柔性导爆索切割过程仿真及试验研究

戈庆明，渠弘毅，王寅虎，刘荣强，王巨民

（1.北京航天长征飞行器研究所，北京，100076；2.北京理工大学，北京，100081）

0 引 言

分离技术[1]作为航空航天技术中一项必不可少的关键技术，越来越受到重视。其中，火工线性分离技术以其火工元件少、结构简单、可靠性高、快速性好、同步性俱佳等优点在分离技术中占有主导地位。目前，国内外对火工分离技术进行了深入细致的研究[2～4]，对分离过程开展了深入的了解，使火工分离技术得到广泛的应用。

从力学角度[5]看，对一个完整的爆炸分离过程，从下至上了解结构单元以及材料在强动载荷下的快速分离过程（动态断裂）对把握爆炸分离机理，设计效率好、可靠性高的爆炸分离装置有着重要的指导性作用。

通过了解分离靶板和保护罩的受力情况以及材料的变形及破坏特性，进而掌握实现有效分离且不导致保护罩破裂的关键力学及材料学控制因素，为分离结构装置设计和材料选取提供参考性意见。

1 柔性导爆索分离原理

柔性导爆索（Mild Detonating Fuse，MDF）爆炸分离装置加工相对容易、装置结构简单、成本低、可靠性高，适用于分离面较薄的结构，是目前中国广泛应用的一种火工分离装置，其结构的平面示意如图1所示。

图1 柔性导爆索爆炸分离装置结构的平面示意Fig.1 Schematic Diagram of the Structure of Mild Detonating Fuse Explosive Separation Device

柔性导爆索属于线式分离装置，一般沿分离面安装于箭体（弹体）内壁上，通过防护盖板对其安装定位。防护盖板一方面起到阻挡爆炸产物进入箭体（弹体）内部、保护内部有效载荷不受损坏的作用，另一方面可在短时间内维持高温高压环境，有利于导爆索对外做功实现切割分离。

柔性导爆索爆炸分离装置实现分离的原理是：导爆索爆炸产生爆轰波，爆轰波传入分离板后，在分离板中产生历时短、应变率高、强度高的冲击脉冲载荷，从而在预制削弱槽处产生集中应力，在高温高压爆轰产物和冲击波的综合作用下，使其沿预制削弱槽断开，从而实现分离。同时，值得注意的是，在柔性导爆索爆炸分离装置中，保护罩也受到导爆索产生的爆轰波作用，在实现分离时，必须保证保护罩不被破坏。

柔性导爆索爆炸分离的物理过程是结构及材料在爆轰波作用下的一个复杂的高度非线性的瞬态动力学响应过程，它涉及应力波的传播和相互作用以及应变率相关的动态本构行为和失效准则的研究。

本文采用数值仿真分析和试验研究柔性导爆索爆炸分离过程中结构及材料的破坏机理及其影响因素。

2 柔性导爆索切割仿真分析

2.1 计算模型

导爆索爆炸分离装置的圆周半径相对于结构剖面尺寸来说很大，因此可以近似把问题转换为平面应变问题，采用二维模型进行计算。保护罩材料为锻铝6061T6 材料，分离板材料为ZL114A 材料。炸药采用JWL 状态方程的高能炸药模型。

材料本构模型参数见表1。导爆索切割平板的典型结构主要包括导爆索、防护盖板、平板试验件、连接螺栓和夹持装置等。本文应用AUTORYN 软件[6]，建立典型导爆索切割平板试验件的二维模型，采用流固耦合算法，装药和空气域为Euler 单元，防护盖板及平板试验件为Lagrange 单元。在Euler 网格边界处设置流出边界条件，模拟无限大空气域。在防护盖板的上侧及平板试验件的下侧施加固定约束，模拟螺栓连接；在平板试验件的两侧施加固定约束，模拟平板试验件两端的夹持条件，如图2 所示。

表1 材料模型参数Tab.1 Material Model Parameters

图2 柔性导爆索爆炸分离装置二维计算模型Fig.2 Schematic Diagram of Two-dimensional Calculation Model of Mild Detonating Fuse Explosive Separation Device

Euler 网格中填充的空气用理想气体状态方程描述：

式中 γ 为绝热指数，对于理想气体有γ =1.4；ρ 为密度，空气的初始密度为0.001 225 g/cm3；初始压力为1 个标准大气压；gE 为气体比内能， 取2.068×10-5kJ/cm3。

平板试验件及防护盖板在冲击波及爆轰产物的共同作用下，表现出大变形、高应变率和高温等特征。为准确描述平板试验件及防护盖板在此状态下的响应规律，采用Johnson-Cook 模型来描述。Johnson-Cook模型常用于模拟金属材料从低应变率到高应变率的动态行为，该模型采用变量乘积关系描述了应变率、温度和应变的影响，本构方程如下：

