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[博士论文] 冯睿智
武器系统运用工程 中北大学 2017(学位年度)
摘要:在含能材料领域,能量和安全性是人们最关心的两个方面。然而,能量和安全性的本质矛盾一直伴随着炸药的始终。一般而言,能量越高安全性越差。目前,纯粹的高能量低感度的单质炸药非常少。由于世界各国在军事上对低感度、高能量含能密度材料的迫切需求,炸药的共晶引起了人们极大的兴趣。炸药的共晶可以在一定程度上稳定炸药,降低炸药的感度,从而解决含能材料能量感度的矛盾。近十年来,人们合成并表征了大量的共晶炸药。而且,人们已经给出了多个计算共晶炸药结构、能量和感度的方法,揭示了其分子间相互作用的本质。共晶炸药的出现,为解决含能材料能量感度的矛盾提出了新的思路和方法。
  大量实验表明,通过HMX和CL-20的共晶技术,相对于低能组分,提高了炸药能量;相对于HMX和CL-20高能组分,能降低其感度。但该方面理论研究较少。本文基于超分子形成规律和共晶原理,设计了HMXDMI、FOX-7、NQ以及ε-、γ-、β-CL-20HMX、FOX-7、DMF的共晶模型,并分别从密度泛函理论和分子动力学方法两方面,对不同分子摩尔比形成的结构、性能进行分析预测。具体工作如下:
  共晶是一种混合炸药,为探索混合炸药感度的理论预测方案,本论文借助DFT-B3LYP和MP2(full)方法,在6-311++G(2df,2p)和aug-cc-pVTZ理论水平上,对HF氮杂环CnH2nN-NO2(n=2-5)、RDX和HMX硝基之间形成的分子间氢键相互作用复合物的N-NO2键强度、环张力能及分子表面静电势的变化进行了理论研究,并借助电子密度转移方法揭示了上述各物理量变化的本质。结果表明:大多数情况下,氢键能环张力能的变化密切联系,随着复合物的形成,N-NO2引发键的强度升高,感度有可能降低;随着复合物的形成,环张力能升高,表明感度可能升高。然而作为分子的全局性质——分子表面静电势,N-NO2键上方的局部最大值以及环上的正最大值偏差σ2+以及表面静电势静电平衡常数v并不随着复合物的形成发生明显的变化,而且撞击感度h50%的计算值变化不大。因此,表面静电势应该作为衡量在分子间氢键形成过程当中复合物感度变化的标准之一。
  借助分子动力学方法对不同分子摩尔比对于HMX/DMI共晶炸药不同晶面的形成能进行了理论研究,对于不同分子的摩尔比的力学性质也进行了估算,借助M06-2x/6-311+G(2df,2p)和MP2(full)/6-311+G(2df,2p)方法对HMX/DMI复合物的溶剂效应和协同效应也进行了研究。计算结果表明,(020)和(100)取代基模型可能具有最高的形成能和稳定性,并且1∶1和2∶1比例的共晶化合物的稳定性比较接近,共晶可能在1∶1和2∶1的摩尔比情况下形成,1∶1和2∶1的化合物具有最高的力学性能。HMX/DMI共晶炸药的稳定性的变化不仅起源于分子间相互作用能的形成,而且也N-NO2键离解能的升高有关。在线型复合物中可能存在协同效应,在环状复合物中可能存在反协同效应。在HF存在下,不论从能量还是从结构上,DMIHMX都不易形成分子间相互作用,这可能是较大介电常数的溶剂对于HMX/DMI共晶炸药稳定性削弱的原因之一,因此为了制备稳定的HMX/DMI共晶炸药应选用较低介电常数作溶剂。
  借助分子动力学方法对不同组分比例的HMX/FOX-7和HMX/NQ共晶炸药晶体表面形成能和力学性质进行了研究。利用B3LYP和MP2(full)的方法在6-311++G(d,p)和6-311++G(2df,2p)水平上计算了HMX/FOX-7(1∶1)和HMX/NQ(1∶1)复合物HMX中N-NO2键离解能和撞击感度h50。结果表明:1∶1比例的共晶炸药可能最稳定、力学性质较好。共晶主要发生在HMX(020)和(100)晶面上。共晶复合物的形成使HMX引发键N-NO2增强,感度可能降低。
