轻气炮是一种切实可行且应用广泛的超高速发射技术,其中隔离膜片作为是各气室之间的密封元件,对轻气炮的工作至关重要。虽然在轻气炮启动时破膜过程对发射性能存在一定影响,但传统的轻气炮研究中往往忽略对这个过程的研究。本文将破膜过程分为破裂过程和展开过程两个阶段:破裂过程是一个大变形、高应变率的运动过程,涉及材料的破坏失效问题;展开过程中存在膜片结构与高压轻气流之间的相互作用。本文以膜片式轻气炮为背景,基于有限元法对膜片破裂展开过程进行动态仿真,分析膜片的动力学响应规律和周围流场分布、变化规律。具体内容如下:(1)建立膜片破裂过程纯结构域有限元模型,对膜片破裂过程的动力学响应进行仿真研究。针对不同的临界破膜压力,采用数值仿真分析膜片尺寸和选用材料对膜片破裂过程的影响,结果表明:随着有效厚度的增大,临界破膜压力几乎呈线性增长,而膜片整体厚度的改变对临界破膜压力没有明显影响;在相同击发条件下,材料采用6061-T6铝合金的膜片比采用304不锈钢的破裂时间点更早。(2)采用有限元法对膜片展开过程建立流固耦合模型,并对结构域和流体域进行联合求解。结果表明:初期流场的最大速度区主要集中在中心射流部分,随着膜片的展开,射流区逐渐扩大,高压轻气工质不断膨胀至低压区。整个过程中,最大流速逐渐增大并稳定,并发现速度越大的区域温度越低。膜片在展开过程中,最大应力主要集中在凹槽根部附近。(3)以膜片展开速度和低压侧压力上升速度作为性能评价指标,分析了破膜压力、高压侧注气温度、注气类型、膜片选用材料以及开槽形状等因素对膜片展开性能的影响。结果表明:破膜压力和高压侧注气温度对膜片展开过程影响显著,其中破膜压力为6MPa时膜片展开速度比4MPa时提高了30.7%,低压侧压力上升速度提高了199%,高压侧注气温度为873K时膜片展开速度比273K时提高了4.8%,低压侧压力上升速度提高了19.8%;同时在强度的允许下,膜片厚度越小,越有利于膜片展开性能的提高;改变注气类型对膜片展开过程影响不明显;对于低压工况,膜片材料宜采用6061-T6铝合金,对于高压工况,宜选用304不锈钢作为膜片材料;膜片式轻气炮中宜采用形状为六道凹槽的膜片作为隔离膜片。本文的研究再现了膜片破裂展开的过程,揭示了膜片式轻气炮破膜做功机理,为轻气炮膜片结构的设计与内弹道性能的优化提供重要参考。