一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的试验装置及方法
【专利摘要】一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的试验装置及方法，本发明涉及获得撞击坑试样的装置及方法。本发明是为了解决现有获得撞击坑的高速撞击试验存在试验成本高和周期长的问题。本发明装置包括立板一(1)、试样(2)及立板二(3)。本发明方法步骤为：一、设计所述装置并设定入射弹丸撞击速度；二、根据所述装置和入射弹丸撞击速度进行高速撞击过程模拟，确定试验参数；三、依据确定的试验参数设计试样(2)的尺寸和排布后，固定立板一(1)、立板二(3)及试样(2)并进行高速撞击试验，使试样(2)表面获得不同尺寸和不同分布的撞击坑。本发明应用于获得撞击坑试验领域。
【专利说明】
一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的试验装置及 方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及获得撞击坑试样的试验装置及方法。
【背景技术】
[0002] 空间碎片是宇宙空间中除正常工作的航天器外的所有人造物体，包括正常工作时 遗弃在空间的废弃物、意外解体碎片、航天器表面剥落漆片、固体火箭喷射物等，这些碎片 与航天器的平均相对撞击速度为l〇km/s，主要分布在2000km以下的低地球轨道区，严重威 胁着近地空间航天器在轨的安全运行。因此，在地面上利用高速发射设备模拟空间碎片的 撞击过程，研究空间碎片对航天器材料、元器件、构件、防护材料和结构的影响具有重要意 义。
[0003] 现代战争大量的战场统计结果表明，战士伤亡的70~80%是由战场爆炸物破片所 致，只有20~30%的伤亡来自枪弹。评价防弹材料、组件和制品的防弹性能和可靠性时，不 仅要研究枪弹的直接威胁，更应重视爆炸物破片所造成的大面积损伤。
[0004] 高速撞击产生的机械损伤主要是撞击坑、穿孔和后表面层裂。其中，撞击坑的尺寸 和分布对材料、元器件和制品性能的影响是航天领域和军事装备领域进行高速撞击试验研 究的重点和热点。目前的高速发射设备发射成本较高，而且每次只能发射一个弹丸，在不发 生撞空、穿孔和后表面层裂的前提下，只能在试样表面产生一个撞击坑。
[0005] 因此，需要设计一种高速撞击试验方法，使高速发射设备发射一次即在试样表面 获得大量的不同尺寸和分布的撞击坑。
【发明内容】
[0006] 本发明是为了解决现有获得撞击坑试样的高速撞击试验存在试验成本高和周期 长的问题，而提出的一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的试验装置及方法。
[0007] -次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的试验装置，所述装置包括立板 一、试样及立板二；
[0008] 立板一的一侧朝向入射弹丸，另一侧设置立板二，在立板二朝向立板一的一面安 装有试样，立板一与立板二相对平行设置。
[0009] -种基于一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的试验装置的方法按以 下步骤实现：
[0010] 步骤一:设计一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的试验装置并设定入 射弹丸撞击速度；
[0011]步骤二:根据步骤一所述装置和入射弹丸撞击速度进行高速撞击过程模拟，确定 试验参数；
[0012]步骤三:依据步骤二确定的试验参数设计试样的尺寸和排布后，固定立板一、立板 二及试样并进行高速撞击试验，使试样表面获得不同尺寸和不同分布的撞击坑。
[0013] 发明效果：
[0014] 本发明的试验方法，具有高速撞击目标精准、试验时间短等特点，满足一次性获得 不同尺寸和分布撞击坑试样的需要，显著降低能耗和试验成本。利用本方法完成各种试样 高速撞击试验，能够大幅缩短试验周期，降低试验费用。试验周期和试验费用可减少至目前 的2 %。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明装置图，图中1为立板一，2为试样，3为立板二；图中V为入射弹丸撞击 速度；
[0016] 图2为表1中方案04的高速撞击模拟结果图；
[0017]图3为表1中方案06的高速撞击模拟结果图；
[0018] 图4为表1中方案03的高速撞击模拟结果图；
[0019] 图5为表1中方案08的高速撞击模拟结果图；
[0020] 图6为实施例1和实施例2高速撞击试验试样排布实物图；
[0021 ]图7为实施例1试样撞击坑尺寸和分布情况实物图；
[0022]图8为实施例2试样撞击坑尺寸和分布情况实物图。
【具体实施方式】
[0023]【具体实施方式】一:一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的试验装置，所 述装置包括立板一 1、试样2及立板二3;
