胡坤倫，王志富，王 猛，李 毅，韓體飛

薄層碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料爆炸分離的探究

胡坤倫，王志富，王 猛，李 毅，韓體飛

（安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南，232000）

為爆炸分離薄層碳纖維樹脂復(fù)合板，對(duì)其裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)確認(rèn)。依據(jù)試驗(yàn)方案，使用AUTODYN軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)設(shè)置測(cè)點(diǎn)，得到不同裝藥結(jié)構(gòu)的測(cè)點(diǎn)爆炸產(chǎn)生的最大Mises應(yīng)力值。對(duì)各裝藥結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理進(jìn)行分析，進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的裝藥結(jié)構(gòu)，最終為復(fù)雜工程環(huán)境中爆炸分離構(gòu)件的火工品提供參考依據(jù)。

裝藥結(jié)構(gòu)；復(fù)合材料；數(shù)值模擬；分離

航空發(fā)動(dòng)機(jī)若發(fā)生非包容事故，高速飛濺的碎片會(huì)毀傷機(jī)體，導(dǎo)致嚴(yán)重空難，因此對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣包容性研究具有重要意義。機(jī)匣包容試驗(yàn)是測(cè)試機(jī)匣對(duì)轉(zhuǎn)子葉片折斷飛出之后包容能力的試驗(yàn)[1]，要求飛輪葉片在特定位置和轉(zhuǎn)速下斷裂，一般使用爆炸分離的方法。目前，爆炸分離的研究主要集中在航空航天領(lǐng)域的火工分離裝置和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片上。張小達(dá)、夏益霖[2]基于國(guó)內(nèi)航天產(chǎn)品有關(guān)爆炸分離沖擊環(huán)境和試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)提出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定(修訂)的建議和意見；張雷順[3]進(jìn)行了切割索爆炸切割火箭發(fā)射箱前蓋的計(jì)算，所建立的計(jì)算方法基本上反映了爆炸分離過(guò)程的主要特征；Troshe- henko[4]綜合研究了葉片和葉片材料疲勞裂紋擴(kuò)展情況；Takeuchi[5]對(duì)航天器的分離斷裂過(guò)程進(jìn)行模擬，對(duì)沖擊響應(yīng)做出了判斷；Warren[6]研究了各向同性線性金屬塊在受到準(zhǔn)靜態(tài)拉伸應(yīng)力后的應(yīng)力狀態(tài)和斷裂過(guò)程；本課題組利用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法，得到了爆炸分離構(gòu)件的最小壁厚和裝藥直徑的最佳比例關(guān)系，為復(fù)雜工程環(huán)境中確定爆炸分離構(gòu)件的藥量提供了參考方案。

在以往的板材爆炸切斷中，常于復(fù)合板側(cè)面中心位置鉆孔裝藥。由于板材厚度限制裝藥直徑，當(dāng)裝藥直徑小于臨界尺寸時(shí)，炸藥將熄爆[7]，說(shuō)明該裝藥結(jié)構(gòu)不適用于薄板的爆炸切斷，因此需要探索其它形式的裝藥結(jié)構(gòu)。本文參考巖土爆破工程中光面爆破設(shè)置導(dǎo)向空孔產(chǎn)生裂縫的設(shè)計(jì)，將導(dǎo)向空孔以及導(dǎo)向溝槽應(yīng)用在薄層材料爆炸切斷實(shí)驗(yàn)中，探究切斷碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合板的方法。

1 復(fù)合板爆炸分離試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料試驗(yàn)板長(zhǎng)、寬（設(shè)為、方向）為120mm，高（設(shè)為方向）為8.5mm。如圖1所示。

圖1 碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料試驗(yàn)板

由于試驗(yàn)板材有限，分別在3塊復(fù)合板上進(jìn)行不同裝藥結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)，為保證炸藥充分作用于復(fù)合板，裝藥孔底部保留2mm厚度，各裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)及測(cè)試點(diǎn)