  借助分子动力学方法研究了分子摩尔比对FOX-7、β-HMX和DMF在ε-,γ-,β-CL-20不同晶面的形成能进行了理论研究。对于共晶复合物的氧平衡、密度、爆速和表面静电势也进行了理论分析。结果表明,对于所有的共晶化合物,形成能Eb*和稳定性按照下述顺序递减:1∶1>2∶1>3∶1>5∶1>8∶1(CL-20∶FOX-7/β-HMX/DMF);对于所有的取代基模型,所有分子摩尔比的含能/非含能CL-20/DMF共晶炸药的稳定性和形成能均远远大于含能/含能CL-20/FOX-7和CL-20/β-HMX共晶炸药。CL-20/β-HMX的稳定性和形成能Eb*比CL-20/FOX-7小。分子摩尔比为1∶1、1∶2和1∶3的CL-20/FOX-7和CL-20/β-HMX共晶炸药可能具有最大的形成能Eb*。而且含CL-20分子摩尔数较大的共晶炸药的稳定性和形成能Eb*均比含FOX-7或β-HMX分子摩尔数较大的共晶炸药弱。在CL-20/FOX-7共晶中,CL-20表现为γ-型,ε-型主要出现在CL-20/β-HMX共晶化合物中;在CL-20/DMF中发现了ε-CL-20和γ-CL-20。具有较小分子摩尔的CL-20/FOX-7和CL-20/β-HMX共晶炸药能够满足高能低感含能材料的要求,分子表面静电势分析揭示了变化的本质。
  本研究可为HMX和CL-20共晶炸药的分子设计提供新的思路和方法,对在一定程度上解决炸药高能钝感的矛盾、合成和安全使用共晶炸药有重要的理论意义。
[硕士论文] 刘容容
武器系统运用工程 西安工业大学 2017(学位年度)
摘要:战术通信网是战场指挥控制系统的重要组成部分。通过网络仿真的方法研究网络性能和网络协议,不仅降低研发成本,而且能够为构建高效的战术指挥控制系统提供重要的参考依据。在实际情况下,战术通信网需要通过不同子网之间的协作来实现特定的战术目标。通过网络仿真软件进行研究虽然简单高效,但是已有节点模型、时隙分配算法以及网络结构模型已无法满足需求,需要结合战术通信网的实际需求重新设计。
  本研究将大规模军用Ad Hoc网络仿真模型的研究实现分为了两个阶段:局域战术通信网和大规模军用Ad Hoc战术通信网。局域战术通信网由单个子网组成,该阶分析了目前已有的几种时隙分配算法,结合战术通信网的实际需求和节点生成报文的特性提出了一种符合马尔科夫过程的混合时隙分配算法。大规模军用Ad Hoc战术通信网将网络的节点分为簇首节点和簇成员节点,将成员节点模型的搭建分为了两个部分。设计了一种具有TDMA时隙分配方式和应用层收发包功能的簇成员节点模型,并由该模型和仿真软件中提供的路由节点模型搭建了具有路由转发功能的局域战术通信网,分析了不同远近程度的报文对战术通信网端到端延迟的影响。设计了一种具有应用层收发包功能的簇首节点,结合簇成员模型,将大规模通信网分为了旅、营、连和车四个层次,针对这四级节点的报文数量特征提出了一种按比例分配时隙的算法。在OPNET仿真软件中分别对这两个阶段进行了建模仿真,收集了不同报文长度下三种通信网的端到端延迟。仿真结果表明采用混合时隙分配算法的局域战术通信网在端到端延迟方面相对于采用固定时隙分配算法有明显的提高。在具有路由转发功能的局域战术通信网中设计了簇成员节点模型,在仿真过程中随着报文长度和报文目的地址的变化所收集到的端到端延迟理论计算值相符,有较好的可行性。采用分层结构的大规模军用Ad Hoc战术通信网中,簇首节点模型和簇成员节点模型都具有主动收发包功能,其仿真结果实际计算数据相比误差在允许范围内,说明搭建的仿真模型及仿真系统有较高的置信度。
[博士论文] 胡海燕
武器系统运用工程 中北大学 2017(学位年度)
