袁 帥,柏勁松,張漢釗,李 平

(中國工程物理研究院流體物理研究所,四川 綿陽 621999)

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滑移爆轟密封的初步數(shù)值模擬

袁 帥,柏勁松,張漢釗,李 平

(中國工程物理研究院流體物理研究所,四川 綿陽 621999)

利用有限元方法，通過數(shù)值模擬得到爆炸密封鋁、銅封管密封所需炸藥藥量；在此基礎(chǔ)上，利用光滑粒子法對(duì)爆炸密封模型進(jìn)行優(yōu)化，分析炸藥、保護(hù)外殼等形狀等對(duì)封管密封性能的影響。基于對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，確定實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?shí)驗(yàn)回收結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果符合較好，表明數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用。

爆炸力學(xué)；光滑粒子方法；爆炸密封；封管；滑移爆轟

利用常規(guī)密封技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備在秒量級(jí)的密封。而實(shí)際工程應(yīng)用中需要毫秒級(jí)、微秒級(jí)的快速密封技術(shù)，因此發(fā)展此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)就顯得十分迫切。利用滑移爆轟內(nèi)爆壓縮圓管實(shí)現(xiàn)管道密封的技術(shù)，由于管內(nèi)壁產(chǎn)生層裂現(xiàn)象，影響封管密封閉合的完整性、氣密性；沖擊波在中軸線附近的對(duì)稱碰撞，容易產(chǎn)生射流，存在屈曲不穩(wěn)定性，也使得密封更困難。E.L.Ruden等[1]利用爆炸驅(qū)動(dòng)鈦合金杵體從相反方向碰撞黃銅管實(shí)現(xiàn)密封，用內(nèi)徑8 mm的黃銅管，相對(duì)泄漏率可達(dá)到10-9h-1。

C.H.Conrad等[2]利用joint actinide shock physics experiment research(JASPER)裝置在2001年開始研究超鈾元素及其他有毒材料在高溫、高壓、高應(yīng)力和高應(yīng)變率等極端條件下的狀態(tài)方程，取得了較好的結(jié)果，同時(shí)沒有有毒材料泄露。圖1為C.H.Conrad等[2]首輪正式實(shí)驗(yàn)的爆炸密封X光照片和密封件剖切照片，由圖可知爆炸密封中心對(duì)撞區(qū)雖然存在密封缺陷區(qū)域，但由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，密封管的密封效果非常好，達(dá)到了微秒量級(jí)的密封需求。

圖1 JASPER爆炸密封照片[2]Fig.1 The picture of blast shutter with JASPER[2]

陳軍等[3]設(shè)計(jì)的火藥燃燒氣體推動(dòng)高壓聚乙烯柱塞密封的實(shí)驗(yàn)裝置，可以實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)快速密封，且密封性好；火藥燃燒氣體被完全密封在裝置本體內(nèi)，工程防護(hù)結(jié)構(gòu)簡單，具有很高的實(shí)用價(jià)值。而關(guān)于滑移爆轟驅(qū)動(dòng)封管達(dá)到密封的報(bào)道很少。

基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和研究工作需求，本文中通過數(shù)值模擬研究炸藥爆炸驅(qū)動(dòng)封管密封模型，探討裝藥量及形狀和保護(hù)外殼形狀對(duì)封管密封性能的影響，在分析數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，確定實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。并在?shí)驗(yàn)完成后，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較。

1 計(jì)算方法的確定

基于爆炸密封模型的物理、力學(xué)過程特性，整個(gè)物理、力學(xué)過程持續(xù)時(shí)間較長，材料變形很大，由于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的拉格朗日方法一般不能計(jì)算大變形的物理過程，歐拉方法不能得到清晰的物質(zhì)界面，而光滑粒子方法在計(jì)算大變形問題和得到物質(zhì)界面問題都有較好的結(jié)果。綜上所述，本文中選用光滑粒子法對(duì)爆炸密封模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 藥量的確定