1#板裝藥結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，在方向中線處，沿方向的0mm、15mm、45mm、75mm、105mm、120mm處設(shè)置半徑2.5mm、高8.5mm的導(dǎo)向孔，在30mm、60mm、90mm處設(shè)置半徑5mm、高6.5mm的裝藥孔。2#板裝藥結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示，在方向中線處，沿方向的0mm、60mm、120mm處設(shè)置半徑2.5mm、高8.5mm的導(dǎo)向孔，并在導(dǎo)向孔處沿方向側(cè)設(shè)置2個(gè)寬1mm、長(zhǎng)5mm、高8.5mm的導(dǎo)向溝槽，在30mm、90mm處設(shè)置半徑5mm、高6.5mm的裝藥孔；3#板裝藥結(jié)構(gòu)如圖2（c）所示，在2#板的基礎(chǔ)上，在裝藥孔兩側(cè)沿方向側(cè)設(shè)置2個(gè)寬1mm、長(zhǎng)5mm、高8.5mm的導(dǎo)向溝槽。

試驗(yàn)所用炸藥為鈍化黑索今，每個(gè)裝藥孔裝藥量為0.4g，將5mm×5mm的薄紙片固定在裝藥孔上，防止試驗(yàn)時(shí)黑索今灑落。將瞬發(fā)電雷管沿方向固定在裝藥孔正面，雷管的主裝藥區(qū)正對(duì)裝藥孔，確保成功引爆。為防止炸藥能量沿復(fù)合板厚度方向的過(guò)多泄漏，在復(fù)合板背部裝藥孔對(duì)應(yīng)部分粘貼銅皮作為慣性約束，將材料固定在基座上，爆炸裝置如圖3所示。

圖3 爆炸裝置圖

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)在安徽理工大學(xué)爆炸實(shí)驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行。引爆后，收集板材觀察試驗(yàn)效果，結(jié)果如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可以看出1#板試驗(yàn)效果最佳，但裝藥孔之間尚有未貫通連接，兩側(cè)導(dǎo)向孔的外側(cè)幾乎沒有受到爆炸影響，邊緣未切斷。2#板試驗(yàn)效果最差，爆炸破壞區(qū)域僅限于裝藥孔四周，對(duì)兩側(cè)導(dǎo)向孔及導(dǎo)向溝槽均未造成較大影響；3#板試驗(yàn)爆炸破壞區(qū)域大于2#板試驗(yàn)爆炸破壞區(qū)域，但板材邊緣未發(fā)生斷裂。同時(shí)3塊板的方向邊緣均有少許碳纖維剝落。

2 數(shù)值模擬

鑒于復(fù)合板數(shù)量有限（僅有3塊），為充分了解在爆炸過(guò)程中復(fù)合板內(nèi)部應(yīng)力變化，進(jìn)一步探究各種裝藥結(jié)構(gòu)在爆炸分離實(shí)驗(yàn)中的作用機(jī)理，使用AUTO DYN軟件對(duì)復(fù)合板爆炸分離進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)分析模擬結(jié)果中復(fù)合板爆炸區(qū)域及其周圍測(cè)點(diǎn)爆炸產(chǎn)生的的Mises應(yīng)力值，根據(jù)Mises破壞準(zhǔn)則判斷測(cè)點(diǎn)區(qū)域是否發(fā)生斷裂，為進(jìn)一步的爆炸切斷實(shí)驗(yàn)提供參考。

2.1 計(jì)算模型

按照實(shí)驗(yàn)尺寸在3組模型上布置裝藥孔、導(dǎo)向孔及導(dǎo)向溝槽。模型中起爆方式為中心點(diǎn)（POINT）起爆，并如圖2所示在導(dǎo)向孔（溝槽）與裝藥孔之間設(shè)置5個(gè)測(cè)點(diǎn)。3組模型上的測(cè)點(diǎn)編號(hào)從左到右依次為1~5，測(cè)點(diǎn)3在空孔（導(dǎo)向溝槽）與裝藥孔連線的中點(diǎn)，并在每組測(cè)點(diǎn)3沿厚度方向按照一定距離在復(fù)合板上布置測(cè)點(diǎn)6、7、8，如圖2（d）所示。

