实用为目的建造的，渐渐地，建筑师和施工者开始关注建筑物的外观了。他们通过使用壁板、石子和木雕等装饰性建筑材料，进行别出心裁的设计和应用，以达到美化建筑物的视觉效果。

如今，虽然人们在建筑材料上有了更多的选择，但是有几个方面是必须重点考虑的，即实用性、耐久性和经济性

（各人的支付能力不同），同时还必须考虑不同选择对环境可能产生的影响，也就是说，应该选用安全、环保、可持续和可回收利用的绿色建筑材料。

科学写作：

假设你是一名建筑师，正在为客户写一个房屋的策划方案。注意要考虑到气候因素和材料的实用性，告诉客户你计划建造的房屋属于哪种类型，在本地区最适合使用哪些建筑材料，你计划用哪些材料建造框架、墙体和屋顶，并说明原因。

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2015年5月1日

篇4：药型罩材料的发展

聚能装药在发生爆炸后形成高速的金属射流,其头部速度可达到6km/s~8km/s,尾部速度大约为2km/s,射流金属约占金属罩总质量的6%~11%。圆锥药型罩锥角的大小对所形成射流的各项参数、破甲效果以及后效作用有很大的影响。当药型罩锥角过小时,虽然可以形成很高速度的射流、增加破甲深度,但同时其侵彻孔直径较小、后效作用较低,特别是其侵彻的稳定性较差;当药型罩锥角过大时,虽然其射流速度有所降低、破甲深度有所下降,但其侵彻孔直径有所增大、后效作用较好,特别是具有较好的稳定性。本文通过实验仿真来找出最佳的圆锥药型罩锥角。

1 金属射流形成的过程

金属射流的形成过程如图1所示。金属罩在炸药所产生的爆炸波的作用下,高速向中心挤压,并在轴线上发生碰撞,随着动能进一步提高,锥形药型罩材料在中心线上压合使一部分的药型罩挤出,从而形成高速的金属射流。

圆锥角药型罩所形成的聚能射流按照射流与杵体随锥角大小的变化特点可分为三类:①当药型罩锥角在30°~90°之间时,称为小锥角金属聚能流;②当药型罩锥角在90°~120°之间时,称为中锥角金属聚能流;③当药型罩锥角大于120°时称为大锥角金属聚能流。随着药型罩锥角的变化,所产生的金属聚能流的外形和物理参数也发生变化。

2 材料模型及参数的确定

在仿真计算中,主要建立药型罩、主装药、壳体、空气和目标靶板5种材料的破甲战斗部有限元模型,调整适宜的网格密度,设置恰当的边界约束(空气域无反射边界约束),使用正确的算法(ALE算法),确保计算结果准确。求解计算时的单位为cm-g-μs-Mbar。

在数值计算过程中,材料模型以及材料各参数的选取直接影响到计算结果的准确性,一些重要参数值必须通过试验确定。本文所使用的5种材料都是数值仿真中经常用到的,各材料模型和状态方程参数与实际情况相符。

2.1 炸药的确定

炸药的爆轰压力是主要影响因素,欲取得较大的爆压,应尽可能增大装药的密度和爆速,因此装药时应采用高爆速炸药和增大装填密度。

综合安全、成本、制作工艺等因素,选取一种最为常见的炸药即B炸药,材料模型为HIGH _EXPLO-SIVE _BURN,状态方程为JWL,其压力表达式为:

其中:p为爆炸压力;A、B为与材料性质相关的直线系数;R1、R2和ω 为与材料性质相关的非直线系数;V为爆轰产物的相对体积,V=Vj/V0,Vj为炸药爆轰产物的体积,V0为炸药初始体积;E为初始比内能。B炸药的相关参数取值见表1。

