温度对减载组件减载性能影响

李 俊，蒋滨安，张志远，刘 闯

(1.陆军炮兵防空兵学院 高过载弹药制导控制与信息感知实验室，安徽 合肥 230031；2.陆军炮兵防空兵学院 兵器工程系，安徽 合肥 230031)

高过载新型弹药设计中一大难点是弹载器件抗高过载设计，为克服高过载环境对抗过载能力弱的弹载光电器件可靠使用的影响，通常是利用加装橡胶类减载组件缓冲吸能作用，达到保护弹载器件的目的[1-5]。考虑炮兵作战使用时外界环境的影响，尤其是我国东北寒区在冬季易出现-20℃以下的天气情况，此时橡胶类减载组件力学性能会发生改变[6-7]，导致其减载效果变差。为此，笔者采用分离式霍普金森压杆(以下简称SHPB)装置、高低温箱和高速摄像机，对不同温度环境下弹载器件在高速冲击条件下的力学响应进行测试，建立含有温度影响的本构模型，得到经减载组件作用后弹载器件上的应力和应变，并对比不同温度时理论模型计算结果和实验测试结果，为研究温度对减载组件减载性能影响提供理论研究和方法参考。

1 冲击实验

1.1 冲击实验设计

测试所用弹载器件是某型特种弹所用的光学镜头，减载组件由多片圆形空心橡胶垫叠合组成。加装圆形减载组件的光学镜头实验状态如图1所示，图中相邻橡胶垫涂上不同颜色以作区分，测试附件的外部壳体开槽并在槽体外部标注刻度。在利用SHPB装置进行冲击实验过程中，将减载组件形变过程使用高速摄影机拍摄下来，利用专业软件对拍摄视频逐帧回放，记录不同时刻减载组件形变情况，并描绘出其相对位移量随时间变化曲线[8]。为了测试低温环境下减载组件的减载性能，将测试件放入温度为-40℃的低温箱中12 h，取出后立即进行SHPB冲击实验。

2.2 实验结果分析

利用SHPB装置进行冲击实验后，经数据处理得到输入应力和输出应力，同时利用高速摄影机记录的形变情况得到减载组件相对位移量。具体的测量结果及最终镜头完好性情况如表1所示。

表1 测量结果及镜头完好性情况

从表1可以看出，随着试件温度的逐步回升，减载组件压缩量逐渐增大，作用于镜头的应力逐渐减小。通过观察外观、测试电阻发现，输入应力为160 MPa左右，当温度低于-30.4℃时，镜头达到破坏极限，而当温度高于-20.3℃时，减载组件减载效果明显提高。

2 动力学模型建立与求解

2.1 动力学模型建立

高过载环境下橡胶这一减载组件呈现出粘弹性特性，在应力波和应变率耦合的情况下，粘弹性材料力学特性是非线性的，同时整个SHPB冲击实验可以视为绝热过程。为了分析研究温度变化对减载组件性能影响，除了建立连续方程、运动方程和ZWT非线性粘弹性本构方程[9]外，还需采用应力波波阵面前后能量守恒[10]来一同描述粘弹性材料在高过载环境下的动力学过程。具体如下：

1)连续方程

(1)

2)运动方程

(2)

3)本构方程

(3)

4)绝热方程

(4)

式中：v为质点速度；ε为应变；ρ0为材料密度；σ为应力；θ2为松弛时间，θ2=η2/E2，η2为粘性常数，E2为弹性模量；σe=E0ε+αε2+βε3，E0为弹性模量，α、β为非线性相关度；E1为弹性模量；e为单位质量的减载组件的内能，e=CeT，Ce为减载组件的比热，T为环境温度；E1、E2、E0、α、β和θ2为材料自身属性参数，都是含有温度的函数。