[0024]立板一 1的一侧朝向入射弹丸，另一侧设置立板二3，在立板二3朝向立板一 1的一 面安装试样2,立板一 1与立板二3相对平行设置。
[0025]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:所述立板一 1(优先)采 用合金板，立板二3与试样2具有相同数量级的动刚度。
[0026]立板二3起固定试样作用，同时保证试样2成坑过程完整，其动刚度应与试样2动刚 度接近。
【具体实施方式】 [0027] 三:本实施方式与一或二不同的是:所述试样2为1~ 50个。
[0028] 试样2为单个或多个，多个试样2的形状和尺寸可相同或不同，试样2的形状可以是 板状也可以是其他形状。
【具体实施方式】 [0029] 四：一种基于一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的试验 装置的方法按以下步骤实施：
[0030] 步骤一:设计一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的试验装置并设定入 射弹丸撞击速度；
[0031] 步骤二:根据步骤一所述装置和入射弹丸撞击速度进行高速撞击过程模拟，确定 试验参数；
[0032] 步骤三:依据步骤二确定的试验参数设计试样2的尺寸和排布后，固定立板一 1、立 板二3及试样2并进行高速撞击试验，使试样2表面获得不同尺寸和不同分布的撞击坑。 [0033]本发明方法是入射弹丸高速撞击立板一 1造成穿孔，产生碎片云，碎片云撞击固定 在立板二3上的试样2,使试样2表面获得大量的不同尺寸和分布的撞击坑。
[0034]本发明依据所设计的撞击试验装置和设定的入射弹丸撞击速度拟定撞击方案，进 行高速撞击过程的数值模拟，并对模拟结果中的损伤情况进行分析，对比不同数值模拟结 果选择高速撞击试验的最佳参数，确定试验参数，并设计试样的尺寸及排布。
[0035]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】四不同的是:所述步骤一中设计一 次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的试验装置和入射弹丸撞击速度具体为： [0036] 所述装置包括立板一1、试样2及立板二3,入射弹丸撞击立板一1后产生碎片云，碎 片云撞击固定在立板二3上的试样2。
[0037] 所述入射弹丸撞击速度为1-lOkm/s。
【具体实施方式】 [0038] 六:本实施方式与四或五不同的是:所述步骤二中进 行高速撞击过程模拟具体为:采用有限元方法进行高速撞击过程模拟。
[0039] 高速撞击过程是动态加载过程，采用有限元方法进行高速撞击过程的数值模拟效 果较好。模拟过程中要保证立板一 1发生穿孔产生碎片云，导致试样2产生一定范围的撞击 坑，但应避免试样2出现穿孔和后表面层裂。
【具体实施方式】 [0040] 七:本实施方式与四至六之一不同的是:所述进行高 速撞击过程模拟时立板一 1发生穿孔。
【具体实施方式】 [0041] 八:本实施方式与四至七之一不同的是:所述进行高 速撞击过程模拟时不出现试样2穿孔和后表面层裂。
【具体实施方式】 [0042] 九:本实施方式与四至八之一不同的是:所述步骤二 和步骤三中试验参数具体为:入射弹丸材料、直径和撞击速度，立板一 1材料和厚度，立板一 1与立板二3的间距以及试样2厚度。
[0043] 实施例一：
[0044] 采用本发明的一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的试验装置及方法 对2A12合金试样进行高速撞击试验研究，按以下步骤进行：
[0045] -、设计如图1所示装置，选择的入射弹丸材料是2017铝合金，立板一材料为2A12 错合金。
[0046]二、依据所设计的撞击试验装置和设定的高速撞击速度，利用Ansys AutoDYN软件 对10组撞击方案(如表1所示)进行高速撞击过程的数值模拟，并对模拟结果中的损伤情况 进行分析，对比不同组别数值模拟结果选择高速撞击试验的最佳参数，确定试验参数，并设 计2A12合金试样的尺寸及排布。
[0047]表1不同高速撞击试验参数的数值模拟方案
[0049] 表1中方案04的高速撞击模拟结果如图2所示，表明试样表面获得不同尺寸和不同 分布的撞击坑;表1中方案06的高速撞击模拟结果如图3所示，表明与方案04相比，撞击速度 较高的入射弹丸破碎较充分，试样表面形成的撞击坑分散范围较大，撞击坑的深度和分布 较均匀;表1中方案03的高速撞击模拟结果如图4所示，表明试样出现穿孔;表1中方案08的 高速撞击模拟结果如图5所示，表明试样出现后表面层裂。
[0050] 本实施例高速撞击试验的试样排布如图6所示。
[0051] 三、依据试验参数固定立板一、立板二及试样并利用二级轻气炮进行高速撞击试 验，使2A12合金试样表面获得不同尺寸和分布的撞击坑，对撞击后试样上不同尺寸及分布 的撞击坑进行统计和测量，分析撞击坑尺寸及分布对2A12合金试样相组成、微观结构、力学 性能和拉伸断裂行为的影响。
[0052]本实施例试样撞击坑尺寸和分布情况如图7所示。