2.2 炸药的确定

炸高是指破甲弹在起爆瞬间药型罩底端口部到装甲表面的距离,通常选择有利炸高的上限,这样既能保证破甲深度,又可减轻弹重。本文的药型罩材料为铜,3倍的罩底直径为最佳炸高,所以本文选择的炸高为3倍的罩底直径。

2.3 药型罩参数的确定

药型罩是形成金属射流的关键部位,是整个战斗部的“执行部件”,药型罩参数从根本上会影响金属射流的侵彻能力。

本文数值仿真中选用的药型罩材料为紫铜,材料模型为JOHNSON_COOK,状态方程为GRUNEISEN。

本文选择中锥角的药型罩战斗部,即其锥角范围为90°~120°,这种药型罩形成的射流既有小锥角射流的高速特性,又有大锥角射流的高稳定性特性,同时可以满足抵御靶板速度对其的剪切干扰和侵彻大壁厚的要求。药型罩的锥角变化对金属射流侵彻能力的影响是本文的研究重点,本文将分别对药型罩锥角为90°、100°、110°、120°四种情况进行模拟仿真。

除此之外,本文选用普通钢为壳体材料,材料模型为JOHNSON_COOK,状态方程为GRUNEISEN。选取空气作为战斗部作用的介质,材料模型为NULL,状态方程为LINEAR_POLYNOMIAL。

3 仿真模型的建立及计算方案

3.1 有限元模型的建立

为达到毁伤目标的目的,本文将目标选择为弹体的圆柱部,聚能射流侵彻直径相对其弹体较小。同时若建立整个弹体模型,则数值计算量非常大,浪费不必要的人力和物力,因此将钻地弹弹体的圆柱部简化为100mm的平面厚靶板,取其一段以缩小数值计算量,并建立等效模型。另外为了能贴合实际,更加真实地模拟在实战中战斗部攻击拦截钻地弹的情况,结合真实弹目交汇条件,本文在以前简化模型的基础上,赋予靶板一定初速和倾角。

图2为破甲战斗部几何模型,采用90 mm口径,锥角分别为90°、100°、110°、120°的破甲战斗部。

图3为战斗部侵彻高速运动靶板的结构简化模型。考虑到战斗部和目标靶板结构的轴对称性,简化模型为二分之一模型,主装药、药型罩和空气设置多物质ALE算法,采用Euler网格建模;靶板和壳体采用Lagrange网格建模,并且各材料之间使用耦合算法。战斗部侵彻高速运动靶板的有限元模型如图4所示。

1-点火装置;2-主装药;3-壳体;4-药型罩

3.2 数值计算方案

本文是在弹目夹角为45°的情况下,研究药型罩锥角分别为90°、100°、110°、120°的破甲战斗部对速度为400m/s的靶板的斜侵彻情况,分析研究射流侵彻过程,并对比射流性能,寻找锥角对形成射流特性的具体影响,从而为设计出一种对运动体侵彻效果较好的药型罩结构打下基础。

4 仿真结果分析

本文通过数值模拟对药型罩锥角分别为90°、100°、110°、120°四种情况进行数值模拟研究,图5~图8为不同锥角的药型罩形成金属射流的过程。

从图5~图8可以看出,药型罩锥角从90°~120°的战斗部所形成的金属射流总体都比较均匀,射流速度梯度比较适中,射流头部直径整体比较粗,抗干扰能力比较强,对大壁厚的运动靶板具有很好的侵彻效果。当药型罩锥角从90°逐步增到120°的过程中,射流速度下降,射流长度降低,射流的直径增大。

图9为不同锥角的药型罩在t=68μs时,金属射流的速度形状对比图。从图9可以看出,药型罩锥角从90°增加到120°的战斗部所形成的金属射流在t=68μs时,射流的速度越来越低,射流的直径越来越大。

图10为不同锥角的药型罩形成的射流刚到达靶板时速度形状对比图。从图10可以看出,药型罩锥角逐步增大时,金属射流在到达靶板时的速度越来越低,到达靶板的时间越来越晚。

