胡坤倫，薛克軍，何志杰，趙 康，夏治園，宋凡平，韓體飛

(安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

近年來，隨著材料技術(shù)和生產(chǎn)工藝的提升，越來越多的復(fù)合材料應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。在航空領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料以其質(zhì)量輕、強(qiáng)度大的特點(diǎn)成為發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料的首要選擇。而在其機(jī)匣包容試驗(yàn)中[1]，需要對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的葉片進(jìn)行切斷，其分離技術(shù)主要包括聚能炸藥索、氣缸式炸藥索、膨脹管等[2]，目前國內(nèi)外爆炸分離技術(shù)主要集中于分離裝置的設(shè)計(jì)及分離性能優(yōu)化研究。Jiang等[3]在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料受高速?zèng)_擊試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，層合板在高應(yīng)變率下破壞應(yīng)力比低應(yīng)變率下較大；胡坤倫等[4]采用軸向和側(cè)向打孔的分離方式，利用數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)探究的方法精確控制了裝藥參數(shù)，得到了最小壁厚、裝藥直徑和緩沖層厚度之間的最佳比例關(guān)系；Takeuchi等[5]利用簡單圓柱殼體建立模型，對(duì)航天器的分離斷裂過程進(jìn)行模擬，對(duì)沖擊響應(yīng)做出了判斷；Kim等[6]在環(huán)氧樹脂基碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料受冰彈高速?zèng)_擊試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料在出現(xiàn)大變形前即開始發(fā)生材料破壞；杜家政等[7]以指定區(qū)域最小塑性應(yīng)變最大為目標(biāo)，以最大應(yīng)力為約束進(jìn)行優(yōu)化，獲得最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，再調(diào)整裝藥量，以保證完成分離動(dòng)作。

本文通過C型聚能裝藥結(jié)構(gòu)、線性聚能切割器2種方式探究碳纖維復(fù)合材料編織板切斷方法，并利用AUTODYN中的SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)法對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其斷裂過程。

1 爆炸分離試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所采用碳纖維復(fù)合材料編織板長、寬(設(shè)為x、y方向)均為120 mm，高(z方向)為15 mm(見圖1)。

采用2種切斷方法，分別為C型聚能裝藥結(jié)構(gòu)和線性聚能切割器，分別對(duì)應(yīng)1#板、2#板。1#板采用彎曲為C字型的1 mm厚鉛皮做背皮，內(nèi)裝有鈍化黑索金，用紙片黏住底部缺口，防止黑索金灑落，板兩側(cè)均設(shè)有裝藥結(jié)構(gòu)，以膠帶固定，裝藥密度為1.0 g/cm3，單側(cè)裝藥質(zhì)量為24 g，采用雷管引爆導(dǎo)爆索從而引爆鈍化黑索金的方式引爆。2#板采用與1#板相同的鉛皮，彎曲成拱形；藥型罩采用1 mm厚紫銅材質(zhì)，角度為60°，板兩側(cè)均設(shè)有裝藥結(jié)構(gòu)，以膠帶固定，裝藥量和引爆方式與1#板保持一致，根據(jù)聚能切割器使用規(guī)程，切割器與板材直接貼合，不設(shè)炸高[8]。具體裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

引爆后，收集板材觀察試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，1#板、2#板完全被切斷，且1#板的爆炸切口較為平整，2#板爆炸切口較為粗糙，甚至出現(xiàn)部分板體脫落現(xiàn)象。結(jié)合2塊板的斷裂情況來看，1#板的破壞主要是由爆炸載荷的強(qiáng)壓縮破壞為主，2#板的斷裂除了有沖擊波的壓縮作用，其主要破壞是由藥型罩和其產(chǎn)生的射流導(dǎo)致。

1#板由于采用C型裝藥，具有較強(qiáng)的能量約束作用，當(dāng)炸藥開始爆炸后，率先產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)過C型鉛皮內(nèi)壁的反射作用，使C型裝藥內(nèi)部的壓力急劇增大，產(chǎn)生二次壓縮作用，被壓縮的沖擊波會(huì)與傳向板材的沖擊波相疊加，形成一道強(qiáng)激波，其峰值壓力對(duì)板產(chǎn)生的壓應(yīng)力超過了板材的抗壓強(qiáng)度，使板材直接斷裂，而沒有在板材中產(chǎn)生拉伸波，從而形成一道較為平整的切口，沒有出現(xiàn)碳纖維束和基質(zhì)的解離。