摘要:高能钝感是含能材料的发展方向,也是武器能源领域关注的热点问题。长期以来,人们改进含能材料的技术途径有两大类:一是寻找和合成新的化合物;二是在配方中加入相容性好的高能组分来提高含能材料的能量,同时,通过添加粘结剂、钝感剂来获得感度相对较低的混合药剂配方。无论采取何种途径获得新型高能化合物,其设计和合成都是根本所在,相关研究具有重要的理论意义和应用价值。硼由于具有高的燃烧热值,受到了人们的关注,但硼的反应需要外界供氧,而且此种材料的表面氧化膜在燃爆过程中有较强的阻碍作用,影响了其能量的释放。基于此问题,本文以设计兼具高热值、反应迅速、安全性好的含硼高能化合物为目标,利用密度泛函理论对硝基硼烷化合物的几何结构、成键特征、热力学稳定性以及光谱性质等进行理论研究。从理论上设计探索新型高能、钝感化合物,为新型高能钝感含能材料的研究提供理论支撑。论文主要研究内容如下:
  1在密度泛函理论在B3LYP/6-31+G*水平上,对硼氧基取代TNT苯环上氢原子所得化合物进行几何结构、热力学性质以及其前线轨道能级差ΔEgap和Wiberg键级进行了理论研究;
  2在密度泛函理论在B3LYP/6-31+G*水平上,对TNA的硼氧基取代衍生物的几何结构、热力学性质以及其前线轨道能级差ΔEgap和Wiberg键级进行了理论研究;
  3采用密度泛函理论在B3LYP/6-31+G*水平上,对TNP硼氧基取代物的键长,红外光谱振动,热力学性质以及前线轨道能级差ΔEgap和wiberg键级进行理论研究;
  4采用密度泛函理论在B3LYP/6-31+G*水平上,用原子化反应法对硼氢化合物B2H6硝基衍生物的稳定性、生成焓和爆热等参数进行了理论计算;
  5采用密度泛函理论在B3LYP/6-31+G*水平上,对硼氢化合物B4H2硝基衍生物的稳定性、生成焓和爆热等参数进行了理论计算;
  6采用密度泛函理论在B3LYP/6-31+G*水平上,对硼氢化合物B5H9硝基衍生物的稳定性、生成焓和爆热等参数进行了理论计算。
  理论计算结果表明:
  1 TNT硼氧基衍生物中硼氧键为三键,C-BO键的键级为0.86,C-NO2键的键级为0.90,C-BO键的键级相对最弱,可能是标题物的热解或起爆引发键;通过自然轨道分析得出TNT-(BO)2前线轨道能级差值△Egap大于TNT-BO,这表明TNT硼氧基衍生物稳定性随取代基数的增加而增强;通过爆热计算得知TNT硼氧基衍生物的爆热明显大于TNT,由此可推断,TNT硼氧基衍生物是一种潜在的高爆热钝感含能材料;
  2 TNA硼氧衍生物中硼氧键是典型三键;通过自然轨道分析在TNA硼氧衍生物中N-H键最弱,可能是标题物的热解或起爆引发键;并且随着取代基数目的增加,前线轨道能级差ΔEgap增大,表明化合物稳定性增强;通过爆热计算得知TNA硼氧基衍生物的爆热大于TNA,由此可推断,TNA硼氧基衍生物是一种潜在的高爆热钝感含能材料;
  3 TNP硼氧衍生物中硼氧键是典型三键;通过自然轨道分析可知,随着取代基数目的增加,TNP硼氧衍生物的前线轨道能级差ΔEgap增大,表明化合物的稳定性随取代基数目的增加而增大;TNP硼氧基衍生物的爆热比TNP爆热大,而且计算表明硼氧基取代苯环上氢原子后会使得化合物更加稳定,由此可推断,TNP硼氧基衍生物是一种潜在的高爆热钝感含能材料;
  4采用密度泛函理论研究结果表明,B2H6硝基衍生物的爆压、爆速随着硝基数的增加也在增加;自然轨道分析得知B2H2(NO2)4化合物的ΔEgap值为459.27 kJ/mol,接近于TNT、TNA和TNP的硼氧基衍生物的ΔEgap值,说明在B2H6中即使硝基数增加到4个时,所得到的硝基硼烷也是相当稳定的,可以作为潜在的新型高能钝感含能材料使用;
  5采用密度泛函理论对B4H2硝基衍生物和TNT进行了研究比较,研究结果表明,标题物的理论密度、爆速和爆压略低,但是爆热比TNT大很多;自然轨道分析得知B4HNO2和B4(NO2)2没有B4H2稳定,即B4HNO2和B4(NO2)2的感度较大,在使用前可能需要经过降感处理;