表2为不同锥角的药型罩所形成的金属射流速度。从表2中可以明显看出,当药型罩的锥角逐步增大时,金属射流的头部速度从5 557m/s减小到4 802m/s,减小趋势比较明显。金属射流侵彻靶板主要是依靠金属射流的头部,在没有径向干扰的情况下,射流头部速度越大,其侵彻效果也越好。但本文研究的重点是对运动体的侵彻分析,靶板的运动会严重干扰到射流的侵彻,即存在很大程度的径向干扰,这就对射流的稳定性提出了很高的要求,即要求射流不仅具有很高的速度,还要求有比较大的直径。

5 结论

药型罩锥角90°~120°的战斗部所形成的金属射流总体都比较均匀,射流速度梯度比较适中,射流头部直径整体比较大,抗干扰能力比较强,对大壁厚的运动靶板具有很好的侵彻效果。当药型罩锥角从90°逐步增到120°的过程中,射流速度下降,射流长度降低,射流的直径增大,同时药型罩锥角逐步增大时,金属射流在到达靶板时的速度越来越低,到达靶板的时间越来越晚。

参考文献

[1]吴学贵,胡洪波.聚能射流形成理论新议[J].弹箭与制导学报,1999(1):31-38.

[2]赵捍东,陈国光.聚能装药射流的数值仿真研究[J].华北工学院学报,2001,22(3):211-214.

[3]Henry Mohaupt.Shaped charges and warheads[M].New Jersey,Inc.Englewood Cliffs,1966:66-78.

[4]张会锁,赵捍东,王芳,等.药型罩壁厚对聚能射流影响的数值模拟[J].测井技术,2006,30(1):47-49.

[5]解永红,陈智刚,赵太勇.聚能装药药型罩作用机理的实验解析[J].弹箭与制导学报,2004,24(1):54-55.

篇5：3D打印材料的发展现状

【关键词】3D打印；金属材料；陶瓷材料；复合材料

3D打印技术又称“快速成形技术”或“增材制造技术”，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。现阶段制约3D打印技术发展的因素主要有两个：打印材料和设备。比起设备的研发，材料的研发难度更大。3D打印技术并不复杂，难在材料。普通打印机的耗材就是墨水和纸张，但3D打印机的耗材却主要是胶水和粉末，而且必须经过特殊处理，对材料的固化反应速度等也要求很高。根据化学组成，3D打印材料分为金属材料、陶瓷材料、复合材料和聚合物。

1.3D打印材料

1.1金属材料

目前大多数3D打印耗材是塑料，而金属具有更好的力学强和导电性，在3D打印中具有举足轻重的地位。但金属材料的3D打印制造技术难度大，主要是因为金属的熔点比较高，sahod 料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金等。其中钛合金尤其受到重视，因为钛合金密度低、强度高、耐腐蚀、熔点高，在3D打印汽车、航空航天和国防工业都将有很广阔的应用前景[1]。钴铬合金是一种以钴和铬为主要成分的高温合金，具有优异的抗腐蚀性能和机械性能，用其制作的零部件强度高、耐高温。不锈钢因其耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学侵蚀性介质腐蚀而得到广泛应用。不锈钢是最廉价的金属打印材料，打印的模型具有较高的强度[2]。镁铝合金因其质轻、强度高等，在制造业的强量化需求中得到了大量应用。

1.2陶瓷材料

陶瓷材料具有高硬度、高强度、低密度、耐高温、耐腐蚀等优异性能，在汽车、生物等行业有着广泛的应用。3D打印的陶瓷制品不透水、耐热（高达600℃）、可回收、无毒，可作为理想的炊具餐具和烛台、瓷砖、花瓶、艺术品等家具装饰材料[3]。但其强度不高，硬而脆的特点使其加工成形困难，尤其是复杂陶瓷件需通过磨具来成形，而模具加工成本高且开发周期长，难以满足产品的需求。已有报道，西英格兰大学研究人员开发了一种改进型的3D打印陶瓷技术，根据CAD数据可直接进行打印、烧制、上釉和装饰，消除了先前陶瓷产品原型没法过火或测试釉质的问题[4]。比利时在2012年应用陶瓷材料搭建了一台快速制造的3D打印机，为制作精细和新形式的传统陶艺技术提供了可能。

