一种渐变密度药柱压制装置及其设计方法

技术领域

本发明属于爆破器材和火工品领域，具体涉及一种渐变密度药柱压制装置及其设计方法。

背景技术

侵彻战斗部在攻击目标的过程中，其内部装药承受较强的冲击载荷，装药只有在预定深度爆炸，才能实现对目标最大程度的毁伤，因此，装药安定性是决定侵彻战斗部是否有效的关键因素，而影响侵彻战斗部安定性的重要因素之一就是装药质量。

目前在军用弹体中，压装炸药主要是通过上、下冲头对炸药药粉的轴向压制来获得的。这种方法的优点是装药致密度较好，弹性模量高，同时压药模具的设计较为简单，可以依靠经验进行设计，缺点是当弹体发生较大变形时，药柱受到壳体的拉伸压缩应力作用，而单一模量的药柱难以对使用过程中受到的高应力作用起到缓冲，易形成裂纹产生热点，甚至导致药柱早炸，带来安全隐患。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种渐变密度药柱压制装置及其设计方法，解决现有技术的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种渐变密度药柱压制装置，包括冲头、导向筒、模筒与底座，导向筒套设在模筒的一端，冲头可滑动的设于导向筒内并能够伸入模筒中，底座套设于模筒的另一端，底座、模筒与导向筒形成一制药空腔，制药空腔内放置药粉，

冲头的外径小于模筒的内径，d为冲头的外径，L为模筒内径与冲头外径差值的1/2，L与d满足以下关系：

其中，k为炸药装药在侵彻过程中受到的最小压缩载荷ρ

优选地，所述渐变密度药柱压制装置还包括：

垫块，设于模筒远离冲头的一侧，垫块由两个半弧板围合组成，底座设于垫块内。

优选地，所述冲头、导向筒、模筒、底座及垫块的中心线同轴设置。

优选地，所述导向筒、模筒与垫块外壁均设置水平设置定位插销。

一种渐变密度药柱压制装置的设计方法，该设计方法包括：

步骤1，确定装药密度对装药撞击安全性的影响

对选定的炸药进行力学性能与密度关系试验，对不同密度的装药进行大落锤应力加载，得到装药应力应变曲线，根据应力应变曲线计算得到炸药弹性模量E等动态力学性能参量；

步骤2：确定渐变密度药柱设计需求

利用LS-Dyna软件，采用步骤1获取的动态力学性能参量，建立战斗部侵彻目标靶板的仿真模型，并计算炸药装药在侵彻过程中受到的最大压缩载荷和最大拉伸载荷，确定渐变密度药柱的最大理论设计密度ρ

步骤3：确定模筒(4)与导向筒(2)配合关系

根据药粉在模筒(4)中所处的位置，基于冲头(1)与模筒(4)的尺寸配合关系，将药粉分为Q1区域与Q2区域，计算装药药粉分别在Q1区域与Q2区域的受力情况，并根据药粉密度分布与受力情况之间的规律，设计模筒(4)与导向筒(2)配合关系，并建立渐进式密度药柱压制系统；

当冲头(2)以力F对药粉施加压力时，Q1区域药粉受到F作用力产生径向膨胀变形，假设Q2区域受力保持平衡且大小不变，根据药柱泊松比ν＝0.5可得Q2区域内侧药粉受到Q1区域药粉膨胀产生的应力大小为：

其中，S

由于Q2区域为圆环分布，因此Q2区域外侧受到模筒施加的径向压缩力应与内侧受到Q2区域的压缩力相等，则Q2区域外侧的应力大小σ

σ

其中Q2区域药粉内侧受力面积S

药柱密度与药粉所受应力呈线性关系，即有

步骤二中所得的最大理论设计密度ρ

根据战斗部壳体设计有

L+d＝D

其中，D为根据战斗部壳体设计确定的药柱直径。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)本发明的渐变密度药柱压制装置及其设计方法，采用冲头底部直径小于药柱压制直径的方式，合理控制药柱边缘密度，克服现有装药边缘弹性模量高易产生裂纹的问题，有效降低药柱边缘弹性模量，受到冲击应力时能够有降低应力峰值，可以适应壳体大程度变形，有效提高了装药安定性，同时药柱中部密度较高，能够保证毁伤威力，可以通过调整药粉质量及压药密度调控药柱边缘密度；同时可以减少药柱加工的程序，生产效率、生产安全性大幅提高，装药点火时应力和应力持续时间共同作用的结果，当药柱密度较低时，其弹性模量较小，在受到冲击载荷时药柱首先被压实，导致应力峰值变小、应力上升时间延长，进而降低了应力率，降低了装药提前点火的风险。因此采用渐变密度装药可以提高装药抗冲击的能力，增强药柱对壳体变形的适应性。

