Экспериментальное и численное исследование механизма передачи ударной нагрузки на интерфейсе

Почему удар внутри снаряда имеет значение

Когда закалённая бомба врезается в бетон или скалу, насилие проявляется не только на поверхности. Мощные ударные волны распространяются по металлической оболочке снаряда и его внутренним компонентам, включая небольшой, но критически важный взрыватель, который определяет момент подрыва. Если эти внутренние удары неверно интерпретировать, взрыватель может сработать слишком рано, слишком поздно или вовсе не сработать. В работе изучается, как ударные силы проходят через стыки между частями снаряда, и показано, как инженеры могут точнее прогнозировать эти скрытые нагрузки, помогая сделать современные бронепробивные боеприпасы одновременно более эффективными и более надёжными.

Скрытые пути удара

По мере того как скорость снарядов возросла, а цели стали сложнее, силы при проникновении стали интенсивнее и более сложными по структуре. Кратковременный, но мощный шок в первый момент удара сменяется серьёзными инерционными силами по мере замедления снаряда внутри цели. Эти силы содержат широкий спектр частот и не проходят через металл простым линейным образом. Вместо этого они отражаются, рассеиваются и частично поглощаются на каждом механическом стыке — таких как резьбовые соединения, фланцы и болты — между корпусом снаряда и блоком взрывателя. Соединение далеко от идеальной жёсткости, а его микроскопическая шероховатость и различия материалов могут существенно изменить форму ударного сигнала, который в итоге достигает чувствительных компонентов, например акселерометров.

Исследование сил контролируемыми ударами молотка

Чтобы увидеть, как эти внутренние силы действительно ведут себя, исследователи собрали уменьшенную модель снаряда, состоящую из носовой части, средней секции и основания, соединённых болтами так, чтобы получить два ключевых интерфейса. С помощью специализированного ударного молотка и системы сбора данных они наносили удары по передней части модели, а тензометрические датчики в нескольких точках регистрировали временную историю напряжений. Повторяя испытание три раза с постепенно увеличивающейся силой удара, они наблюдали, как волны напряжения пересекают каждый интерфейс. Пиковое напряжение на каждом датчике росло примерно пропорционально входной силе, что указывает на равномерное поведение системы, но амплитуда напряжения явно уменьшалась при прохождении через резьбовые соединения. Любопытно, что крутизна или длительность первого основного импульса напряжения изменялась весьма незначительно при переходе от одного участка к другому, что свидетельствует о том, что интерфейсы в основном уменьшают амплитуду, а не растягивают импульс во времени.

Построение простой модели, имитирующей сложную структуру

Вместо того чтобы моделировать каждую резьбу болта в трёх измерениях — что потребовало бы огромных вычислительных затрат — авторы трактовали сборку снаряда и взрывателя как эквивалентную систему с несколькими массами и пружинами. В этой схеме разные части снаряда и взрывателя рассматриваются как сосредоточенные массы, связанные эффективными жёсткостями и демпфированием, которые заменяют реальные стыки. С помощью инструментов идентификации систем в MATLAB они подали измеренные входные и выходные временные истории напряжений на каждом интерфейсе в математическую процедуру оценки передаточной функции — компактного соотношения, связывающего входную нагрузку с выходным откликом. Полученные модели с фиксированным числом полюсов и нулей воспроизводили измеренные кривые напряжений с коэффициентами детерминации обычно выше 0,75 и до 0,92, что указывает на то, что упрощённое представление захватывает большую часть реального поведения.

Проверка модели с помощью детализированных численных расчётов

Чтобы проверить, сохраняются ли эти компактные передаточные модели за пределами лабораторных испытаний молотком, команда создала уточнённую конечноволновую (конечновлементную) модель снаряда. Они упростили мелкие геометрические детали, но сохранили основные формы и соединения, а также применили продвинутые модели материалов для учёта пластической деформации в носовой части. При моделировании ударов на разных скоростях они сравнили численно предсказанные временные истории напряжений в тех же точках интерфейса со значениями, полученными из идентифицированных передаточных функций. Хотя полные формы сигналов не совпадали в каждой точке, ключевые инженерные характеристики — такие как пики и длительности первых волн сжатия и растяжения, а также наиболее сильные частотные пики — согласовывались примерно в пределах 15 процентов. Такой уровень точности соответствует обычным критериям проектирования для эластопластических моделей отклика.

Что это значит для более безопасных и интеллектуальных взрывателей

Для неспециалиста главное сообщение в том, что авторы превратили сложную, труднопредсказуемую внутреннюю ударную среду в управляемый набор простых моделей. Их работа показывает, как сочетать целевые эксперименты и численные симуляции, чтобы описать, как ударные силы фильтруются и ослабляются стыками внутри снаряда до того, как достичь взрывателя. С передаточными моделями, которые надёжно предсказывают пиковые нагрузки и длительности импульсов, конструкторы могут точнее настраивать пороги и конструкцию взрывателя, снижая риск ложных срабатываний и повышая эффективность пробивных боеприпасов без необходимости моделировать каждую микроскопическую деталь.

Цитирование: Hao, JC., Cui, SK., Ma, GS. et al. Experimental and numerical study on interfacial impact load transfer mechanism. Sci Rep 16, 5282 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36273-z

Ключевые слова: передача ударной нагрузки, взрыватель снаряда, волны напряжений, метод конечных элементов, идентификация системы