1.3复合材料

2014年美国硅谷Arevo实验室推出制造高强度碳复合材料最终产品的3D打印技术，打印出了碳纤维增强尼龙基体的复合材料，尼龙基体是比PEEK更低端的聚合物树脂。比起传统方法，3D打印更精确地控制碳纤维的取向，优化特定机械、电和热性能，而不是像传统的挤出或注塑方法来定型。且由于3D打印的复合材料零件一次只能制造一次，每层可以实现任何所需的纤维取向。复合材料的增强相不仅可用碳纤维，还可以用玻璃纤维。该技术主要针对航空航天、国防和医疗应用的零件产品，有望开发出更轻、更强、更持久的组件[5-6]。

1.4聚合物

聚合物中应用较多的两类塑料是ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene，即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）和PLA（Poly Lactic Acid即聚乳酸）。ABS具有高强度、良好的柔韧性、机械加工性及抗高温性能，是3D打印最常用的热塑性塑料[7]。ABS材料颜色种类多， PC材料颜色较单一，只有白色，但其强度比ABS材料高出60%左右。PC-ABS材料是综合性能优异的工程塑料，具备了ABS的韧性和PC的高强度及耐热性[8]。PLA是一种环境友好型塑料，可生物降解为活性堆肥。PLA抵抗温度变化能力弱，当温度超过50℃时就发生变形，从而制约了其在3D打印领域的发展。Polysulfone（PSU）类材料是所有热塑性材料中强度最高，抗腐蚀性和耐热性最好的材料，通常以最终零部件使用，广泛用于交通工具、航空航天和医疗行业。此外，其它新型的聚合物材料如尼龙类材料、弹性塑料等也被引进了3D打印领域。

2.展望

现有的3D打印材料，从价格上来看，便宜的几百块1kg，贵则约4万元1kg，打印成本昂贵。随着新材料技术的发展，未来还会出现更多的性能优异且价格低廉的打印材料。随着3D技术的不断成熟，打印出的产品的成本会不断降低。3D打印在医疗行业、骨骼打印、科学研究、文物保护、建筑设计、制造业等的应用将会得到更好的发展。3D打印技术也逐步进入人们的生活，3D打印机将越来越平民化。 [科]

【参考文献】

[1]3D打印在钛合金制造领域应用解读.（2014-01-21）.http：//3dprint.ofweek.com/2014-01/ART-132102-11000-28770696.html.

[2]解密3D打印[J].工业设计，2013（2）：15-19.

[3]Ceramic scaffolds produced by computer-assisted 3D printing and sintering： Characterization and biocompatibility investigations.Journal of Biomedical Materials Research Part B：Applied Biomaterials，2010，93（1）：212-217.

[4]西英格兰大学开发出改进型3D打印陶瓷技术.（2014-04-08）.http：//3dprint.ofweek.com/2014-04/ART-132102-8130-28795292.html.

[5]Arevo Labs announces carbon fiber and nanotube-reinforced high performance materialsfor3Dprintingprocess.http：//www.businesswire.com/news/home/20140324005

722/en#.U2UCiPnh94k.

[6]美实验室3D打印出高强度碳纤维增强复合材料.（2014-04-17）http：//3dprint

.ofweek.com/2014-04/ART-132102-8130-28798510.html.

[7]Thedifference between ABS and PLA for 3D printing.http：//www.protoparadigm.com/blog/2013/01/the-difference-between-abs-and-pla-for-3d-printing.