附图说明

图1是本发明的渐变密度药柱压制装置的结构示意图；

图2是本发明的渐变密度药柱压制装置的分析图；

图3是本发明的是PBX炸药不同密度下的冲击应力曲线图。

图中各个标号的含义为：

1-冲头，2-导向筒，3-渐进式密度药柱，4-模筒，5-底座，6-垫块，7-定位插销。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

本文中所提及到的方向性术语，如“周向”、“内径”、“外径”均与说明书附图中纸面上的具体方向或附图中所示空间的相应方向一致。

实施例：

一种渐变密度药柱压制装置，如图1所示，包括冲头1、导向筒2、模筒4与底座5，导向筒2套设在模筒4的一端，冲头1可滑动的设于导向筒2内并能够伸入模筒4中，底座5套设于模筒4的另一端，底座5、模筒4与导向筒2形成一制药空间，制药空间内放置药粉，其特征在于，

冲头1的外径小于模筒4的内径，d为冲头1的外径，L为模筒4内径与冲头1外径差值的1/2，L与d满足以下关系：

本实施例的渐变密度药柱压制装置及其设计方法，采用冲头底部直径小于药柱压制直径的方式，合理控制药柱边缘密度，克服现有装药边缘弹性模量低易产生裂纹的问题，有效降低药柱边缘弹性模量，受到冲击应力时能够有降低应力峰值，可以适应壳体大程度变形，有效提高了装药安定性，同时药柱中部密度较高，能够保证毁伤威力，可以通过调整药粉质量及压药密度调控药柱边缘密度；同时可以减少药柱加工的程序，生产效率、生产安全性大幅提高。

本实施例的导向筒2与冲头1间隙配合，通过改变配合关系，调整成型药柱的密度分布，形成了一种边缘密度低、中间密度高的渐变密度药柱，使得在承受冲击应力时，边缘低密度药柱对应力起到缓冲作用，避免出现裂纹进而引起药柱的提前点火甚至早炸。

作为本实施例的一种优选方案，所述渐变密度药柱压制装置还包括：

垫块6，设于模筒4远离冲头1的一侧，垫块6由两个半弧板围合组成，底座5设于垫块6内。

其中，设置垫块6的目的是为了在药柱压制结束后，将垫块6与模筒4分离，便于渐进式密度药柱3从模筒4内脱模。

作为本实施例的一种优选方案，所述冲头1、导向筒2、模筒4、底座5及垫块6的中心线同轴设置，能够装置的整体稳定性，进一步提升压制的渐进式密度药柱3安全性。

作为本实施例的一种优选方案，所述导向筒2、模筒4与垫块6外壁均设置定位插销7，方便组装，并有利于行吊等工具的使用。

实施例2：

一种实施例1所述药柱压制装置的设计方法，本实施例的炸药类型为PBX，如图1-3所示，该设计方法包括：

步骤1：确定PBX炸药装药密度对装药撞击安全性的影响

对PBX炸药进行力学性能与密度关系试验，对不同密度装药进行大落锤应力加载，得到装药的应力应变曲线，并计算得到弹性模量E等动态力学性能参量。

如图3所示，为本实施例的PBX炸药不同密度下的冲击应力曲线图；

根据应力应变关系计算得到：

ρ

ρ

σ

σ

步骤2：确定渐变密度药柱设计需求

利用商业软件LS-Dyna，采用步骤一获取的力学性能参量，建立战斗部侵彻目标靶板的仿真模型，并计算炸药装药在侵彻过程中受到的最大压缩载荷和最大拉伸载荷，确定渐变密度药柱的最大理论设计密度1.84g/cm

步骤3：模筒(4)与导向筒(2)配合关系计算

根据药粉在模具中所处的位置，基于冲头与模筒的尺寸配合关系，将受压药粉分为Q1、Q2两部分，通过分析Q1、Q2两种区域密度分布与模筒导向筒配合关系之间的规律，得到

将步骤二中所得的最大理论设计密度ρ

本实施例的压制装置的使用过程：

将实施例的药柱压制装置除冲头1外按照从下往上的方式装配，并于装配后在模筒4内部涂抹石墨粉或滑石粉，避免退模时药柱与模筒粘结造成药柱表面出现缺陷，计算所需药量，缓慢倒入模筒4中；

将冲头1设于导向筒2内并以缓慢的速度下压，直至冲头1底面低于模筒4 2-4mm，防止药柱泄压后回弹，冲头2正下方药粉受到垂直压应力，形成较高密度药柱，而贴近模筒4侧壁的药粉主要受到侧向挤压，形成较低密度药柱。冲头2压制到位后保压15分钟后缓慢泄压。

关于药柱侧向密度的调整，可以采用以下方式：

计算所需药量后并放入制药空腔后，将冲头2加压至低于模筒1～2mm后保压取出药柱。