2#板的斷裂首先是由于爆炸壓力使藥型罩產(chǎn)生金屬射流撞擊板材，隨后射流開始侵徹復(fù)合板，在剪切作用下，板材發(fā)生部分?jǐn)嗔?。但是，由于不設(shè)炸高，射流還未充分形成就到達(dá)復(fù)合板，射流侵徹能力有限，導(dǎo)致平板表面出現(xiàn)較大損傷。同時(shí)，在切割過程中，復(fù)合板內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波，在壓應(yīng)力的作用下，復(fù)合板被壓斷。在壓斷之前，入射波在自由面反射一定拉伸波[9]，產(chǎn)生部分拉伸作用，使板材產(chǎn)生解離現(xiàn)象。部分板體的脫落極有可能是由于藥型罩在射流產(chǎn)生后頂端形成的杵體以極高的速度撞擊導(dǎo)致的。

2 數(shù)值模擬

為充分了解在爆炸過程中復(fù)合板的分離機(jī)理，使用有限元分析軟件AUTODYN進(jìn)行分析處理，為避免裝藥結(jié)構(gòu)和板材在模擬仿真中出現(xiàn)的大變形和破碎而導(dǎo)致的計(jì)算失真，故選用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)法(SPH)進(jìn)行數(shù)值仿真。該方法的基本思想是將整個(gè)流場的物質(zhì)離散為一系列具有質(zhì)量、速度和能量的粒子[10]，每個(gè)粒子具有不同的力學(xué)特征，通過核函數(shù)進(jìn)行積分、估值，進(jìn)而求得流場中不同時(shí)刻、不同位置的動(dòng)力學(xué)量，無須網(wǎng)格重構(gòu)，可保證計(jì)算精度[11]。同時(shí)在復(fù)合板上設(shè)置多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，以監(jiān)測在爆炸載荷下該處的應(yīng)力和速度。

2.1 計(jì)算模型

復(fù)合板和裝藥結(jié)構(gòu)的具體尺寸與上述爆炸分離試驗(yàn)方案相同，具體模型尺寸如圖4所示。

根據(jù)碳纖維復(fù)合板材料性質(zhì)，計(jì)算采用正交各向異性O(shè)rtho本構(gòu)模型、Orthotropic Yield強(qiáng)度模型和Orthotropic Softening失效模型[12]，其狀態(tài)方程參數(shù)如表1所示，其余所用鉛和紫銅的狀態(tài)參數(shù)如表2所示。1#板和2#板采用的黑索金使用JWL狀態(tài)方程描述，其狀態(tài)參數(shù)如表3所示。采用整體式建模，并在每塊復(fù)合板上設(shè)置5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，其中1#、2#、3#位于y方向復(fù)合板厚度中心線上，4#、5#點(diǎn)位于x方向復(fù)合板厚度中心線兩端，主要用來監(jiān)測應(yīng)力和速度，判斷復(fù)合板是否斷裂，計(jì)算模型如圖5所示。

表1 碳纖維復(fù)材板結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 金屬材料模型參數(shù)

表3 RDX 炸藥計(jì)算參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

1#板、2#板分離的模擬結(jié)果如圖6所示。

從模擬結(jié)果來看，兩板都成功斷裂。1#板斷裂切口較為平整，符合沖擊波一次沖擊壓縮斷裂的結(jié)果，其表面飛散粒子為爆轟氣體和產(chǎn)物對(duì)爆炸切口的破壞導(dǎo)致。2#板爆炸切口較大，切口處較為毛躁，且切口處形成大量飛散粒子，為未充分形成的射流導(dǎo)致的較大面積的損傷；同時(shí)，觀察到板的x方向兩側(cè)形成裂紋，說明有較強(qiáng)的應(yīng)力波向復(fù)合板的兩側(cè)傳播，經(jīng)過自由面的反射拉伸導(dǎo)致的裂紋，使復(fù)合板的兩側(cè)形成較大的側(cè)向力，這與圖3b中的2#板左側(cè)邊緣出現(xiàn)的破損一致。經(jīng)過對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)模擬斷裂效果和實(shí)際斷裂效果基本一致，說明模擬結(jié)果符合實(shí)際。

因監(jiān)測點(diǎn)1#、3#對(duì)稱，4#、5#對(duì)稱，現(xiàn)分析監(jiān)測點(diǎn)1#、2#、4#的速度。1#板和2#板監(jiān)測點(diǎn)1#、2#、4#在x方向的速度如圖7所示。

