胡坤倫，薛克軍，何志杰，趙 康，夏治園，宋凡平，韓體飛

(安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南 232001)

近年來，隨著材料技術和生產(chǎn)工藝的提升，越來越多的復合材料應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領域。在航空領域，碳纖維復合材料以其質量輕、強度大的特點成為發(fā)動機葉片材料的首要選擇。而在其機匣包容試驗中[1]，需要對高速旋轉的葉片進行切斷，其分離技術主要包括聚能炸藥索、氣缸式炸藥索、膨脹管等[2]，目前國內外爆炸分離技術主要集中于分離裝置的設計及分離性能優(yōu)化研究。Jiang等[3]在碳纖維增強復合材料受高速沖擊試驗研究中發(fā)現(xiàn)，層合板在高應變率下破壞應力比低應變率下較大；胡坤倫等[4]采用軸向和側向打孔的分離方式，利用數(shù)值模擬、實驗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系；Takeuchi等[5]利用簡單圓柱殼體建立模型，對航天器的分離斷裂過程進行模擬，對沖擊響應做出了判斷；Kim等[6]在環(huán)氧樹脂基碳纖維增強復合材料受冰彈高速沖擊試驗研究中發(fā)現(xiàn)復合材料在出現(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)域最小塑性應變最大為目標，以最大應力為約束進行優(yōu)化，獲得最優(yōu)化設計方案，再調整裝藥量，以保證完成分離動作。

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

1 爆炸分離試驗

1.1 試驗設計

試驗所采用碳纖維復合材料編織板長、寬(設為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型聚能裝藥結構和線性聚能切割器，分別對應1#板、2#板。1#板采用彎曲為C字型的1 mm厚鉛皮做背皮，內裝有鈍化黑索金，用紙片黏住底部缺口，防止黑索金灑落，板兩側均設有裝藥結構，以膠帶固定，裝藥密度為1.0 g/cm3，單側裝藥質量為24 g，采用雷管引爆導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，角度為60°，板兩側均設有裝藥結構，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，不設炸高[8]。具體裝藥結構如圖2所示。

1.2 試驗結果及討論

引爆后，收集板材觀察試驗結果，結果如圖3所示。

根據(jù)試驗結果，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)生的射流導致。

1#板由于采用C型裝藥，具有較強的能量約束作用，當炸藥開始爆炸后，率先產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)過C型鉛皮內壁的反射作用，使C型裝藥內部的壓力急劇增大，產(chǎn)生二次壓縮作用，被壓縮的沖擊波會與傳向板材的沖擊波相疊加，形成一道強激波，其峰值壓力對板產(chǎn)生的壓應力超過了板材的抗壓強度，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合板，在剪切作用下，板材發(fā)生部分斷裂。但是，由于不設炸高，射流還未充分形成就到達復合板，射流侵徹能力有限，導致平板表面出現(xiàn)較大損傷。同時，在切割過程中，復合板內部產(chǎn)生應力波，在壓應力的作用下，復合板被壓斷。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致的。

2 數(shù)值模擬

為充分了解在爆炸過程中復合板的分離機理，使用有限元分析軟件AUTODYN進行分析處理，為避免裝藥結構和板材在模擬仿真中出現(xiàn)的大變形和破碎而導致的計算失真，故選用光滑粒子流體動力學法(SPH)進行數(shù)值仿真。該方法的基本思想是將整個流場的物質離散為一系列具有質量、速度和能量的粒子[10]，每個粒子具有不同的力學特征，通過核函數(shù)進行積分、估值，進而求得流場中不同時刻、不同位置的動力學量，無須網(wǎng)格重構，可保證計算精度[11]。同時在復合板上設置多個監(jiān)測點，以監(jiān)測在爆炸載荷下該處的應力和速度。

2.1 計算模型

復合板和裝藥結構的具體尺寸與上述爆炸分離試驗方案相同，具體模型尺寸如圖4所示。

根據(jù)碳纖維復合板材料性質，計算采用正交各向異性Ortho本構模型、Orthotropic Yield強度模型和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，并在每塊復合板上設置5個監(jiān)測點，其中1#、2#、3#位于y方向復合板厚度中心線上，4#、5#點位于x方向復合板厚度中心線兩端，主要用來監(jiān)測應力和速度，判斷復合板是否斷裂，計算模型如圖5所示。

