聚能切割分离铝平板的仿真与试验研究

王 威,赵 铮

(南京理工大学 能源与动力工程学院, 南京 210094)

0 引言

火工分离装置因其结构简单,作用可靠的优点目前广泛用于完成运载器或导弹之间的有效载荷分离与级间分离等功能[1-2]。聚能切割索作为一种带有聚能槽的索类火工品能够通过爆轰能量产生高密度、高速度的金属射流,该射流会沿着聚能槽轴线向外射出,形成聚能效应从而实现对平板的切割与分离[3]。相较于传统切割方法,聚能切割的高效、同步性高与可靠等优点较为突出,因此在军民领域的应用逐渐增加,如管道切割、飞机弹射救生通道清理及运载器头罩分离等。

目前有关聚能切割的相关研究大部分集中在材料的破坏特性与射流的侵彻能力方面,何志杰等[4]采用数值模拟的方法研究了碳纤维增强复合材料在聚能射流下的断裂机理,得到了层合板在射流作用下的端口损伤、加速度响应和能量变化情况;谢星博等[5]对线型聚能切割器在水下切割钢板的性能进行了数值模拟研究,得到了水介质会阻碍射流形成严重影响切割性能的结论;罗震等[6]研究了利用线型铅管聚能切割索实现运载器铝头罩分瓣分离的设计方案,得到了头罩分离体的运动方程;陈锋等[7]通过试验对切割索对接结构和三通传爆管的节点传爆性能和射流分布进行了分析,结果表明三通传爆管射流连续性优于切割索对接结构。

本文利用动力学仿真软件LS-DYNA对线性聚能切割索切割分离带配重平板过程进行了仿真,得到了平板切割后的横向分离速度曲线与平板上方200 mm处的超压曲线,仿真结果与试验结果相符合,同时分析了无压板与平板预切割对于驱动平板能力的影响,为聚能切割索切割分离平板提供了方法与思路。

1 切割分离仿真

1.1 有限元仿真模型

采用动力学仿真软件ANSYS/LS-DYNA对本文中的切割分离平板建立有限元模型,平板整体模型如图1所示。靶板宽为300 mm,整体厚度为21 mm,切割厚度为7 mm,配重板宽为100 mm,厚度为10 mm,压板长宽为30 mm,厚度为 10 mm,受限于计算能力,本文中所建立的有限元模型为单层实体,总网格数为171 952。

通过HyperMesh进行网格划分得到局部有限元网格模型如图2所示(未显示空气域)。平板、压板与配重板采用Lagrange实体网格,炸药、药型罩与空气域采用ALE网格。

图2 局部有限元网格模型Fig.2 Local finite element mesh model

压板左侧与平板自由搭接,压板右侧与平板通过螺纹连接。仿真模型中通过接触模拟自由搭接,压板右侧与平板通过共节点模拟螺纹连接。

在划分网格时,需要对切割槽附近的流体与固体网格进行加密,同时由于本文中的仿真需要采用流固耦合的方法,为了避免计算出现渗漏现象,应尽量满足网格的连续性以保持数值解的稳定性[8]。

1.2 材料模型

本文中所涉及到的材料有炸药黑索今、铅锑合金药型罩、铝平板、钢配重板与空气。

在LS-DYNA中,对于常用的炸药如黑索今、泰安等通常选取高能炸药模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN来定义,该模型通过下式确定某一时刻炸药材料单元上的力:

P=FPeos(ν,E)

式中:F为炸药反应的部分;ν为比体积;E为每单位初始体积的内能。因此该模型需要一个状态方程来求解,本文中所选用的状态方程为JWL方程,此方程能够体现在爆炸驱动过程中的爆轰产物的压力、体积与能量特征:

本文中炸药的材料参数如表1所示。平板材料与配重板材料采用Johnson-Cook模型与Gruneisen状态方程共同描述,此模型适用于大应变率的情况。表2为平板、压板与配重板的材料参数。