復(fù)合材料采用AUTODYN中的KFRP材料，計(jì)算采用正交各向異性本構(gòu)模型（Ortho本構(gòu)模型）、Orthotropic Yield強(qiáng)度模型和Orthotropic Softening失效模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得該碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料參數(shù)，如表1所示，炸藥采用JWL狀態(tài)方程[8]。

表1 碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料性能參數(shù)

Tab.1 Performance parameters of carbon fiber epoxy resin composites

Mises等效應(yīng)力：

式（1）中：復(fù)合板的Mises等效應(yīng)力σ= 530.9MPa，當(dāng)測(cè)點(diǎn)爆炸后產(chǎn)生的最大Mises應(yīng)力＞σ時(shí)，測(cè)點(diǎn)區(qū)域材料斷裂[9]。

2.2 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

各裝藥結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示，各測(cè)試點(diǎn)爆炸產(chǎn)生的最大Mises應(yīng)力值如表2及圖6~7所示。如圖5（a）可見（板中間小單元為SPH算法生成方向飛濺碎片，并非裂縫），1#板并未沿預(yù)設(shè)裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生斷裂，從表2以及圖6看出，由裝藥孔到導(dǎo)向孔測(cè)點(diǎn)的最大Mises應(yīng)力由測(cè)點(diǎn)5的576MPa降至測(cè)點(diǎn)2的175MPa，又上升至測(cè)點(diǎn)1的280MPa。

表2 裝藥結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)斷裂方向最大Mises應(yīng)力 (MPa)

Tab.2 Charge structure Gauss point peak pressure

導(dǎo)向孔邊緣的測(cè)點(diǎn)1最大Mises應(yīng)力發(fā)生上升是因?yàn)楫?dāng)裝藥孔發(fā)生爆炸時(shí)，由于導(dǎo)向空孔的存在，爆炸沖擊波在空孔自由面產(chǎn)生稀疏波反射作用[10]。但是稀疏波產(chǎn)生的最大Mises應(yīng)力值小于復(fù)合板的Mises等效應(yīng)力，根據(jù)Mises破壞準(zhǔn)則，在空孔附近材料沒有發(fā)生斷裂。

圖5 各裝藥結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果

圖6 1~5號(hào)測(cè)點(diǎn)爆炸產(chǎn)生的最大Mises應(yīng)力值

圖7 6~8號(hào)測(cè)點(diǎn)爆炸產(chǎn)生的最大Mises應(yīng)力值

由表2和圖7可以看出，在厚度方向材料中心部分測(cè)點(diǎn)6、7爆炸產(chǎn)生的最大Mises應(yīng)力值遠(yuǎn)大于材料表面的測(cè)點(diǎn)3、8的值，分析是由于材料厚度不夠，沒能很好地使爆炸能量用于分裂材料，而是從材料的厚度方向表面逸散。測(cè)點(diǎn)2、3、8的值均低于復(fù)合板的Mises等效應(yīng)力σ，可見2、3、8測(cè)點(diǎn)附近材料并未斷裂。同時(shí)，測(cè)點(diǎn)6、7的值均大于復(fù)合板的Mises等效應(yīng)力σ，在此兩點(diǎn)附近材料發(fā)生斷裂，由測(cè)點(diǎn)3、6、7、8的最初位置關(guān)系，可知炸藥爆炸產(chǎn)生的斷裂最多完整延伸到空孔與裝藥孔連線的中點(diǎn)處，即在連線上距離裝藥孔邊緣3.75mm處。

根據(jù)上述分析可見該裝藥結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向空孔間距過(guò)大，產(chǎn)生的稀疏波應(yīng)力不足以拉裂材料，裝藥孔周圍裂縫的產(chǎn)生只是炸藥爆炸產(chǎn)生沖擊波的壓縮效應(yīng)。在炸藥爆炸瞬間，沖擊波使材料產(chǎn)生裂紋。隨后爆生氣體從厚度方向逸散，攜帶大量能量，并沒有多余的能量讓裂紋繼續(xù)擴(kuò)展下去，材料沒有發(fā)生徹底斷裂。為增強(qiáng)炸藥爆炸的能量利用率，需縮小導(dǎo)向空孔與裝藥孔間距，并在裝藥孔背面粘貼銅片等材料慣性約束炸藥能量。

