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        基于AUTODYN的火工品爆炸沖擊響應仿真分析

        2018-05-17 01:48:56楊澤雨
        導彈與航天運載技術 2018年2期
        關鍵詞:火工品火藥炸藥

        薛 鋒,張 剛,王 飛,韓 銘,楊澤雨

        0 引 言

        航天器在飛行過程中,火工品裝置爆炸會在鄰近結構上產(chǎn)生劇烈的瞬態(tài)機械響應[1~4]。而火工品爆炸會在結構上產(chǎn)生劇烈的瞬態(tài)沖擊加速度響應。這種強烈的高頻沖擊所產(chǎn)生的高沖擊、寬頻帶的爆炸沖擊環(huán)境極易造成航天器結構和儀器設備的損傷及故障,從而導致設備無法正常工作,甚至造成發(fā)射失敗。因此,爆炸沖擊環(huán)境對航天器系統(tǒng)的儀器設備是不可忽略的力學環(huán)境,必須進行相應的地面試驗驗證,考核儀器設備的工作穩(wěn)定性。但由于航天器結構尺寸復雜且比較大,每個部段都進行真實試驗不僅費時、費力,而且成本極大。目前通常采用火工式爆炸沖擊模擬試驗來考核產(chǎn)品,從而降低試驗成本及周期。

        由于火工品爆炸沖擊是一種復雜的非線性瞬態(tài)響應過程,伴隨著高溫、高壓的物理過程,同時還涉及到炸藥與空氣、炸藥與結構及結構與空氣的動態(tài)相互耦合作用[4],因此相關的研究、文獻資料少。目前研究主要通過試驗提出一些經(jīng)驗規(guī)律及通過數(shù)值計算軟件進行模擬研究,但對于爆炸載荷作用下結構的高頻響應計算比較困難。

        AUTODYN軟件是一個顯式非線性動力分析軟件,可以解決固體、流體、和液體的動態(tài)特性及他們之間的相互作用的高度非線性動力學問題[6]。在航天、航空及軍工行業(yè)中具有重要的應用價值。爆炸沖擊是一個高度非線性的動態(tài)問題,屬于大變形、強非線性問題,同時還涉及到流體與固體的瞬態(tài)耦合作用。在火工品爆炸沖擊中,流體材料(空氣、炸藥)采用歐拉網(wǎng)格,其它結構(響應板)采用拉格朗日網(wǎng)格,然后通過通用接觸設置它們之間流固耦合相互作用。本文以AUTODYN軟件為計算平臺,對火藥激勵響應板爆炸沖擊模擬試驗裝置的沖擊加載過程及響應進行了仿真分析,并得到了響應板上近場、中場、遠場的變化規(guī)律,進行了響應的試驗驗證。通過仿真計算分析及相關試驗研究,最終實現(xiàn)了高量級火工品爆炸沖擊環(huán)境。為火工品激勵響應板爆炸沖擊模擬試驗提供了一定的指導。

        1 仿真計算模型

        1.1 火藥激勵響應板模型

        仿真計算模型以火藥激勵響應板爆炸沖擊模擬試驗裝置試驗為基礎,其中響應板為1.2 m×0.6 m×0.01 m的鋼板,材料選用08F優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼。根據(jù)試驗研究和分析,火藥選用 PBX9010,質(zhì)量為10.2 g,結合試驗經(jīng)計算采用直徑為18.18 mm,厚度為5.5 mm的圓柱體火藥模型。試驗裝置如圖1所示。

        圖1 火藥激勵響應板爆炸沖擊模擬試驗裝置Fig.1 The Pyrotechnically Excitation Device Simulator

        1.2 網(wǎng)格密度選取

        AUTODYN軟件提供了拉格朗日(Lagrange)、歐拉(Euler)、任意拉格朗日歐拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)、光滑粒子流體動力(Smoothed Part icle Hydrodynamics,SPH)和多物質(zhì)流固耦合方法等多個求解器[7]。爆炸沖擊是一個高度非線性的動態(tài)問題,屬于大變形、強非線性問題,同時還涉及到空氣爆炸載荷、響應板與工裝結構等的相互耦合作用。由于多物質(zhì)流固耦合方法中,一些子域用歐拉法,另一些子域上用拉格朗日法,子域分離或者重疊[8]。在火工品爆炸沖擊中,流體材料(空氣、炸藥)采用歐拉和ALE算法,對其他的結構(響應板)采用拉格朗日算法,然后通過流固耦合方式來處理相互作用。將流固分開建模,并通過流固耦合的方式來處理相互作用,能方便的建立爆炸模型。這里我們選用多物質(zhì)流固耦合方法。