由圖7a、圖7b、圖7d、圖7e可以看出，1#板和2#板在分離過程中都經(jīng)歷了4個(gè)階段。對(duì)于1#板來說，在第1階段，炸藥爆轟結(jié)束瞬間，復(fù)合板在沖擊壓縮的作用下，監(jiān)測點(diǎn)1#、2#的速度瞬間呈指數(shù)式增長至82 m/s和200 m/s左右，到達(dá)第1段峰值；第2階段，監(jiān)測點(diǎn)在附近物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的約束作用下，速度開始變緩或衰減；第3階段，在炸藥爆炸產(chǎn)生的高溫高壓氣體膨脹作用下，監(jiān)測點(diǎn)1#、2#的速度再次發(fā)生增長，達(dá)到92 m/s和260 m/s，到達(dá)第2段峰值；第4階段，粒子飛散，產(chǎn)生相互碰撞，其后速度呈自由飛散狀。對(duì)于2#板來說，其4個(gè)階段與1#板相似，只不過作用方式不同，在第1階段，在金屬射流和沖擊壓縮的共同作用下產(chǎn)生了監(jiān)測點(diǎn)速度的第1階段峰值，分別達(dá)到了180 m/s和 1 650 m/s左右；第2階段，由于射流速度的衰減和監(jiān)測點(diǎn)附近物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的約束作用，監(jiān)測點(diǎn)速度開始衰減；第3階段，爆生氣體推動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)速度繼續(xù)增加，其速度達(dá)到400～500 m/s；第4階段，粒子飛散，可能與射流粒子發(fā)生相互碰撞，其后速度也呈自由飛散狀。同時(shí)，由圖7c、圖7f可知，1#板在0.013 ms附近開始發(fā)生速度增加，這與1#板的監(jiān)測點(diǎn)1#、2#自由飛散階段時(shí)間相近，證明在此時(shí)復(fù)合板發(fā)生斷裂，其在x方向分散最大速度為145 m/s；同理，2#板在0.015 ms附近開始發(fā)生速度增加，這與2#板的監(jiān)測點(diǎn)1#、2#自由飛散階段時(shí)間相近，證明在此時(shí)復(fù)合板發(fā)生斷裂，其在x方向分散最大速度為255 m/s。

為進(jìn)一步分析復(fù)合板斷裂程度，現(xiàn)采用Tsai-Wu張量強(qiáng)度準(zhǔn)則做出理論判斷。根據(jù)Tsai-Wu張量準(zhǔn)則判定標(biāo)準(zhǔn)，若監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力值組合使張量式F≥1，則監(jiān)測點(diǎn)區(qū)域的板材斷裂，且數(shù)值越大，爆炸載荷在該點(diǎn)區(qū)域破壞作用越大。

Tsai-Wu張量準(zhǔn)則多項(xiàng)式[13]：

(1)

根據(jù)上述公式，結(jié)合1#板、2#板監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力值，得到F值(見表5)。

表5 1#板、2#板監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力值和F值

由表5可知，1#板、2#板監(jiān)測點(diǎn)的F值均大于1，這表明復(fù)合板斷裂完全。且各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的F值都比恰好斷裂的時(shí)的大2～8倍左右，表明實(shí)際裝藥量較大，導(dǎo)致復(fù)合板側(cè)面生了較大的側(cè)向力，復(fù)合板在斷裂后飛出速度較大，這一點(diǎn)，從圖7c、圖7f也可以看出。

3 結(jié)論

1)經(jīng)過試驗(yàn)，對(duì)比2種切斷方式，C型聚能裝藥結(jié)構(gòu)和線性聚能切割器均能成功切斷復(fù)合板。C型聚能裝藥結(jié)構(gòu)形成一道強(qiáng)激波，其峰值壓力對(duì)板產(chǎn)生的壓應(yīng)力超過了板材的抗壓強(qiáng)度，使板材直接斷裂，切口較為平整；線性聚能切割器由于未設(shè)炸高，侵徹復(fù)合板時(shí)射流未充分形成，導(dǎo)致切口有較大損傷，且入射波在自由面反射一定拉伸波，產(chǎn)生部分拉伸作用，使板材產(chǎn)生碳纖維束和基質(zhì)的解離現(xiàn)象，形成的切口沒有C型聚能裝藥結(jié)構(gòu)切口平整。

2)通過數(shù)值模擬，分析出切口處復(fù)合板粒子飛散速度，得到復(fù)合板在分離過程中經(jīng)歷了4個(gè)階段，切口粒子形成2次峰值速度；并通過Tsai-Wu張量強(qiáng)度準(zhǔn)則，計(jì)算出復(fù)合板在各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)斷裂完全，各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的F值都比恰好斷裂時(shí)的F=1大2～8倍左右，說明試驗(yàn)藥量較大，應(yīng)適當(dāng)減少藥量。

3)綜合本次試驗(yàn)來看，C型聚能裝藥結(jié)構(gòu)切斷效果最佳。但是如果在切割器使用規(guī)程允許的前提下，找到最佳炸高，分離效果應(yīng)該更好，因?yàn)镃型聚能裝藥結(jié)構(gòu)在切割過程中會(huì)產(chǎn)生由較大的側(cè)向力，很難避免，但是在最佳炸高作用下的線性聚能切割器能一定程度避免炸藥爆炸產(chǎn)生的氣體作用，由高速射流侵徹切開，產(chǎn)生較小的側(cè)向力。

4)本文所提供的切斷方法和試驗(yàn)思路，為此類爆炸分離提供了有利的數(shù)據(jù)支撐，也為今后的優(yōu)化試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。