篇6：射孔弹药型罩旋压成形特征浅析

油气勘探开发过程中一个最重要阶段是打开由碎屑、碳酸盐、粘土或水化学沉积岩石形成的石油和天然气储集层。打开储集层分两个时段:一是钻井过程中打开储集层,从钻头进入储集层的顶部开始到钻头钻达该层位的底部为止;二是在下套管并在管外空间注水泥固井之后将储集层射开。现代油气井射孔采用聚能射孔技术,采用电缆或油管将聚能射孔器在套管中下放到储集层后点火射孔,射流穿透套管壁和管外的水泥环并在储集层岩石里造成通道。聚能射孔是石油开采过程中的重要环节,根据井下不同的地质条件选用不同种类的射孔弹是提高油气井开采的重要措施。

2 药型罩基本要求

聚能装药的药型罩应具备以下基本要求:

(1)致密性要求。药型罩是聚能装药的核心,在爆轰产物推动罩壁向轴线运动过程中,就将能量传递给了药型罩。如果这时的药型罩比较密实致密性大,则药型罩的可压缩性很小,因此内能增加很少,能量的极大部分表现为动能形式,这样就可避免高压膨胀引起的能量分散而使能量更为集中。为了提高聚能效应,就应设法避免高压膨胀引起能量分散而不利于能量集中的因素。作为药型罩必须具有很高的致密性。

(2)高密度要求。射流与靶板的密度比愈大,破甲深度愈大,在同等条件下,应优先选用密度大的药型罩粉末材料。

(3)延展性要求。射流头部速度和尾部速度比值愈大,破甲深度愈大。延展性高的材料所形成的射流,当射流头部速度和尾部速度的比值很大时,所形成的射流被拉的很长而不断裂,它的侵彻深度也越大。

3 粉末药型罩的成形特性

如图1所示,药型罩作为聚能装药的核心部件,在爆轰产物的推动下形成射流最终对目标进行侵彻。药型罩的质量直接决定了爆破战斗部的侵彻和破甲性能。粉末药型罩具有工艺简单、成分配比灵活、生产效率高、成形性好等特点,而且很大程度上避免了杵堵等现象。然而粉末药型罩从本质上来说属于多孔材料,其与相应的密实材料冲击压缩特性有所不同,所形成射流的破甲能力存在一定差距,其中最主要的是相同装药条件下粉末罩形成射流的速度要低于相应的密实罩。而且由于各成分的密度、粒度差别较大,在制造时容易发生偏聚,导致药型罩质量降低。

在粉末药型罩中,一般采用铜粉作为主体粉末材料,所占质量比通常为50%~90%。铜粉具有密度较大、熔点适中、声速较高、塑性好、有一定的强度等特点,易于形成延展性好、不易断裂、不易气化的金属射流,而且价格便宜。球形铜粉价格低、流动性好、保质期长、不易于形成杵堵,但成形性差、压制的粉末罩结合强度低、易破碎。枝形粉的成形性好,粉末罩结合强度高,但流动性差,易氧化,且容易形成杵堵。鉴于球形铜粉的成形性差的缺陷,常采用以下工艺:先用粉末冶金法制造出药型罩的初级胚体,再用300MPa的静冷压力压胚,然后在无氧条件下600℃热处理1小时,最后在900℃下保温1小时,制成成品药型罩。这样制造的纯铜粉末罩较普通铜合金粉末罩的晶粒细小、质地均匀,所形成的射流为粒子流,当应变为6.6%时射流延展性最好,射流粒子的大小均匀,两端成圆锥型,中部的柱体粗长,而且在药型罩直径及炸高一定时,表现出最佳的长径比。

