一种可控低温环境下抗弹实验装置

技术领域

本发明涉及冲击动力学技术领域，具体涉及一种可控低温环境下抗弹实验装置。

背景技术

抗弹实验作为装甲防护技术中的主要内容之一，近年来，国内外研究者对于弹体对防护材料的动态侵入，防护材料的动态断裂破坏及破碎进行了广泛而深入的研究。研究手段主要集中在抗弹实验研究，数值模拟以及弹靶侵彻的理论分析三个方面。其中，抗弹实验研究作为最重要且基础的内容受到国内外研究人员的广泛关注。

国内外在早期抗弹实验主要以外场实验为主，费用昂贵并且在侵彻过程中各种参数测量困难；近年来开展的抗弹实验研究主要以实验室实验为主，采用气炮为发射工具，并且多级气炮的应用使得气炮发射设施已经能满足各种类型抗弹实验的基本要求。目前国内外研究人员在抗弹实验中主要关注点为弹体形状、防护材料结构配置等方面。

然而，材料在低温及高温下的性能具有显著差异，特别是在低温环境下对于材料抗弹性能的研究非常有限，对于防护材料在低温环境冲击的断裂损伤模式，抗冲击机理研究尚不清晰。对于低温环境下的冲击研究主要集中在-173℃左右温度条件下对于轻质合金及复合材料的超高速冲击，由于受到实验装置的限制，对于防护材料在低温环境下枪械弹体速度范围内的冲击行为尚不清楚。

发明内容

本发明提供了一种可控低温环境下抗弹实验装置，该实验装置能够为靶板提供-20℃-90℃的可控低温环境，在可控低温环境下对装甲防护材料进行抗弹实验，方便研究防护材料在低温环境下枪械弹体速度范围内的冲击行为。

本发明采用以下具体技术方案：

一种可控低温环境下抗弹实验装置，该可控低温环境下抗弹实验装置包括靶座、夹具、冷却箱、温度传感器、液氮容器、温度控制器、输送泵以及输送管道；

所述靶座固定安装于弹道冲击实验装置上；

所述夹具固定安装于所述靶座，用于将靶板固定于所述靶座；

所述冷却箱固定安装于所述夹具，并在朝向所述夹具的端面与所述靶板之间紧密贴合；

所述冷却箱具有内部空腔和用于弹体穿过的弹道；

所述靶座和所述夹具均设置有与所述弹道相对的通孔；

所述温度传感器固定安装于所述冷却箱，用于测量内部空腔的温度；

所述输送管道连接于所述液氮容器与所述冷却箱之间；

所述输送泵安装于所述输送管道中，用于将所述液氮容器中的低温氮气通过所述输送管道输送至所述冷却箱的内部空腔中；

所述温度控制器与所述温度传感器和所述输送泵信号连接，用于根据所述温度传感器检测的内部空腔中温度控制所述输送泵，通过所述冷却箱使所述靶板的温度处于-20℃～-90℃；当内部空腔中温度等于预定温度时，所述温度控制器控制所述循环泵与电源断开。