就2#、3#板而言，由圖5所示的模擬結(jié)果可見，碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合板并未沿預(yù)設(shè)裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生斷裂，但是裝藥結(jié)構(gòu)3的裂縫區(qū)域大于裝藥結(jié)構(gòu)2。由表2的數(shù)據(jù)以及圖6中1、2測(cè)點(diǎn)之間線段的斜率看出，裝藥孔發(fā)生爆炸后，應(yīng)力波并未在板中央的導(dǎo)向空孔與導(dǎo)向溝槽的組合邊緣形成足夠的壓力疊加來(lái)產(chǎn)生裂縫，且作用小于單個(gè)導(dǎo)向空孔。

3#板測(cè)點(diǎn)4、5爆炸產(chǎn)生的最大Mises應(yīng)力值小于復(fù)合板的Mises等效應(yīng)力σ，測(cè)點(diǎn)4、5附近材料并未發(fā)生斷裂。分析可知由于裝藥結(jié)構(gòu)3裝藥孔兩側(cè)導(dǎo)向溝槽的存在，其內(nèi)部空氣使作用于溝槽的沖擊波波峰壓力大大降低，導(dǎo)致裝藥結(jié)構(gòu)3裝藥孔周圍裂縫最遠(yuǎn)擴(kuò)至裝藥孔兩側(cè)導(dǎo)向溝槽的盡頭，難以與其相鄰的溝槽貫通。切斷結(jié)構(gòu)預(yù)想設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 切斷結(jié)構(gòu)預(yù)想圖

3 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)，以及數(shù)值模擬分析具體數(shù)據(jù)的方法，研究了導(dǎo)向孔與導(dǎo)向溝槽是否可以應(yīng)用于碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合板的切割問題，結(jié)論如下：（1）在薄板的切割中，在導(dǎo)向孔處產(chǎn)生稀疏波，但導(dǎo)向孔與裝藥孔間距較大，產(chǎn)生的稀疏波應(yīng)力不足以拉裂材料，需縮小導(dǎo)向空孔與裝藥孔間距或增大導(dǎo)向空孔半徑。（2）炸藥爆炸是使板材開裂的主要原因，為增強(qiáng)炸藥爆炸的能量利用率，需在裝藥孔背面粘貼銅片等材料慣性約束炸藥能量。（3）導(dǎo)向溝槽產(chǎn)生稀疏波強(qiáng)度小于導(dǎo)向孔，但是其本身即為裂縫，因此可以保留，在保持碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合板初始狀態(tài)不斷裂的情況下，可以延長(zhǎng)。（4）給出新的裝藥結(jié)構(gòu)，即保持裝藥結(jié)構(gòu)1中布藥方式，在板材邊緣用導(dǎo)向溝槽取代導(dǎo)向孔，裝藥孔之間保留導(dǎo)向溝槽結(jié)構(gòu)。

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Study on Explosion Separation of Thin Carbon Fiber Epoxy Resin Composites

HU Kun-lun，WANG Zhi-fu，WANG Meng，LI Yi，HAN Ti-fei

(School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan, 232000)

To separate the thin carbon fiber resin composite plate by the explosion, the charge structure was designed and verificated by test. According to the experimental scheme, the numerical simulation was carried out using the AUTODYN software. By setting the measuring points, the maximum Mises stress value generated by the explosion of the measuring points of different charging structures was obtained. The mechanism of action of each charge structure was analyzed, then the charge structure of further experiments was optimized, finally, the reference basis for pyrotechnics of explosive separation components in complex engineering environment was provided.

Charge structure；Composite material；Numerical simulation；Separation

TJ450.3

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.04.002

1003-1480（2019）04-0006-04

2019-04-16

胡坤倫（1962-），男，教授，從事爆破技術(shù)理論與應(yīng)用教學(xué)與研究工作。

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（51604009）。