表1 碳纖維復材板結構參數(shù)

表2 金屬材料模型參數(shù)

表3 RDX 炸藥計算參數(shù)

2.2 計算結果與分析

1#板、2#板分離的模擬結果如圖6所示。

從模擬結果來看，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果，其表面飛散粒子為爆轟氣體和產(chǎn)物對爆炸切口的破壞導致。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致的較大面積的損傷；同時，觀察到板的x方向兩側形成裂紋，說明有較強的應力波向復合板的兩側傳播，經(jīng)過自由面的反射拉伸導致的裂紋，使復合板的兩側形成較大的側向力，這與圖3b中的2#板左側邊緣出現(xiàn)的破損一致。經(jīng)過對比分析，發(fā)現(xiàn)模擬斷裂效果和實際斷裂效果基本一致，說明模擬結果符合實際。

因監(jiān)測點1#、3#對稱，4#、5#對稱，現(xiàn)分析監(jiān)測點1#、2#、4#的速度。1#板和2#板監(jiān)測點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個階段。對于1#板來說，在第1階段，炸藥爆轟結束瞬間，復合板在沖擊壓縮的作用下，監(jiān)測點1#、2#的速度瞬間呈指數(shù)式增長至82 m/s和200 m/s左右，到達第1段峰值；第2階段，監(jiān)測點在附近物質質點的約束作用下，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1#、2#的速度再次發(fā)生增長，達到92 m/s和260 m/s，到達第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。對于2#板來說，其4個階段與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)測點速度的第1階段峰值，分別達到了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)測點附近物質質點的約束作用，監(jiān)測點速度開始衰減；第3階段，爆生氣體推動監(jiān)測點速度繼續(xù)增加，其速度達到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，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1#、2#自由飛散階段時間相近，證明在此時復合板發(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1#、2#自由飛散階段時間相近，證明在此時復合板發(fā)生斷裂，其在x方向分散最大速度為255 m/s。

為進一步分析復合板斷裂程度，現(xiàn)采用Tsai-Wu張量強度準則做出理論判斷。根據(jù)Tsai-Wu張量準則判定標準，若監(jiān)測點的應力值組合使張量式F≥1，則監(jiān)測點區(qū)域的板材斷裂，且數(shù)值越大，爆炸載荷在該點區(qū)域破壞作用越大。

Tsai-Wu張量準則多項式[13]：

(1)

根據(jù)上述公式，結合1#板、2#板監(jiān)測點應力值，得到F值(見表5)。

表5 1#板、2#板監(jiān)測點應力值和F值

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

3 結論

1)經(jīng)過試驗，對比2種切斷方式，C型聚能裝藥結構和線性聚能切割器均能成功切斷復合板。C型聚能裝藥結構形成一道強激波，其峰值壓力對板產(chǎn)生的壓應力超過了板材的抗壓強度，使板材直接斷裂，切口較為平整；線性聚能切割器由于未設炸高，侵徹復合板時射流未充分形成，導致切口有較大損傷，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)生碳纖維束和基質的解離現(xiàn)象，形成的切口沒有C型聚能裝藥結構切口平整。

2)通過數(shù)值模擬，分析出切口處復合板粒子飛散速度，得到復合板在分離過程中經(jīng)歷了4個階段，切口粒子形成2次峰值速度；并通過Tsai-Wu張量強度準則，計算出復合板在各個監(jiān)測點斷裂完全，各個監(jiān)測點的F值都比恰好斷裂時的F=1大2～8倍左右，說明試驗藥量較大，應適當減少藥量。

3)綜合本次試驗來看，C型聚能裝藥結構切斷效果最佳。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，分離效果應該更好，因為C型聚能裝藥結構在切割過程中會產(chǎn)生由較大的側向力，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)生較小的側向力。

4)本文所提供的切斷方法和試驗思路，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)化試驗奠定了基礎。