式中 σνp为Von Mises 流动应力； ενp为黏塑性应变；A 为屈服强度；B 为材料塑性硬化系数；C 为黏塑性硬化指数；n 为应变率敏感指数；为真实黏塑性应变率；为参考应变率；m 为温度软化指数； T*为无量纲温度，计算公式为

式中mT 为材料的熔点温度；rT 为参考温度，一般取试验时的室温；T 为试验温度。

JWL 状态方程是典型的动力学状态方程，是一种不含化学反应、由试验方法确定的经验状态方程，能够比较精确地描述爆轰产物的膨胀驱动做功过程。炸药爆轰产物JWL 状态方程的标准形式如下：

式中 p 为爆炸产物的压力；V 为爆炸产物的相对比容，V = v/v0，为无量纲量；v 为爆轰产物的比容，v=1/ρ；v0为爆炸前炸药的初始比容；E 为比内能；R1，R2，ω为常数。

炸药的JWL 状态方程参数一般采用标准圆筒试验的方法进行标定，导爆索采用散装RDX，难以实现大尺寸装药结构，无法采用圆筒试验方法标定其JWL 状态方程参数。本文采用Explo-5 软件，基于BKW 方程及爆轰静态模型的化学平衡，求解反应产物之间的热力学方程，确定平衡状态下的系统组成，从而计算得到爆速、爆压和爆热等参数，并拟合得到爆轰产物JWL状态方程参数：

式中 R 为气体常数； xi为第i 种产物在总的爆炸产物中所占的摩尔数； ki为第i 种爆炸产物的余容因数；α，β，θ ，k 为经验常数。

导爆索的线密度约为2.4 g/m，装药直径约为1.4 mm，计算得到其体密度约为1.75 g/cm3，应用Explo-5 软件计算得到其爆轰参数及爆轰产物JWL 状态方程参数见表2。

表2 RDX 的JWL 状态方程参数Tab.2 JWL Equation of State Parameters for RDX

2.2 计算结果

导爆索起爆后，其爆炸作用产生的冲击波及爆轰产物对平板试验件的破坏损伤形式以及对防护盖板的作用是关注的重点，因此，截取从导爆索起爆直至试验件完全断裂过程中，不同时刻下平板试验件的压力云图，从而分析导爆索对平板试验件的切割作用过程，如图3 所示。

图3 柔性导爆索爆炸分离装置爆炸分离过程云图Fig.3 Cloud Image of Explosive Separation Process of Mild Detonating Fuse Explosive Separation Device

续图3

导爆索起爆后，形成冲击波传入平板试验件及防护盖板中（图3a、图3b），冲击波传到平板试验件背面发生反射，在背面形成拉伸波，并在削弱槽尖端位置产生应力集中（图3c），之后冲击波在平板试验件内不断震荡，平板试验件逐渐发生弯曲，在两侧的止裂槽尖端产生压缩应力集中（图3d、图3e），最终沿两侧的削弱槽发生断裂（图3f、图3g）。

3 试验与结果分析

3.1 试验方法

分离板采用双边夹持固定，单边雷管起爆方式，导爆索线密度为2.4～2.5 g/m，护罩安装导爆索部位半径为1.7 mm，螺钉连接位置距离分离面为23 mm（同仿真模型），如图4 所示。

图4 分离试验示意Fig.4 Diagram of Separation Test

3.2 试验结果

共进行了3 次平板切割试验，3 次试验结果一致性良好，具体试验结果如下：

a）柔性导爆索可以将铝平板试验件可靠切断，断面齐整；

b）分离试验后，用于防护作用的盖板保持完好，未发生损坏，固定盖板用螺钉未出现拉脱现象；

c）平板试验件在止裂槽位置处发生破坏分离，并在中间削弱槽位置处断裂成两段。

试验结果与仿真结果吻合度较好。

4 结 论

本文就柔性导爆索爆炸分离装置切割分离板的动力学过程进行了初步研究，采用数值模拟的手段分析了爆炸分离装置在爆炸载荷作用下的破坏过程，从应力波传播和动态断裂力学角度研究了分离板的破坏过程。

a）通过数值仿真和试验研究表明，该型柔性导爆索可以将铝平板试验件可靠切断，且防护盖板完好；

b）柔性导爆索分离装置中，分离板的破坏包括层裂和拉应力破坏2 个阶段，且在削弱槽两边的止裂槽处发生损坏；

c）通过数值仿真表明，柔性导爆索分离装置整个分离过程的工作时间在几十微秒量级。

通过柔性导爆索爆炸分离装置的切割过程仿真及试验研究，对分离结构的断裂机理进行了理论分析及试验研究，对深入研究爆炸分离装置的分离过程具有一定的借鉴意义。