  6通过自然轨道分析了B5H9硝基衍生物的ΔEgap值,发现其TNT轨道能级差ΔEgap值相近,可以认为这些化合物稳定性TNT稳定性相近;化合物中B-NO2键相对较弱,可能是标题物的热解或起爆引发键;化合物中随着硝基数的增加,化合物的爆速和爆压都在增大,最大爆速为6.98 km/s,最大爆压为19.87 Gpa,虽然比TNT低,但是最大爆热为1946.52J/g,远大于TNT的爆热(1425.94 J/g)。
[硕士论文] 邓维
武器系统运用工程 南京理工大学 2017(学位年度)
摘要:随着航空技术的发展,大攻角飞行和高速飞行越来越普遍,伴随的气动现象也变得十分复杂,俯仰阻尼动导数已经成为现代弹箭初步设计中的重要气动参数,在弹箭动态特性分析、弹道设计及控制系统设计中都占有重要位置。本文以国际动导数标模Finner作为研究对象,对刚性动网格技术在预测俯仰阻尼动导数方面的应用进行了计算验证,并分析了该方法的影响因素。在此基础上,进一步探索了某鸭式布局弹箭俯仰阻尼动导数的计算及其随初始条件的变化规律。
  首先应用基于N-S方程求解的时空二阶精度的迭代法,结合刚性动网格技术,采用小振幅强迫俯仰振动法,对俯仰阻尼动导数数值计算进行了研究。以国际动导数标模Finner作为验证模型,探究了近壁面处理方法、减缩频率、振荡幅值、周期迭代次数、内迭代次数对俯仰阻尼动导数的影响,探究了初始攻角、质心位置对其俯仰阻尼动导数的影响;计算结果实验结果吻合良好,表明了本文采用的方法具有较高的精确性,使用的计算条件是可行的。
  基于Finner标模的研究,进一步探究了某鸭式布局弹箭俯仰阻尼动导数随初始攻角、马赫数以及质心位置的变化关系。研究表明,计算条件的选取对俯仰动导数的计算效率计算结果影响非常大,其中周期迭代次数和减缩频率尤为关键;对于鸭式布局弹箭,其俯仰阻尼动导数随攻角、马赫数的变化规律和俯仰力矩系数的变化规律基本保持一致。
  
[硕士论文] 尹立威
武器系统运用工程 南京理工大学 2017(学位年度)
摘要:基于MEMS技术制造的MEMS微结构宏观尺寸机械结构相比,具有体积小、低功耗、低成本、抗干扰、可批量生产等优点,被广泛应用于航空航天、机械电子等领域。由于MEMS微结构特征尺寸在微米量级,其力学及其它性能宏观结构性能有着很大不同。针对武器弹药系统的高冲击、快速响应、抗电磁干扰、微型化等特殊应用需求,以一种能从幅值、脉宽两个特征识别引信正常发射冲击和勤务跌落冲击惯性载荷的MEMS接电惯性开关为典型MEMS微结构进行分析,采用性能测试、理论分析、数值模拟的技术路线,对高冲击下MEMS微结构动态特性接电性能进行研究。
  首先,对MEMS接电惯性开关进行静动态性能测试,分析尺寸效应对性能指标以及测试结果的影响。基于应变梯度理论和哈密顿变分原理,建立高冲击下微梁动力学模型,分析尺寸效应对高冲击下微梁挠度、弯曲刚度、固有频率的影响,修正性能参数并应用到MEMS接电惯性开关中,进一步分析尺寸效应对MEMS接电惯性开关探测识别机构和闭锁接电机构动态响应位移的影响。
  通过观测MEMS接电惯性开关表面形貌,建立粗糙表面黏着模型和电接触模型,并分别计算出相应的黏着力。根据表面形貌进一步分析表面摩擦以及闭锁接电机构表面接电性能。
  最后,系统分析高冲击下MEMS微结构中的阻尼,确定阻尼延时控制方法。对高冲击下S型弹簧以及MEMS惯性接电开关模态、瞬态进行数值模拟,分析尺寸效应对MEMS惯性接电开关探测识别机构和闭锁接电机构动态响应位移的影响,完善理论模型。
[硕士论文] 苏文杰
武器系统运用工程 南京理工大学 2017(学位年度)
摘要:偏振光导航是一种利用太阳光在大气中散射的偏振特性进行导航的技术,通过从大气偏振模式的分布特性中提取导航方位信息,可实现对载体航向、俯仰和滚转三维姿态信息的解算,是自然界中天然的导航方法之一。目前常用的导航技术难以满足日益快速发展的无人飞行器对低成本、低功耗、高精度、抗干扰能力强、自主性高的导航性能的迫切需求。因此,学习生物导航方法,深入研究仿生偏振光导航技术对于火箭、导弹等武器的快速寻北并为惯导提供初始对准的姿态信息,实现武器快速发射及自主导航具有重要的研究意义和军事应用价值。