图1 射孔弹药型罩

在药型罩球形铜粉中还需加入多种添加剂提高药型罩的综合性能。比如添加密度增稠剂提高药型罩铜合金的密度,可以提高铜药型罩的破甲威力;添加成型助剂,改善力学强度差、表面不光滑、偏聚等现象;添加射流改善剂提高粉体材料的密度和在射流断裂前的高延伸性;添加能量添加剂等材料增强药型罩所形成的射流在侵彻目标的过程中会发生剧烈的化学反应,生成大量的热和气体,产生二次爆炸效应。

球形铜粉制造的药型罩主要采用旋压技术,通过旋转使之受力点由点到线、由线到面,同时在某个方向给予一定的压力使金属材料沿着这一方向变形和流动而成形某一形状。旋压成形技术不是单一的强力旋压和普通旋压,而是二者的结合;强力旋压用于各种筒、锥体异形体的旋压成型壳体的加工技术,是一种比较老的成熟的工艺方法,也叫滚压法。旋压成形的工件,可消除纵向焊缝,减少环向焊缝,提高综合质量。旋压塑性变形近似于点变形,可充分细化晶粒组织,提高产品的强塑性。旋压加工具有节省材料、提高产品尺寸精度和表面质量的优点,具有广阔的应用空间。

4 药型罩粉末分析

4.1 粉末的基本特性及要求

单颗粒的性质主要有理论密度、点阵结构、熔点、塑性、弹性、化学成分、电磁性质等。在选材时,除了尽量选用理论密度大、弹塑性高的物质外,要结合烧结温度对材料的熔点进行考虑。不同的粉末生产方法所生产的粉末其性质也不同,如粒度、颗粒形状、密度、表面状态、晶粒结构、点阵缺陷、颗粒的气体含量、氧化物、活性等特性。其中颗粒形状有球形、近球形、树枝状、片状、碟状、三角形、不规则形等形状。晶粒结构有单晶颗粒、多晶颗粒等。选用材料时,应选取不同的颗粒形状、晶粒结构的、粒度物质进行搭配,以提高药型罩的致密性和密度。经试验发现,表面发达和不发达的颗粒互相搭配使用,对最终的药型罩穿深有很大提高,粉末药型罩的粒度配级比成分配比具有更重要的作用,合适的粒度配级能明显提高射流的侵彻深度。

4.2 粉末体的性质及要求

除了单颗粒的性质以外,粉末体的性质如平均粒度、颗粒组成、比表面、松装密度、振实密度、流动性、压缩性、成形性、颗粒间的摩擦状态等对药型罩的性能也有重要影响。其中流动性是一个非常重要的工艺性能,它对生产工艺的稳定以及产品质量优劣都有重要影响。压缩性是金属粉末在规定压制条件下被压紧的能力,成形性是指粉末压制后压坯保持既定形状的能力。一般来说,成形性好的粉末,往往压缩性差,压缩性好的粉末,成形性差,颗粒越细的粉末成形性好,而压缩性却较差。所以在选用材料时,材料应具备适中的压缩性和成形性,从而提高药型罩的成形质量和穿深能力。

5 结束语

药型罩制造方法很多,目前应用最广、制造工艺最简单的就是粉末药型罩压制成形。影响药型罩的质量的因素主要有药型罩粉末配方、药罩压制压力、保压时间、加压次数等。随着我国石化装备的大力发展,对大型聚能射孔弹的需求越来越大。目前制造企业能生产出的零件远不能满足国内石化企业生产的需求。射孔弹压罩液压机可以提高射孔弹药型罩的加工精度,减少后续加工时间。因此研制高精度伺服射孔弹压罩液压机生产线可促进射孔弹制造企业进一步降低成本,提高行业整体效益,大力提升国产石化装备的生产制造水平。

摘要：聚能射孔是石油开采过程中的重要环节,根据井下地质条件的不同选用不同种类的射孔弹是提高油气井开采的重要措施。药型罩作为聚能装药的核心部件,在爆轰产物的推动下,形成射流,最终对目标进行侵彻,药型罩的质量直接决定了爆破战斗部的侵彻和破甲性能。球形铜粉制造的药型罩主要采用旋压技术,通过射孔弹药型罩旋压成形液压机实现旋压加工。

关键词：旋压成形,射孔弹,药型罩,聚能射孔,成形特征

参考文献

[1]李诚铭.新编石油钻井工程实用技术手册[M].北京:中国知识出版社,2006.

