王 威,趙 錚

(南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 南京 210094)

0 引言

火工分離裝置因其結(jié)構(gòu)簡單,作用可靠的優(yōu)點(diǎn)目前廣泛用于完成運(yùn)載器或?qū)椫g的有效載荷分離與級(jí)間分離等功能[1-2]。聚能切割索作為一種帶有聚能槽的索類火工品能夠通過爆轟能量產(chǎn)生高密度、高速度的金屬射流,該射流會(huì)沿著聚能槽軸線向外射出,形成聚能效應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)平板的切割與分離[3]。相較于傳統(tǒng)切割方法,聚能切割的高效、同步性高與可靠等優(yōu)點(diǎn)較為突出,因此在軍民領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增加,如管道切割、飛機(jī)彈射救生通道清理及運(yùn)載器頭罩分離等。

目前有關(guān)聚能切割的相關(guān)研究大部分集中在材料的破壞特性與射流的侵徹能力方面,何志杰等[4]采用數(shù)值模擬的方法研究了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在聚能射流下的斷裂機(jī)理,得到了層合板在射流作用下的端口損傷、加速度響應(yīng)和能量變化情況;謝星博等[5]對(duì)線型聚能切割器在水下切割鋼板的性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,得到了水介質(zhì)會(huì)阻礙射流形成嚴(yán)重影響切割性能的結(jié)論;羅震等[6]研究了利用線型鉛管聚能切割索實(shí)現(xiàn)運(yùn)載器鋁頭罩分瓣分離的設(shè)計(jì)方案,得到了頭罩分離體的運(yùn)動(dòng)方程;陳鋒等[7]通過試驗(yàn)對(duì)切割索對(duì)接結(jié)構(gòu)和三通傳爆管的節(jié)點(diǎn)傳爆性能和射流分布進(jìn)行了分析,結(jié)果表明三通傳爆管射流連續(xù)性優(yōu)于切割索對(duì)接結(jié)構(gòu)。

本文利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件LS-DYNA對(duì)線性聚能切割索切割分離帶配重平板過程進(jìn)行了仿真,得到了平板切割后的橫向分離速度曲線與平板上方200 mm處的超壓曲線,仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符合,同時(shí)分析了無壓板與平板預(yù)切割對(duì)于驅(qū)動(dòng)平板能力的影響,為聚能切割索切割分離平板提供了方法與思路。

1 切割分離仿真

1.1 有限元仿真模型

采用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)本文中的切割分離平板建立有限元模型,平板整體模型如圖1所示。靶板寬為300 mm,整體厚度為21 mm,切割厚度為7 mm,配重板寬為100 mm,厚度為10 mm,壓板長寬為30 mm,厚度為 10 mm,受限于計(jì)算能力,本文中所建立的有限元模型為單層實(shí)體,總網(wǎng)格數(shù)為171 952。

通過HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到局部有限元網(wǎng)格模型如圖2所示(未顯示空氣域)。平板、壓板與配重板采用Lagrange實(shí)體網(wǎng)格,炸藥、藥型罩與空氣域采用ALE網(wǎng)格。

圖2 局部有限元網(wǎng)格模型Fig.2 Local finite element mesh model

壓板左側(cè)與平板自由搭接,壓板右側(cè)與平板通過螺紋連接。仿真模型中通過接觸模擬自由搭接,壓板右側(cè)與平板通過共節(jié)點(diǎn)模擬螺紋連接。

在劃分網(wǎng)格時(shí),需要對(duì)切割槽附近的流體與固體網(wǎng)格進(jìn)行加密,同時(shí)由于本文中的仿真需要采用流固耦合的方法,為了避免計(jì)算出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象,應(yīng)盡量滿足網(wǎng)格的連續(xù)性以保持?jǐn)?shù)值解的穩(wěn)定性[8]。

1.2 材料模型

本文中所涉及到的材料有炸藥黑索今、鉛銻合金藥型罩、鋁平板、鋼配重板與空氣。

在LS-DYNA中,對(duì)于常用的炸藥如黑索今、泰安等通常選取高能炸藥模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN來定義,該模型通過下式確定某一時(shí)刻炸藥材料單元上的力:

P=FPeos(ν,E)

式中:F為炸藥反應(yīng)的部分;ν為比體積;E為每單位初始體積的內(nèi)能。因此該模型需要一個(gè)狀態(tài)方程來求解,本文中所選用的狀態(tài)方程為JWL方程,此方程能夠體現(xiàn)在爆炸驅(qū)動(dòng)過程中的爆轟產(chǎn)物的壓力、體積與能量特征:

本文中炸藥的材料參數(shù)如表1所示。平板材料與配重板材料采用Johnson-Cook模型與Gruneisen狀態(tài)方程共同描述,此模型適用于大應(yīng)變率的情況。表2為平板、壓板與配重板的材料參數(shù)。

表1 炸藥的材料模型參數(shù)Table 1 Material model parameters of explosives

表2 平板、壓板與配重板的材料模型參數(shù)Table 2 Material model parameters of flat plate, pressure plate and counterweight plate

鉛銻合金藥型罩選取LS-DYNA中的材料模型*MAT_ELASTIC描述,這種線彈性材料具有各向同性的特點(diǎn),其密度為11.35 g/cm3,楊氏模量為1.7 GPa,泊松比為0.42?？諝庥虻牟牧夏Ｐ蜑?MAT_NULL,其與Gruneisen狀態(tài)方程共同定義。