更进一步地，还包括冷却箱架；

所述冷却箱架通过螺栓固定连接于所述夹具，用于将所述冷却箱固定安装于所述夹具与所述冷却箱架之间；

所述冷却箱架在与所述弹道相对的位置开设有穿孔。

更进一步地，所述冷却箱为边长40mm-60mm、壁厚5mm的正方体形箱体；

所述冷却箱架为半包围地套设于所述冷却箱外侧的帽型板。

更进一步地，所述夹具包括依次平行相接的固定板、连接板以及压紧板；

所述固定板、所述连接板以及所述压紧板均设置有通孔；

所述固定板将所述连接板固定连接于所述靶座；

所述压紧板通过螺栓固定连接于所述连接板；

所述冷却箱架通过螺栓固定连接于所述压紧板；

所述靶板夹紧于所述连接板与所述压紧板之间。

更进一步地，所述连接板在朝向所述压紧板的一侧表面设置有沿周向分布多个螺纹孔；

所述压紧板设置有与所述螺纹孔一一对应的安装孔；

所述压紧板通过贯穿所述安装孔且与螺纹孔螺纹连接的螺栓连接于所述连接板；

所述冷却箱架设置有多个固定孔，并通过依次贯穿所述固定孔和所述安装孔后与螺纹孔螺纹连接的螺栓连接于所述压紧板。

更进一步地，所述靶座和所述夹具的通孔均为方孔；

所述冷却箱的弹道和所述冷却箱架的穿孔均为圆孔。

更进一步地，所述方孔的边长为90mm-120mm；

所述圆孔的孔径为20mm-30mm。

更进一步地，所述靶座、所述夹具以及所述冷却箱架均采用45钢制成；

所述冷却箱的箱体采用铝合金板制成。

更进一步地，所述输送管道由外径10mm、壁厚2mm的铝合金管制成。

更进一步地，所述温度传感器为低温热电偶；

所述温度控制器为PID型温度控制器。

有益效果：

本发明的可控低温环境下抗弹实验装置能够为靶板提供-20℃-90℃的可控低温环境，实现在可控低温环境下进行抗弹实验；该抗弹实验装置通过夹具将靶板固定于靶座，通过输送泵和输送管道将液氮容器中的低温氮气输送至冷却箱的内部空腔中，利用温度传感器和温度控制器控制输送泵通断电实现低温氮气的输送控制，进入冷却箱内的低温氮气将冷却箱的温度降低，并通过冷却箱与靶板的接触实现靶板的降温；在冷却箱上设置有实验时用于弹体通过的弹道，弹体穿过弹道冲击靶板，完成靶板在-20℃-90℃可控低温环境下的抗弹实验，同时，在靶座和夹具上设置有与弹道相对的通孔，使得弹丸能够直接撞击靶板，并且避免了夹具和靶座对靶板变形的阻挡；通过低温氮气能够将靶板的最低温度调节到-90℃，并且通过控制输送至冷却箱内的低温氮气可以保持温度稳定可控，并为抗弹实验开辟了新的低温实验手段；因此，上述抗弹实验装置能够为靶板提供-20℃-90℃的可控低温环境，在可控低温环境下对装甲防护材料进行抗弹实验，方便研究防护材料在低温环境下枪械弹体速度范围内的冲击行为。

附图说明

图1为本发明可控低温环境下抗弹实验装置的立体结构示意图；

图2为图1中可控低温环境下抗弹实验装置的侧视图；

图3为图1中可控低温环境下抗弹实验装置的爆炸结构示意图；

图4为采用本发明可控低温环境下抗弹实验装置测得的靶板在不用温度下尖头弹冲击的弹道曲线；

图5为靶板在室温下经尖头弹冲击后的抗弹实验结果；

图6为靶板在-20℃下经尖头弹冲击后的抗弹实验结果；

图7为靶板在-60℃下经尖头弹冲击后的抗弹实验结果；

其中，1-靶座，2-夹具，3-冷却箱，4-靶板，5-温度传感器，6-输送管道，7-通孔，8-冷却箱架，9-螺栓，21-固定板，22-连接板，23-压紧板，31-弹道，81-穿孔，221-螺纹孔，231-安装孔

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2和图3结构所示，本实施例提供了一种可控低温环境下抗弹实验装置，该可控低温环境下抗弹实验装置包括靶座1、夹具2、冷却箱3、温度传感器5、液氮容器(图中未示出)、温度控制器(图中未示出)、输送泵(图中未示出)以及输送管道6；

靶座1固定安装于弹道冲击实验装置(图中未示出)上；如图2和图3所示，靶座1可以由水平的底板、竖直的立板和倾斜的肋板构成，立板固定连接于底板的顶面，肋板固定连接于立板和底板之间，加强靶座1的结构强度；靶座1中立板的宽度和高度均为170mm，厚度为10mm；

夹具2固定安装于靶座1，用于将靶板4固定于靶座1；如图2和图3所示，夹具2可以包括依次平行相接的固定板21、连接板22以及压紧板23；固定板21、连接板22以及压紧板23均为平板且竖直设置；固定板21、连接板22以及压紧板23均设置有通孔7，通孔7用于为靶板4的变形提供空间；固定板21将连接板22固定连接于靶座1；压紧板23通过螺栓9固定连接于连接板22；靶板4夹紧于连接板22与压紧板23之间；靶板4可以为边长130mm、厚度1.5mm的方形板；靶板可以采用304钢、黄铜、铝合金等任何可能采用的防护材料；

冷却箱3固定安装于夹具2，并在朝向夹具2的端面与靶板4之间紧密贴合；如图1和图2所示，为了固定冷却箱3，上述抗弹实验装置还可以包括冷却箱架8；冷却箱架8通过螺栓9固定连接于夹具2，用于将冷却箱3固定安装于夹具2与冷却箱架8之间；冷却箱架8在与弹道31相对的位置开设有穿孔81；并且夹具2包括依次平行相接的固定板21、连接板22以及压紧板23时，冷却箱架8通过螺栓9固定连接于压紧板23；冷却箱3可以为边长40mm-60mm、壁厚5mm的正方体形箱体；冷却箱3的箱体采用铝合金板制成，由于铝合金具有较好的导热效率，能够快速将冷量传递至靶板4；

冷却箱3具有内部空腔和用于弹体穿过的弹道31；内部空腔用于容置低温氮气等冷却介质，用于进行降温；弹道31用于穿设抗弹实验时发出的弹体，为了避免弹道31对弹体的运动产生影响且防止弹道31对冷却箱3的结构产生隐患，弹道31和冷却箱架8的穿孔81均采用圆孔，并且孔径大于弹体的最大直径，并且圆孔的孔径为20mm-30mm；