[2]成大先.机械设计手册第五版第1卷[M].北京:化学工业出版社,2007.

[3]谢湛,付代轩,罗宏伟,等.流动温压成形射孔弹药型罩的研究[J].测井技术,2010(,4).

[4]李灵凤.药型罩强力旋压的数值模拟结果分析[J].锻压装备与制造技术,2008,43(2).

篇7：第49课时化学与材料的发展

A. 炼铁一氧化氮、二氧化氮

B. 炼钢一氧化碳、棕色烟尘

C. 氨氧化法制硝酸二氧化硫、三氧化硫

D. 接触法制硫酸一氧化碳、黑色烟尘

2. 硅酸盐工业的一般特点是（）

①以含硅物质作为原料 ②主要产物是硅酸盐 ③反应条件是高温 ④反应原理是复杂的物理变化和化学变化

A. ①③ B. ②③ C. ①②③④ D. ③④

3. 下列关于金属保护的说法，正确的是（）

A. 在铁制品表面涂上搪瓷可以防腐，若搪瓷层破损后仍能起防止生锈的作用

B. 镀锌铁制品表面的锌层破损后仍能起到防止铁生锈的作用

C. 钢铁制造的暖气管外常涂有一层沥青，这是一种改变金属内部结构的方法

D. 轮船外壳水线以下常装有一些锌块，这是利用了牺牲阴极的阳极保护法

4. 最近研制的一种可降解塑料，代号为3HB，结构简式为[H—O—CH—C—OH][CH3] [n] [O]，具有良好的生物适应性，能在自然界中自行降解，下列说法中正确的是（）

A. 可降解塑料3HB，在自然界中通过水解反应降解为该聚合物的单体

B. 该聚合物的单体中含有的官能团仅有醛基

C. 1 mol该单体分别与钠、碳酸氢钠溶液完全反应时，消耗钠和碳酸氢钠的物质的量之比为1∶2

D. 由单体生成降解塑料3HB的反应为加聚反应

[铁矿（Fe2O3）][高温尾气

（CO2+H2O）][CH4][合成气（CO+H2）][合成其

他产品][Fe][还原

反应室][燃烧室][混合气（CH4+O2，其体积比为1∶2）][催化

反应室] 5. 竖炉冶铁工艺流程如图，使天然气产生部分氧化，并在特殊的燃烧器中使天然气燃烧：CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（g），催化反应室发生的反应为：CH4（g）+H2O（g）?CO（g）+3H2（g） [Δ]H1=+216 kJ·mol-1；CH4（g）+CO2（g）?2CO（g）+2H2（g） [Δ]H2=+260 kJ·mol-1（不考虑其他平衡），下列说法正确的是（）

A. 增大催化反应室的压强，甲烷的转化率增大

B. 催化室需维持在550～750℃，目的仅是提高CH4转化的速率

C. 设置燃烧室的主要目的是产生CO2和水蒸气作原料气与甲烷反应

D. 若催化反应室中，达到平衡时，容器中n（CH4）=a mol，n（CO）=b mol，n（H2）=c mol，则通入催化反应室的CH4的物质的量为[a+b+c4]

6. 下列说法中正确的是（）

A. 天然纤维就是纤维素

B. 合成纤维的主要原料是石油、天然气、煤和农副产品

C. 化学纤维的原料不能是天然纤维

D. 生产合成纤维的过程中发生的是物理变化

7. 下图表示某些化工生产的流程（有的反应条件和产物已略去）。

请回答下列问题：

（1）写出下列物质的名称：E ，H ，K ；