1.3 仿真結(jié)果分析

提取右側(cè)平板的x軸速度時(shí)間數(shù)據(jù),得到的平板分離速度曲線如圖3所示。在150 μs內(nèi),平板橫向分離速度的最大值達(dá)到8.32 m/s,由于壓板結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性導(dǎo)致分離期間壓板與左側(cè)平板干涉,因此分離速度在53 μs處大幅下降,但隨后又在爆轟產(chǎn)物的驅(qū)動(dòng)下加速,最終達(dá)到峰值。

圖3 平板分離速度曲線Fig.3 Curve of target plate separation velocity

提取平板上方200 mm處超壓,得到的曲線如圖4所示。得到的平板上方200 mm處超壓峰值為0.032 MPa,與試驗(yàn)中測(cè)得超壓 0.031 MPa一致。

圖4 平板上方200 mm處超壓曲線Fig.4 Overpressure curve at 200 mm above target plate

結(jié)合分離速度與超壓曲線分析,起爆后在爆轟產(chǎn)物的驅(qū)動(dòng)下平板速度逐漸增大,分離速度在53 μs處由于干涉大幅下降,此時(shí)200 mm處沖擊波超壓達(dá)到峰值。此后平板速度持續(xù)上升,超壓則大幅下降趨于小幅震蕩狀態(tài)。

1.4 無壓板時(shí)平板的分離

由于爆轟驅(qū)動(dòng)下平板的分離會(huì)與壓板產(chǎn)生干涉,因此有必要研究壓板對(duì)平板分離速度的影響?；谝陨蠑?shù)值仿真,對(duì)無壓板的有限元模型進(jìn)行計(jì)算,得到無壓板情況下平板的分離速度曲線,分離速度的峰值為5.2 m/s。如圖5的無壓板時(shí)的局部壓力云圖所示,由于沒有壓板的存在,部分爆轟產(chǎn)物從上方泄露而未驅(qū)動(dòng)平板做功。高溫高壓的爆轟產(chǎn)物泄露導(dǎo)致平板的分離速度相較于有壓板時(shí)下降了約30%。

圖5 無壓板時(shí)的局部壓力云圖Fig.5 Local pressure cloud image without pressure plate

射流切割過程可能會(huì)影響平板的分離速度,預(yù)先將平板切割槽下部材料去除,模擬平板預(yù)切割的情況,消除射流切割過程的影響。最終得到無壓板且平板預(yù)切割條件下的分離速度峰值為4.85 m/s。

上述2種情況得到的無壓板與預(yù)切割情況下平板的分離速度曲線如圖6所示?？芍跓o壓板的條件下,聚能射流在短的時(shí)間內(nèi)將平板侵徹使其斷裂,射流切割過程對(duì)平板的分離速度影響較小。

圖6 無壓板與預(yù)切割情況下平板的分離速度曲線Fig.6 Curve of the separation velocity of the target plate under the condition of unpressed plate and pre-separation

2 切割分離試驗(yàn)

本次切割分離平板的試驗(yàn)裝置圖如圖7所示。平板中部設(shè)有外殼為鉛銻合金的線性聚能切割索,裝藥為黑索金,裝藥密度約為8.5 g/m。鋁制壓板與2塊各重2.34 kg的鋼制配重板通過螺栓與平板進(jìn)行連接。切割索端部上方壓板的打孔處為電爆管的起爆位置。試驗(yàn)時(shí),待切割分離平板倒置于試驗(yàn)架上,靶板中部距離試驗(yàn)架兩側(cè)距離為300 mm,試驗(yàn)架中部開口,距壓板下方200 mm處安裝有壓電式超壓傳感器,其中傳感器量程為2 MPa,傳感器的靈敏度為2 500 mv/MPa。

圖7 試驗(yàn)裝置圖Fig.7 Picture of test device

整個(gè)試驗(yàn)過程通過高速錄像全程記錄,高速錄像幀頻設(shè)置為1 000 fps,拍攝時(shí)采用后觸發(fā)的觸發(fā)方式,最多可錄制5 s的視頻內(nèi)容。通過視頻后處理軟件將原視頻按每幀截取為圖片,則得到的每張圖片間隔為1 ms。最終得到平板分離運(yùn)動(dòng)軌跡,結(jié)合已知的幾何尺寸計(jì)算即可得到平板分離的速度。截取后得到的平板分離過程圖如圖8所示,通過圖片可以看到,起爆后40 ms時(shí)平板向兩側(cè)各分離300 mm,可以得到平板的平均分離速度約為7.5 m/s。數(shù)值模擬得到的分離速度峰值8.32m/s與試驗(yàn)測(cè)得的平均分離速度之間差異在10%以內(nèi),符合工程實(shí)際需求。

圖8 平板分離過程圖Fig.8 Diagram of plate separation process

試驗(yàn)所得壓板下方200 mm處的超壓曲線如圖9所示。測(cè)得的超壓峰值為0.031 MPa,與仿真計(jì)算得到的超壓峰值0.032 MPa一致。通過上述數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知,本文中有限元模型的精度能夠滿足需求,可以用于線性聚能切割索切割分離平板的數(shù)值仿真。

圖9 壓板200 mm處超壓曲線Fig.9 Overpressure curve at 200 mm of the pressure plate

3 結(jié)論

通過線性聚能切割索切割分離平板的數(shù)值仿真與試驗(yàn)結(jié)果分析,得到如下結(jié)論:

1) 切割分離過程中平板分離速度和沖擊波超壓的數(shù)值仿真與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,表明仿真模型的精確度較高,可開展聚能切割分離平板的仿真研究。

2) 在切割分離過程中,壓板能夠限制爆轟產(chǎn)物的泄露從而提高平板的分離速度。無壓板時(shí)平板的分離速度相較于有壓板時(shí)下降了約30%,平板射流切割過程對(duì)平板的分離影響較小。