  基于上述实际需求,本文根据大气偏振现象及基本理论,建立了全天域的大气偏振模式分布模型,推导了Stokes矢量表征偏振光的方法,以此为原理设计并搭建了一种四通道大气偏振信息检测系统,通过偏振信息采集实验提取了观测区域的偏振强度场和偏振方向场,验证了大气偏振模式的分布特性。在此基础上,推导了一种采用太阳位置作为导航参考基准的航向解算方法,通过大气偏振模式分别计算出太阳在载体系和地理系中的空间位置,建立姿态变换矩阵方程,从而提取载体的航向信息。同时再建立太阳天顶固定的时空关系模型,利用太阳位置信息解算出天顶的空间坐标,推导了以天顶作为空间特征点求解载体俯仰、滚转信息的方法,实现了对载体三维姿态信息的提取。然后通过三组实验验证了该算法的精度。
  最后,设计了一种基于DSP6747+FPGA双核架构的北斗/微惯导紧组合导航系统,并针对低精度的微机电惯性测量单元(MEMS-IMU)零偏大,无法进行自对准这一问题,研究了采用偏振光导航进行初始姿态对准,实现组合导航系统的快速寻北。然后通过地面跑车试验验证了所设计的北斗/微惯导紧组合导航系统具有较高的精度、较强的稳定性和鲁棒性,探究了采用偏振光导航进行初始对准的准确性和可靠性。
[硕士论文] 倪庆乐
武器系统运用工程 南京理工大学 2016(学位年度)
摘要:为了使巡飞弹引信满足勤务过程可靠保险、发射过程可靠解除保险以及可靠发火等功能,对弹丸跌落冲击过载规律、引信低过载后坐保险机构、引信内藏式万向型惯性触发开关三方面内容进行了研究。
  在难以获取所配用的巡飞弹详细结构参数的前提下,为总结裸态弹丸跌落规律,提出采用有限元方法研究弹丸跌落时引信的冲击特性规律,该方法运用ANSYS/Ls-dyna软件建立了若干弹丸不同目标的跌落试验模型,对裸态弹丸底向下跌落时引信的冲击特性进行了数值仿真,总结了裸态弹丸以不同落高、不同姿态跌向不同目标时的跌落冲击规律,对比分析表明该方法的可信度较高,仿真结果可为巡飞弹引信以及其它低后坐过载引信设计提供参考。
  为保证巡飞弹在勤务处理、巡飞、攻击过程中的保险和解除保险正确性,设计了一种能识别6g发射过载环境的序球隔断式低后坐过载保险机构,通过ADAMS软件分别对该保险机构在6g、1000g、10000g过载作用下的运动情况进行仿真分析,验证了其保险和解除保险正确性,并得到了能使该机构解除保险的最小力(过载),验证了该机构的可复位性。
  为探寻序球隔断式低后坐过载保险机构主要设计参数对解除保险性能的影响,介绍了其主要设计点,并通过ADAMS软件就各零件之间摩擦系数、保险球直径、保险球数目、保险球材料密度等四种参数对机构解除保险时间的影响进行了仿真分析。结果表明:为提高机构解除保险可靠性,可采取减小活动件接触面摩擦系数、增大保险球直径、增加保险球数量、选用密度大材料的保险球等措施,但同时需要综合考虑机构体积、加工精度、加工成本等因素。反之则会提高其保险性能。
  为保证巡飞弹引信内藏惯性开关的灵敏度,针对传统惯性触发开关所需惯性过载较大、占用轴向空间也较大的问题,就适用于弹道环境过载较小场合、采用接电爪抱球结构的小尺寸万向型机械式惯性电触发开关,通过ANSYS/LS-DYNA软件仿真,优化设计了结构参数。适当选取接电球材料、支撑筒内径尺寸和接电爪尺寸,该开关可以满足在任意方向受180g冲击过载均可连通开关,受40g恒定过载均不会连通开关的设计要求。适当减小接电爪片厚度、宽度或减少片数,增加接电爪片长度,选取弹性模量小的材料,对金属材料进行表面减摩处理或选择陶瓷接电球减小摩擦,增大接电球直径,都可使开关更易于闭合,反之则有利于安全。
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