圖2 計(jì)算模型Fig.2 The model for simulation

由于爆炸密封模型中封管在密封時(shí)，封管材料的內(nèi)壁發(fā)生對(duì)碰，所以利用封管材料對(duì)稱碰撞的壓力大于或等于其熔化壓力，此時(shí)封管材料處于熔化狀態(tài)，封管材料在冷卻過程中發(fā)生凝固，從而達(dá)到更好的密封目的。

由文獻(xiàn)[4-5]可知，實(shí)驗(yàn)得到鋁和銅的沖擊熔化壓力分別約為125和230 GPa。由p=ρ0(c0+λv)v可得到封管鋁和銅達(dá)到?jīng)_擊熔化壓力的碰撞粒子速度v分別為4.19和3.04 km/s。

確定炸藥量的計(jì)算模型如圖2所示，在外殼與炸藥接觸的圓周上均布5個(gè)點(diǎn)作為起爆點(diǎn)。炸藥起爆后，爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)封管向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，某個(gè)時(shí)刻，封管內(nèi)壁在爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)下相互碰撞，碰撞壓力到達(dá)材料的熔化壓力，使得材料熔化，在隨后的過程中冷卻凝固，從而達(dá)到密封目的。調(diào)節(jié)炸藥的徑向厚度 ，使得封管內(nèi)壁上的點(diǎn)的速度在碰撞時(shí)達(dá)到由上文計(jì)算得到的速度值，從而確定炸藥的藥量。

圖3 鋁封管內(nèi)壁上均布的10個(gè)位置的粒子速度歷史曲線Fig.3 Particle velocity-time curves of ten points at the inwall of the aluminum sealing tube

圖4 銅封管內(nèi)壁上均布的10個(gè)位置的速度歷史曲線Fig.4 Particle velocity-time curves of ten points at the inwall of the copper sealing tube

圖5 數(shù)值模擬得到的圖像和實(shí)驗(yàn)回收樣品的照片F(xiàn)ig.5 The image obtained by numerical simulation and the photo of the recoverd specimen in experiment

經(jīng)過多次調(diào)節(jié)炸藥徑向厚度ΔR，通過數(shù)值模擬得到了如圖3～4所示的鋁封管和銅封管內(nèi)壁上均布10個(gè)位置的速度歷史曲線。由圖3～4可知，鋁封管和銅封管的內(nèi)壁相互碰撞時(shí)的速度都達(dá)到了上文計(jì)算得到的粒子速度值。又根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要的密封段的長度，從而確定鋁、銅封管密封需要的藥量分別約為80、150 g。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的正確性。從而確定了2種封管需要的藥量約為80、150 g。圖5給出了數(shù)值模擬得到的圖像和實(shí)驗(yàn)回收樣品照片，比較實(shí)驗(yàn)回收樣品照片和數(shù)值模擬圖像的外形和輪廓，確定計(jì)算結(jié)果基本正確，因此數(shù)值模擬結(jié)果可為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考。

3 爆炸密封模型的計(jì)算

裝藥形狀設(shè)計(jì)如圖6(a)所示，設(shè)計(jì)模型確定了圖中R1、R2和R3的值，需要優(yōu)化的是L1、L2、L3和x的值，通過多次數(shù)值模擬優(yōu)化得到了圖6(b)和圖6(c)所示的鋁和銅封管所需炸藥的形狀。

