韓體飛,秦 雨,銀燚海,何志杰,趙 康,劉廣鵬

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

0 引言

線性聚能切割器是利用其產(chǎn)生的金屬射流侵徹目標(biāo)介質(zhì),它具有能量密度高、次生危害小等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油射孔、彈藥銷毀等工程領(lǐng)域[1]。 在爆炸分離材料方面,胡坤倫等[2]采用爆炸分離的方法分離鈦合金板,對炸藥量進行了定量研究;何志杰等[3]在加工凹槽的復(fù)合材料編織板中放入炸藥,分析有無被皮對爆炸分離的影響,上述研究未采用聚能裝藥結(jié)構(gòu)。 在聚能裝藥方面,研究人員通過對切割器錐角進行理論分析和實驗研究,優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),再通過數(shù)值模擬優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu),取得了很好的切割效果[4-7]。

針對特種材料的聚能裝藥的爆炸分離,除了需要考慮裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)等因素,切割面成型效果也不可忽視。 因此,需要對不同材料、不同尺寸的目標(biāo)靶,優(yōu)化其聚能切割器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。 以碳纖維復(fù)合材料層合板為目標(biāo)靶板,利用AUTODYN 三維數(shù)值模擬方法,進行模擬試驗及爆炸分離過程沖擊響應(yīng)監(jiān)測。

1 試驗

層合板長、寬均為100 mm,厚度為15 mm,其正面和側(cè)面如圖1 所示。 在層合板待切割部位正反面對稱位置固定線性聚能切割器,以低爆速的乳化炸藥作為主裝藥,高爆速導(dǎo)爆索作為傳爆藥芯,用1 發(fā)雷管起爆,達到近似線起爆的目的。 試驗方案為:藥型罩夾角為60°、炸高為5 mm、藥型罩壁厚為0.5 mm、外殼材料為鎢。 層合板裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 層合板的正面和側(cè)面圖

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

通過模擬試驗確定的切割器參數(shù)能夠?qū)雍习逋耆袛?達到爆炸分離的目的,斷面損傷部位尺寸約為7 mm,小于切割器寬度10 mm,達到了線性聚能切割的能量集中的目的。 層合板切割分離后獲得的兩塊靶板斷面如圖3 所示。 靶板中部損傷斷面較為平滑,端部損傷面略顯粗糙,并伴有局部纖維拉伸脫落和靶板側(cè)面斷面分層現(xiàn)象。

圖3 靶板斷面

線性聚能切割器爆炸分離層合板過程可描述為:金屬射流在板材表面形成初始切口后,切口處受高溫、高壓及高應(yīng)變率作用后,材料局部斷裂屈服,金屬射流繼續(xù)向前運動,后續(xù)到達的低速金屬杵體和爆轟波使切口處板材粒子飛散出去,并使切口增大;層合板上的環(huán)氧樹脂層在高溫、高壓以及高應(yīng)力作用下脫離碳纖維層,在斷面形成分層,靶板兩端斷裂面損傷相對明顯,這是由于兩端存在爆轟波的成長和衰弱,產(chǎn)生的射流能量不穩(wěn)定,且存在側(cè)面損失,造成端部斷面不規(guī)則。

2 有限元模型的確立

2.1 材料選取

線性聚能切割器主裝藥為二號巖石乳化炸藥,裝藥外殼為鎢,藥型罩材料為銅,目標(biāo)靶板為碳纖維復(fù)合材料層合板。 裝藥外殼及藥型罩模型的材料參數(shù)見表1,主裝藥模型的材料參數(shù)見表2,靶板的材料參數(shù)見表3。

表1 裝藥外殼及藥型罩模型的材料參數(shù)

表2 主裝藥模型的材料參數(shù)

表3 靶板的材料參數(shù)

2.2 三維數(shù)值仿真過程分析

依據(jù)試驗方案建立三維模型,選用光滑粒子流體動力學(xué)法(SPH)進行數(shù)值仿真。 SPH 方法是將整個流場的物質(zhì)離散為一系列具有質(zhì)量、速度和能量的粒子并能有效仿真出連續(xù)體破碎、斷裂、損傷等物理變化現(xiàn)象,從而避免裝藥結(jié)構(gòu)和板材在數(shù)值仿真中出現(xiàn)大變形和破碎而導(dǎo)致計算失真[8]。 設(shè)計仿真層合板的模型尺寸為100 mm×100 mm×15 mm,線性聚能切割器長為100 mm、寬為10 mm、高為15 mm,炸高為5 mm,聚能切割層合板模型如圖4 所示。