靶座1和夹具2均设置有与弹道31相对的通孔7；如图3所示，靶座1和夹具2的通孔7均为方孔，方孔大于圆孔，并且方孔的边长为90mm-120mm；

温度传感器5固定安装于冷却箱3，用于测量内部空腔的温度，并将检测的温度发送至温度控制器；温度传感器5可以为低温热电偶；

输送管道6连接于液氮容器与冷却箱3之间，用于将液氮容器与冷却箱3连通；输送管道6由外径10mm、壁厚2mm的铝合金管制成；

输送泵安装于输送管道6中，用于将液氮容器中的低温氮气通过输送管道6输送至冷却箱3的内部空腔中；低温氮气为温度低于-100℃的氮气；

温度控制器与温度传感器5和输送泵信号连接，用于根据温度传感器5检测的内部空腔中温度控制输送泵，通过冷却箱3使靶板4的温度处于-20℃～-90℃；当内部空腔中温度等于预定温度时，温度控制器控制循环泵与电源断开；温度控制器可以为PID型温度控制器；

靶座1、夹具2以及冷却箱架8均采用45钢制成。

一种具体的实施方式中，如图3所示，冷却箱架8为半包围地套设于冷却箱3外侧的帽型板；连接板22在朝向压紧板23的一侧表面设置有沿周向分布多个螺纹孔221；压紧板23设置有与螺纹孔221一一对应的安装孔231；压紧板23通过贯穿安装孔231且与螺纹孔221螺纹连接的螺栓9连接于连接板22；冷却箱架8设置有多个固定孔，并通过依次贯穿固定孔和安装孔231后与螺纹孔221螺纹连接的螺栓9连接于压紧板23。

上述可控低温环境下抗弹实验装置能够为靶板4提供-20℃-90℃的可控低温环境，实现在可控低温环境下进行抗弹实验；该抗弹实验装置通过夹具2将靶板4固定于靶座1，通过输送泵和输送管道6将液氮容器中的低温氮气输送至冷却箱3的内部空腔中，利用温度传感器5和温度控制器控制输送泵通断电实现低温氮气的输送控制，进入冷却箱3内的低温氮气将冷却箱3的温度降低，并通过冷却箱3与靶板4的接触实现靶板4的降温；在冷却箱3上设置有实验时用于弹体通过的弹道31，弹体穿过弹道31冲击靶板4，完成靶板4在-20℃-90℃可控低温环境下的抗弹实验，同时，在靶座1和夹具2上设置有与弹道31相对的通孔7，使得弹丸能够直接撞击靶板4，并且避免了夹具2和靶座1对靶板4变形的阻挡；通过低温氮气能够将靶板4的最低温度调节到-90℃，并且通过控制输送至冷却箱3内的低温氮气可以保持温度稳定可控，并为抗弹实验开辟了新的低温实验手段；因此，上述抗弹实验装置能够为靶板4提供-20℃-90℃的可控低温环境，在可控低温环境下对装甲防护材料进行抗弹实验，方便研究防护材料在低温环境下枪械弹体速度范围内的冲击行为。

以304钢板作为靶板4进行抗弹实验，采用上述可控低温环境下抗弹实验装置的实验步骤为：

步骤一：检查冷却箱3、输送管道6、液氮罐之间的连接，避免发生漏气；

步骤二：将靶座1固定在弹道冲击实验装置上，通过夹具2将靶板4固定在靶座1上，并沿夹具2四周的螺纹孔221将靶板4固定，保持其在抗弹实验过程中不发生滑动；同时，用冷却箱架8将冷却箱3固定在靶座1上，使其与靶板4紧密接触，以保证良好的温度传输；

步骤三：通过输送泵向冷却箱3中输送低温氮气，采用温度传感器5测量冷却箱3中温度，当冷却箱3中温度达到目标温度后，封闭冷却箱3进行保温；保温20分钟后，靶板4温度与冷却箱3中温度达到平衡，开始进行抗弹实验；

步骤四：保温完成后采用尖头弹冲击靶板4，冲击完成后拆卸并取出冷却箱3，待靶板4恢复至室温，拆卸夹具2取出靶板4及弹体。

采用上述可控低温环境下抗弹实验装置和方法对304钢的靶板4进行尖头弹冲击得到的弹道曲线如图4所示，通过实验结果发现，降低靶板4的初始温度会使靶板4的弹道极限(发生穿孔的临界状态)提升，尖头弹体的弹道极限约为96m/s(20℃)和103m/s(-20℃与-60℃)。采用Recht-Ipson公式得到的弹道曲线表明，与室温条件下相比，在-20℃和-60℃的低温条件下，弹道曲线右移，弹道曲线的趋势下降。随着温度的降低尖头弹在两种低温环境下的剩余速度接近，弹道曲线几乎重合，靶板4在低温下的塑性变形较小，吸能能力明显高于室温。

在室温及低温条件下，304钢的靶板4经历尖头弹冲击后，靶板4的失效模式均为花瓣形穿孔，如图5、图6和图7所示。在20℃的室温条件下，靶板4的破坏花瓣数量为3个，花瓣形状近似为正三角形，断口表面略微粗糙，在较大的花瓣上存在二次裂纹，如图5所示。随着温度降低至-20℃，花瓣的平均数量提升至4个，花瓣的形状变得不规则，如图6所示。在室温20℃及低温-20℃条件下，没有发现断裂碎片的产生。在-60℃低温环境下，花瓣边缘变得崎岖不平出现小裂纹，边缘变得更加粗糙，并且开始出现断裂碎片，如图7所示。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。