        火藥激勵響應板模型如圖 2所示,響應板采用Lagrange方法,實際劃分的網(wǎng)格尺寸大致為5 mm×5 mm×2 mm,單元總數(shù)為36 000個,同時在模型中建立了 7個高斯觀測點進行數(shù)據(jù)的記錄,響應板外圍與炸藥接觸處空氣采用Euler算法,Euler網(wǎng)格尺寸應小于Lagrange網(wǎng)格,為了獲得準確的耦合相互作用,開展了多種工況的仿真計算分析:Euler和Lagrange網(wǎng)格尺寸比為1:1、1:2、1:4、1:5及1:7五種工況,經(jīng)計算分析發(fā)現(xiàn),當Euler和Lagrange網(wǎng)格尺寸比例為1:1至1:4和1:5至1:7之間時,誤差較大,而在1:4和1:5之間時誤差較小,故Lagrange網(wǎng)格尺寸應選為4~5倍的Euler網(wǎng)格尺寸。計算過程中發(fā)現(xiàn)Euler網(wǎng)格過大,甚至Euler網(wǎng)格尺寸大于Lagrange網(wǎng)格尺寸時,Euler網(wǎng)格會穿過Lagrange網(wǎng)格發(fā)生耦合泄露,經(jīng)過網(wǎng)格細化之后這種現(xiàn)象得到了很好的抑制。由于空氣域尺寸大細網(wǎng)格會帶來模型網(wǎng)格數(shù)量大幅度增加和計算時間步長變短,對于較大的模型,計算所需的時間耗費巨大,所以只對響應板與炸藥接觸處的空氣網(wǎng)格加密,加密計算模型如圖3所示。

        圖2 火藥激勵響應板模型Fig.2 The Pyrotechnically Excitation Plate Models

        圖3 火藥激勵響應板流固耦合模型(1/4模型)Fig.3 The Fluid-solid Coupling Models of Pyrotechnically Excitation Plate

        1.3 三維流固耦合模型

        本文以火藥激勵響應板爆炸沖擊模擬試驗裝置作為計算模型,仿真計算用AUTODYN顯式非線性動力分析軟件。根據(jù)模型的對稱性,計算模型只取1/4模型,在該模型中,響應板結構采用體單元而不是殼單元。

        仿真計算用炸藥為 PBX9010,質(zhì)量為 10.2 g,PBX9010的配方為90%(質(zhì)量分數(shù),下同)RDX(黑索金)和 10%Kel-F3700(三氟氯乙烯/偏氟乙烯共聚物)。炸藥、空氣采用3D多物質(zhì)Euler算法,空氣外圍施加壓力流出邊界條件來模擬無限空氣域。響應板采用Lagrange求解器,結合火藥激勵響應板爆炸沖擊模擬試驗裝置實際試驗情況定義響應板沿寬度方向固支。模型采用歐拉-拉格朗日耦合作用進行計算,這里選用完全耦合進行計算。

        2 材料計算模型參數(shù)

        2.1 PBX9010炸藥的狀態(tài)方程

        爆轟產(chǎn)物中的壓力用JWL狀態(tài)方程[8]來描述:

        式中 E為單位質(zhì)量內(nèi)能;υ為比容;A,B,R1,R2,ω為常數(shù)。其中,式(1)右端第1項在高壓段起主要作用,第2項在中壓段起主要作用,第3項代表低壓段[6,9]。在爆轟產(chǎn)物膨脹的后期,方程式前 2項的作用可以忽略。PBX9010炸藥爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程參數(shù),如表1所示。

        表1 PBX9010爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程參數(shù)Tab.1 The Parameters of JWL Equation of State Detonation Product for PBX9010

        2.2 響應板材料模型

        響應板的材料為08F優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼。在本文中,08F優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼的強度模型采用 Johnson-Cook。該強度模型可以考慮高溫高壓下材料應變硬化、應變率硬化、溫度軟化的影響,適用于描述金屬材料從低應變率到高應變率下的動態(tài)行為[8]。

        Johnson-Cook強度模型表達式為

        式中 C為屈服強度;D,n為應變的強化系數(shù);E1為應變率的敏感系數(shù);npε為等效塑性應變;*pε為塑性應變率;m為溫度軟化參數(shù)。

        2.3 空氣材料模型

        空氣采用理想氣體模型,模型如下:

        式中 p為氣體壓力;pA為外部環(huán)境壓力;ρ為初始空氣密度;R為氣體常數(shù);θ為初始氣體溫度;θZ為絕對零度。計算中,初始空氣域初始溫度為300 K,密度為1.177 kg/m3,氣體常數(shù)為 287 J/(kg?K),外界空氣壓力pA為 101 340 Pa。

        3 仿真計算結果分析

        根據(jù)前期大量經(jīng)驗積累,使用直徑為36.36 mm,厚度為5.5 mm的圓柱體火藥激勵響應板中心位置,其中炸藥為圓柱形,高5.5 mm,半徑為18.18 mm,爆心(Detonation)坐標為(0,0,-5.5)位于響應板中心處,對響應板的瞬態(tài)沖擊響應過程進行了數(shù)值模擬。計算時,在響應板的不同位置設置了監(jiān)測點,研究響應板的近區(qū)、中區(qū)、遠區(qū)等不同位置的爆炸沖擊響應及其傳遞規(guī)律,獲取沖擊環(huán)境變化規(guī)律,從而指導火工品爆炸沖擊試驗,優(yōu)化裝置的設計,縮短調(diào)試時間,降低試驗成本,實現(xiàn)高量級、高頻率火工品爆炸沖擊環(huán)境的可控性及工程實用性。響應板 7個監(jiān)測點的具體位置見表2。

        表2 測點位置區(qū)域劃分及特點Tab.2 Region Partition and Characteristics of Measuring Points

        圖4為響應板在t=1.998 ms時的火藥激勵位置附近的變形情況與應力云圖,在爆炸沖擊作用下響應板產(chǎn)生了明顯的塑性變形。在該時刻屬于爆轟波高壓階段,高頻沖擊較大,炸藥起爆后響應板在 t=1.998 ms時,響應板就已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的變形。說明炸藥爆炸瞬間,爆炸物質(zhì)在有限的空間和極短的時間內(nèi)釋放出大量能量,產(chǎn)生的大量高溫、高壓產(chǎn)物迅速擠壓周圍介質(zhì),使介質(zhì)的壓強、密度、溫度等物理量迅速上升從而形成爆炸沖擊波,爆炸沖擊波與響應板發(fā)生相互作用,使響應板發(fā)生塑性變形。圖5為在t=1.998 ms時的仿真模型變化情況。

        圖4 響應板應力云圖Fig.4 The Stress Nephogram of Plate

        圖5 t=3.563ms時的仿真模型變化情況Fig.5 The Changes of Simution Models When t=3.563ms

        3.1 仿真計算結果數(shù)據(jù)處理分析

        該模型共設置了7個Gauge點,每個監(jiān)測點距離火藥激勵位置不同,通過計算得到了近場、中場的數(shù)據(jù)。針對仿真計算數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)處理軟件Matlab編程進行了處理,得到了相應的時域圖及沖擊響應譜曲線圖。G1~G4的加速度時程曲線如圖 6所示。由圖 6可知,隨著測點離炸藥激勵位置距離的增大,響應板加速度響應幅值整體呈遞減趨勢。在炸藥爆炸瞬間,響應板上瞬間激起一高頻、高量級沖擊信號,隨著時間的增加,該信號瞬間衰減。

        圖6 仿真計算數(shù)據(jù)處理結果Fig.6 The Data Processing Results of Simulation

        續(xù)圖6

        3.2 仿真計算結果對比分析

        針對仿真計算結果,采用Matlab編程分別對近區(qū)、中區(qū)的仿真計算結果進行了沖擊響應譜曲線對比分析,結果如圖7~ 9所示。

        圖7 測點G1、G2、G3、G4沖擊響應譜曲線對比(近區(qū)與中區(qū))Fig.7 The Curve Comparison of the Response Spectrum for the G1、G2、G3、G4 Points(near-field and middle field)

        圖8 測點G5、G6沖擊響應譜曲線對比(近區(qū)與中區(qū))Fig.8 The Curve Comparison of the Response Spectrum for the G5、G6 Points (near-field and middle field)

        圖9 測點G1、G5、G7沖擊響應譜曲線對比(近區(qū))Fig.9 The Curve Comparison of the Response Spectrum for the G1、G5、G7 Points(near-field)