圖4 聚能切割層合板三維模型圖

選取線性聚能切割器爆炸切割層合板進程的典型模擬結(jié)果,取3 個時刻的層合板表面切割圖,如圖5 所示。

圖5 三維仿真進程典型結(jié)果

圖5 中,在20 μs 時,層合板粒子在金屬射流的沖擊作用下,從端部開始沿側(cè)面和正反面飛散,在層合板的起爆端出現(xiàn)裂痕;在40 μs 時,聚能切割器內(nèi)部裝藥已全部引爆并形成切割射流作用于靶板,使靶板沿起爆端至末端出現(xiàn)一條逐漸減弱的斷裂面,此時金屬流未完全侵徹層合板,層合板尚未達到完全分離;在60 μs 時,層合板完全分離,形成完整的斷裂切口,切口面窄且平直,為金屬射流侵徹結(jié)果。 因此,在近線性起爆條件下,線性聚能切割器產(chǎn)生的金屬流沿起爆端,在極短的時間內(nèi)侵徹目標(biāo)靶板,形成平整、狹窄的斷裂面。

2.3 層合板沖擊響應(yīng)特性分析

在層合板中心截面沿厚度方向從表面到中心等間距設(shè)置3 個監(jiān)測點,監(jiān)測粒子在爆炸載荷作用下的加速度,分析層合板的沖擊響應(yīng)特性。 圖6 為層合板半截面的監(jiān)測點位置示意圖。

圖6 監(jiān)測點位置示意圖

圖7 為3 個監(jiān)測點粒子在金屬射流作用下加速度隨時間的變化曲線。

圖7 靶板粒子加速度隨時間的變化曲線

圖7(a)1 號監(jiān)測點中,約在9.6 μs 時粒子受到?jīng)_擊后出現(xiàn)振蕩,此時振蕩加速度較小,約為2.00×105m/s2,14.5 μs 后迅速增大,在16.9 μs 時達到最大值2.27×106m/s2,隨后逐漸衰減,約在22.3 μs 后衰減至初始水平。 圖7(b)2 號監(jiān)測點中,約在13 μs時刻開始振蕩,加速度約為2.50×104m/s2,隨后逐漸增大,18 μs 時達到最大值6.50×105m/s2,并在此范圍維持振蕩,25 μs 后迅速衰減到1.00×105m/s2左右變化,此過程持續(xù)到45 μs 以后。 圖7(c)3 號監(jiān)測點中,約在16.6 μs 開始出現(xiàn)振蕩,20 μs 時振蕩加速度迅速達到1.00×106m/s2,隨后維持在7.00×105m/s2,至28 μs 時衰減,并在2.00×105m/s2左右持續(xù)到約55 μs 后衰減。

分析認(rèn)為,通過優(yōu)化的聚能切割器,從起爆端引爆后,爆轟波傳播并強烈壓縮金屬罩微元形成高速金屬流,在9.6 μs 到達1 號監(jiān)測點,并與靶板粒子碰撞,由于1 號監(jiān)測點為優(yōu)化后的最佳炸高位置,射流能量最大,使粒子加速,迅速增加到最大值,隨后由層合板表面飛散出去,形成切口,粒子在極短的時間內(nèi)衰減至最小值。 金屬流由初始端繼續(xù)向前侵徹,并不斷消耗能量,到達2 號監(jiān)測點時,粒子初始加速度減小,隨后到達的金屬流仍以較大的沖擊作用使2 號監(jiān)測點粒子加速度達到最大值并持續(xù)一定時間,此時不斷有后續(xù)金屬流作用于靶板粒子,并最終使粒子飛散脫離靶板;3 號監(jiān)測點,從開始出現(xiàn)振蕩在極短時間內(nèi)便達到粒子加速度的最大值,此時加速度比1 號監(jiān)測點最大加速度要小很多,這是由于金屬流在侵徹過程中的能量損耗所致,由于兩面金屬流的高速碰撞,使此處粒子加速度遠大于2 號監(jiān)測點粒子的最大加速度。 此點金屬流高速碰撞并作用于靶板粒子,持續(xù)8 μs,使此位置的粒子飛散,形成切口。 后續(xù)低速金屬流到達后碰撞形成的應(yīng)力波沿斷口面形成反射拉伸波,在斷口處形成層狀斷裂現(xiàn)象。

3 結(jié)論

通過試驗和數(shù)值模擬研究,結(jié)論如下:

1)金屬流沿起爆端迅速侵徹目標(biāo)靶板,形成平整、狹窄的斷裂面;在靶板表面最佳炸高位置沖擊響應(yīng)最強烈,隨后衰減至板材中間位置,由于射流碰撞使沖擊強度相應(yīng)增大,最后進入低頻的振蕩衰減階段,即侵徹過程呈現(xiàn)高頻、瞬態(tài)和振幅大的特點。

2)通過模擬試驗確定的切割器參數(shù)使爆炸產(chǎn)生能量集中,能夠完全切斷目標(biāo)層合板,斷面損傷部位尺寸小、整體較為平整,可達到爆炸分離的目的。