圖6 炸藥形狀的優(yōu)化結(jié)果Fig.6 Optimization of explosive charge shape

起爆方式為堵蓋與炸藥接觸面上半徑為4 cm的圓周上均布5個(gè)起爆點(diǎn)。計(jì)算了多種炸藥形狀、保護(hù)外殼厚度模型，比較了各種模型的計(jì)算結(jié)果，確定優(yōu)化后的數(shù)值模擬模型為圖7所示的模型。模型分為封管(銅T2或鋁LY12)、端蓋(45_steel)、聚乙烯(CH2)填充部分、特氟龍(teflon)、炸藥(粉狀TNT)、防護(hù)筒(45_steel)、圓套(LY12)、堵蓋(LY12)和護(hù)板(LY12)，共9部分，除炸藥外的材料參數(shù)如表1所示,表中ρ0為密度，G為剪切模量，Y0為屈服強(qiáng)度，Tm為熔化溫度。對(duì)T2 、45_steel和LY12采用SG本構(gòu)模型，對(duì)特氟龍采用流體彈塑性模型，對(duì)CH2采用流體模型。對(duì)炸藥采用γ律狀態(tài)方程計(jì)算爆轟產(chǎn)物壓力，相關(guān)參數(shù)為：密度ρ=0.86 g/cm3，系數(shù)γ=2.04，爆速D=4.0 km/s，CJ壓力pCJ=4.1 GPa，初始比內(nèi)能e0=0.97 J/mm3。

表1 材料參數(shù)

圖7 優(yōu)化后的數(shù)值模擬模型Fig.7 Optimization of numerical simulation models

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果的比較

4.1 鋁封管的比較

圖8為實(shí)驗(yàn)回收鋁封管照片與數(shù)值模擬結(jié)果外形的比較。實(shí)驗(yàn)回收結(jié)果的軸向剖面表明：在封管的兩端密封較好，中間部位有反彈的痕跡，而最終的結(jié)果是封管被拉斷。計(jì)算結(jié)果同樣表明了封管內(nèi)壁碰撞后有反彈發(fā)生，在計(jì)算結(jié)束時(shí)同樣表現(xiàn)為封管被軸向拉斷。當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)回收結(jié)果為終態(tài)，而計(jì)算結(jié)果并非終態(tài)，而且這里僅比較回收結(jié)果和計(jì)算結(jié)果的外形。

圖8 鋁封管實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果的比較Fig.8 Comparison between simulation and experiment for the aluminum sealing tube

圖9 銅封管實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果的比較Fig.9 Comparison between simulation and experiment for the copper sealing tube

4.2 銅封管的比較

圖9為銅封管實(shí)驗(yàn)回收封管外形與數(shù)值模擬結(jié)果及軸向剖面圖像。由圖9可知，實(shí)驗(yàn)回收結(jié)果和計(jì)算結(jié)果輪廓相似,而且銅封管的密封效果很好。

從鋁、銅2種材料的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬密封效果可知，選擇銅作為封管材料更合適，這與銅具有良好的金屬延展性有關(guān)。

5 結(jié) 束 語

利用有限元方法，計(jì)算得到了爆炸密封2種封管(鋁、銅)所需要的藥量。在此基礎(chǔ)上，采用光滑粒子法，對(duì)爆炸密封裝置進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得到的爆炸密封圖像與實(shí)驗(yàn)回收結(jié)果比較一致。計(jì)算模型可為實(shí)驗(yàn)藥量的確定和裝置模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，同時(shí)能夠節(jié)省實(shí)驗(yàn)費(fèi)用和實(shí)驗(yàn)時(shí)間等。

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(責(zé)任編輯 張凌云)

Preliminary simulation of blast shutter driven by glancing detonation

Yuan Shuai, Bai Jing-song, Zhang Han-zhao, Li Ping

(InstituteofFluidPhysics,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621999,Sichuan,China)

The mass of explosive which the aluminum/copper cylinder shells were blasted shutter was found with finite element methods. And on the basis of this, the blast shutter models were simulated many times by the smoothed particle hydrodynamics method to achieve optimization. Then the experimental models were determined by comparing the simulation results. The experimental results agree with the simulation results. So the simulation results can be helpful for understanding the experimental results, and it saves the time and increases the efficiency.

mechanics of explosion; smoothed particle hydrodynamics method; blast shutter; sealing tube; glancing detonation

10.11883/1001-1455(2015)04-0496-05

2014-03-31；

2014-05-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11372294)

袁 帥(1972— )，男，碩士,工程師; 通訊作者： 柏勁松,bjsong@foxmail.com。

O381 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

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