        由圖7~9可知,近區(qū)主要由應力波傳播支配,其高頻響應量級高,沖擊響應譜拐點頻率在2000~3000 Hz之間,最大值約為25 000 g左右;隨著測點離炸藥激勵位置距離的增大,沖擊響應譜整體呈衰減趨勢,且其拐點頻率趨勢變化很?。?000 Hz~3000 Hz之間),低頻部分由100 g左右減小至30 g,在進行試驗時可通過計算結果選擇合適的激勵點,避免低頻響應對產(chǎn)品造成損壞。隨著距離的增加,低頻減小較明顯,沖擊響應譜最大值呈減小趨勢。由圖9可知,近區(qū)的G1、G5、G7位置略有不同,但近區(qū)的高低頻量級、沖擊響應譜趨勢,拐點頻率一致,從一個方面驗證了仿真計算結果的準確性。

        可根據(jù)仿真計算結果。選擇合適的火藥激勵位置、火藥藥量等來實現(xiàn)不同的試驗要求,減少試驗調(diào)試時間,減低試驗成本。

        4 仿真結果與試驗結果對比分析

        4.1 試驗設計

        設計了一套火藥激勵響應板爆炸沖擊模擬試驗裝置(圖1)。該裝置是以柔性炸藥條激勵響應板來模擬爆炸沖擊環(huán)境的試驗系統(tǒng)。被試產(chǎn)品安裝在響應板的合適位置,在響應板背面安置了柔性炸藥條,產(chǎn)品的輸入點上利用加速度傳感器監(jiān)測載荷條件。通過調(diào)節(jié)火藥激勵位置、形狀、波形發(fā)生器、響應板邊界等來實現(xiàn)不同的沖擊響應譜,滿足不同的試驗要求。

        4.2 仿真計算與試驗結果對比分析

        如上所述,對于高壓、高頻瞬態(tài)爆炸與結構動態(tài)耦合作用的計算比較困難,對結構爆炸沖擊響應高精度計算就更加困難。因此,根據(jù)計算進行了相應的試驗研究,應用高頻響、高量級沖擊傳感器對響應板上特征點響應過程進行記錄,沖擊傳感器方向為軸向,并將試驗結果與數(shù)值計算結果進行了對比,結果如下圖10示。圖10為某產(chǎn)品的爆炸沖擊模擬試驗結果,該試驗的激勵點位置與仿真計算中的G7一致,試驗中火藥形狀為圓環(huán)形,導爆索使用80RDXXHV,藥量為10.2 g,仿真計算時的火藥等效為圓柱狀,藥量與試驗使用相同。仿真計算結果與試驗結果的沖擊響應譜型整體趨勢基本一致,最高量級約為20 000 g,拐點頻率在1000 Hz~2000 Hz之間和4000 Hz左右,驗證了仿真計算結果的正確性。

        通過仿真計算可以得到不同火藥形狀、藥量,激勵位置,不同區(qū)域的沖擊響應譜及拐點頻率,在進行試驗時可根據(jù)不同的試驗要求,選擇合適的火藥激勵位置、火藥形狀及藥量、響應板邊界等實現(xiàn)爆炸沖擊模擬試驗。

        圖10 仿真計算與試驗結果響應譜對比Fig.10 The Response Spectrum Comparison of Simulation and Test

        5 結 論

        本文利用AUTODYN接觸響應板柔性導爆索爆炸沖擊響應問題進行了數(shù)值模擬及試驗研究,得出了以下結論:

        a)計算過程中發(fā)現(xiàn)歐拉網(wǎng)格過大,甚至歐拉網(wǎng)格尺寸大于拉格朗日網(wǎng)格尺寸時,歐拉網(wǎng)格會穿過朗格朗日網(wǎng)格發(fā)生耦合泄露,Euler網(wǎng)格尺寸與 Lagrange網(wǎng)格尺寸比例為1:4至1:5之間時,誤差最小,過大或者過小都會造成誤差過大,經(jīng)過網(wǎng)格細化之后這種現(xiàn)象得到了很好的抑制。

        b)近區(qū),隨著測點離炸藥激勵位置距離的增大,低頻減小較明顯,沖擊響應譜最大值呈減小趨勢,高低頻量級、沖擊響應譜趨勢,拐點頻率一致。

        c)從近區(qū)到中區(qū),隨著測點與激勵點距離的增大,沖擊譜量級明顯減小,拐點頻率呈減小趨勢,且低頻減小趨勢明顯。

        d)通過仿真計算結果和試驗結果的對比,發(fā)現(xiàn)其沖擊譜量級及不同位置測點的沖擊譜衰減趨勢基本一致,仿真計算模擬可以得到多個測點的變化規(guī)律,可以對不同火藥量、火藥形狀、激勵位置、響應板尺寸及邊界等進行數(shù)值模擬,選擇合適的激勵位置及測點位置,減少調(diào)試時間,降低試驗成本。

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