[0053] 本实施例所获2A12合金试样撞击坑尺寸和分布情况是二级轻气炮发射一次且发 射一个弹丸获得的，试样未出现穿孔和后表面层裂。
[0054] 实施例二：
[0055] 采用本发明的一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的试验装置及方法 对7A09合金试样进行高速撞击试验研究，按以下步骤进行：
[0056] 一、设计如图1所示试验装置，选择的入射弹丸材料是2017铝合金，立板一材料为 2A12铝合金。
[0057]二、依据所设计的撞击试验装置和设定的高速撞击速度，利用Ansys AutoDYN软件 对10组撞击方案(如表1所示)进行高速撞击过程的数值模拟，并对模拟结果中的损伤情况 进行分析，对比不同组别数值模拟结果选择高速撞击试验的最佳参数，确定试验参数，并设 计7A09合金试样的尺寸及排布。
[0058] 本实施例高速撞击试验的试样排布如图6所不。
[0059] 三、依据试验参数固定立板一、立板二及试样并利用二级轻气炮进行高速撞击试 验，使7A09合金试样表面获得不同尺寸和分布的撞击坑，对撞击后试样上不同尺寸及分布 的撞击坑进行统计和测量，分析撞击坑尺寸及分布对7A09合金试样相组成、微观结构、力学 性能和拉伸断裂行为的影响。
[0060]本实施例试样撞击坑尺寸和分布情况如图8所示。
[0061 ]本实施例所获7A09合金试样撞击坑尺寸和分布情况是二级轻气炮发射一次且发 射一个弹丸获得的，试样未出现穿孔和后表面层裂。
【主权项】
1. 一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的试验装置，其特征在于所述装置包 括立板一（1)、试样(2)及立板二(3); 立板一（1)的一侧朝向入射弹丸，另一侧设置立板二（3)，在立板二(3)朝向立板一（1) 的一面安装有至少一个试样(2)，立板一（1)与立板二(3)相对平行设置。2. 根据权利要求1所述的一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的试验装置， 其特征在于所述立板一 (1)采用合金板，立板二(3)与试样(2)具有相同数量级的动刚度。3. 根据权利要求2所述的一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的试验装置， 其特征在于所述试样(2)为1~50个。4. 一种基于权利要求1所述试验装置的一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样 的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤： 步骤一:设计一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的试验装置并设定入射弹 丸撞击速度； 步骤二:根据步骤一所述装置和入射弹丸撞击速度进行高速撞击过程模拟，确定试验 参数； 步骤三:依据步骤二确定的试验参数设计试样(2)的尺寸和排布后，固定立板一（1)、立 板二(3)及试样(2)并进行高速撞击试验，使试样(2)表面获得不同尺寸和不同分布的撞击 坑。5. 根据权利要求4所述的一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的方法，其特 征在于所述步骤一中设计一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的装置和入射弹 丸撞击速度具体为： 所述装置包括立板一（1)、试样（2)及立板二（3)，入射弹丸撞击立板一（1)后产生碎片 云，碎片云撞击固定在立板二(3)上的试样(2); 所述入射弹丸的撞击速度为l-l〇km/s。6. 根据权利要求5所述的一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的方法，其特 征在于所述步骤二中进行高速撞击过程模拟具体为:采用有限元方法进行高速撞击过程模 拟。7. 根据权利要求6所述的一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的方法，其特 征在于所述进行高速撞击过程模拟时立板一(1)发生穿孔。8. 根据权利要求7所述的一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的方法，其特 征在于所述进行高速撞击过程模拟时不出现试样(2)穿孔和后表面层裂。9. 根据权利要求8所述的一次性获得不同尺寸和不同分布的撞击坑试样的方法，其特 征在于所述步骤二和步骤三中试验参数具体为:入射弹丸材料、直径和撞击速度，立板一 (1)材料和厚度，立板一（1)与立板二(3)的间距以及试样(2)厚度。
【文档编号】G01N1/28GK105890948SQ201610213237
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月7日
【发明人】覃耀春, 何世禹, 常云琪
【申请人】哈尔滨工业大学