2.2 基于特征线法的理论求解

根据所研究的弹载器件及其减载组件实际结构，可以简化为图2所示的理论模型[11]，A、B、C分别表示固定基座、减载组件和弹载器件，外载σ0为恒值载荷，弹载器件C的组成材料主要是玻璃和硬化塑料，不具备大变形能力，可视为刚体，其应力值等于减载组件B的右端应力值。

利用应力波沿着一维粘弹性传播时沿着特征线不变的特性，将整个计算平面离散成若干个计算区域，区域编号分别为0、11、12、13、…、ij.模型求解过程：首先将动力学方程转化为相容方程，再运用差分方法构建有限差分格式。有限差分格式如下：

(5)

通过式(5)确定了质点速度v、应力σ、应变ε和温度T之间的相容关系，边界条件如式(6)给出，只要确定初值条件和边界条件，通过求解式(5)即可获得不同温度T对减载组件性能影响。

(6)

式中：σ为输出应力；σ0为输入应力；ρB、CB、SB分别为试件的密度、弹性波速、横截面积；M为试件质量；t为冲击时间；t0为冲击初始时刻。

3 结果分析

理论计算是以冲击实验得到的输入应力、输出应力为依据，通过最小二乘法进行参数辨识[8]，可得到10组不同温度下的含橡胶减载组件、铝质冲击壳体、玻璃镜头等在内的整个冲击试件结构材料参数。为了分析温度对减载组件减载性能的影响，将辨识得到的减载组件力学性能参数E1、E2、E0、α、β和θ2随温度变化情况拟合成如图3～8所示的曲线。

再将参数带入方程中，利用特征线法求解非线性动力学方程，得到作用于弹载器件的输出应力和相对位移，理论计算结果和实验测试结果对比如表2所示。从表2中可以看出，理论计算得到的输出应力、相对位移与冲击实验所测结果一致性较好，其中误差基本在5%以内，说明所建立的理论计算模型正确。

表2 理论计算结果和实验测试结果对比

通过对比表2中不同温度环境下输出应力，可以看出，随着环境温度降低，作用在弹载器件上的应力会明显增大，这主要是由于减载组件材料参数随温度变化而导致的。材料参数中，E1、E2、E0为应变的一阶弹性系数项，α、β为应变的高阶弹性系数项，θ2为表征材料动力学响应快慢的粘性系数项。通过图3～8可以发现，θ2和β随温度变化明显，而E1、E2、E0、α随温度变化不明显。由于β为应变的高阶弹性系数，对输出应力的影响因子较小，可以忽略；而θ2随温度降低而变小，这表明材料的动力学响应时间随温度降低而变快。同时，减载组件与镜头组成的试件在低温情况下密度变化不大，但具备较高的温度敏感性和应变率敏感性，在-30 ℃左右力学性能变化较为剧烈。由此可知，温度变化对波阻抗大的减载组件材料影响较小，而对波阻抗小的减载组件材料影响较大。

4 结论

考虑作战使用时外界温度环境的因素，采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置、高低温箱和高速摄像机，对不同温度环境下弹载器件在高速冲击条件下的力学响应进行了测试，建立了含有温度影响的本构模型，得到了经减载组件作用后弹载器件上的输出应力和应变，理论计算结果与冲击实验测试结果具有较好的一致性，验证了理论计算模型的正确性，为研究温度对减载组件减载性能影响提供了理论研究和方法参考。

通过实验测试结果和理论计算结果可知，随着环境温度降低，作用在弹载器件上的应力会明显增大，输入应力为160 MPa左右，在温度低于-30.4 ℃时，达到弹载器件的破坏极限，而当温度高于-20.3 ℃时，减载组件减载效果明显提高；同时，减载材料具备较高的温度敏感性和应变率敏感性，而且温度变化对波阻抗大的减载组件材料影响较小，而对波阻抗小的减载组件材料影响较大。因此，在弹载器件的抗过载设计中，考虑到环境温度的影响，应尽量选取偏弹性的材料作为减载组件材料。