表1 炸药的材料模型参数Table 1 Material model parameters of explosives

表2 平板、压板与配重板的材料模型参数Table 2 Material model parameters of flat plate, pressure plate and counterweight plate

铅锑合金药型罩选取LS-DYNA中的材料模型*MAT_ELASTIC描述,这种线弹性材料具有各向同性的特点,其密度为11.35 g/cm3,杨氏模量为1.7 GPa,泊松比为0.42。空气域的材料模型为*MAT_NULL,其与Gruneisen状态方程共同定义。

1.3 仿真结果分析

提取右侧平板的x轴速度时间数据,得到的平板分离速度曲线如图3所示。在150 μs内,平板横向分离速度的最大值达到8.32 m/s,由于压板结构的非对称性导致分离期间压板与左侧平板干涉,因此分离速度在53 μs处大幅下降,但随后又在爆轰产物的驱动下加速,最终达到峰值。

图3 平板分离速度曲线Fig.3 Curve of target plate separation velocity

提取平板上方200 mm处超压,得到的曲线如图4所示。得到的平板上方200 mm处超压峰值为0.032 MPa,与试验中测得超压 0.031 MPa一致。

图4 平板上方200 mm处超压曲线Fig.4 Overpressure curve at 200 mm above target plate

结合分离速度与超压曲线分析,起爆后在爆轰产物的驱动下平板速度逐渐增大,分离速度在53 μs处由于干涉大幅下降,此时200 mm处冲击波超压达到峰值。此后平板速度持续上升,超压则大幅下降趋于小幅震荡状态。

1.4 无压板时平板的分离

由于爆轰驱动下平板的分离会与压板产生干涉,因此有必要研究压板对平板分离速度的影响。基于以上数值仿真,对无压板的有限元模型进行计算,得到无压板情况下平板的分离速度曲线,分离速度的峰值为5.2 m/s。如图5的无压板时的局部压力云图所示,由于没有压板的存在,部分爆轰产物从上方泄露而未驱动平板做功。高温高压的爆轰产物泄露导致平板的分离速度相较于有压板时下降了约30%。

图5 无压板时的局部压力云图Fig.5 Local pressure cloud image without pressure plate

射流切割过程可能会影响平板的分离速度,预先将平板切割槽下部材料去除,模拟平板预切割的情况,消除射流切割过程的影响。最终得到无压板且平板预切割条件下的分离速度峰值为4.85 m/s。

上述2种情况得到的无压板与预切割情况下平板的分离速度曲线如图6所示。可知在无压板的条件下,聚能射流在短的时间内将平板侵彻使其断裂,射流切割过程对平板的分离速度影响较小。

图6 无压板与预切割情况下平板的分离速度曲线Fig.6 Curve of the separation velocity of the target plate under the condition of unpressed plate and pre-separation

2 切割分离试验

本次切割分离平板的试验装置图如图7所示。平板中部设有外壳为铅锑合金的线性聚能切割索,装药为黑索金,装药密度约为8.5 g/m。铝制压板与2块各重2.34 kg的钢制配重板通过螺栓与平板进行连接。切割索端部上方压板的打孔处为电爆管的起爆位置。试验时,待切割分离平板倒置于试验架上,靶板中部距离试验架两侧距离为300 mm,试验架中部开口,距压板下方200 mm处安装有压电式超压传感器,其中传感器量程为2 MPa,传感器的灵敏度为2 500 mv/MPa。

图7 试验装置图Fig.7 Picture of test device

整个试验过程通过高速录像全程记录,高速录像帧频设置为1 000 fps,拍摄时采用后触发的触发方式,最多可录制5 s的视频内容。通过视频后处理软件将原视频按每帧截取为图片,则得到的每张图片间隔为1 ms。最终得到平板分离运动轨迹,结合已知的几何尺寸计算即可得到平板分离的速度。截取后得到的平板分离过程图如图8所示,通过图片可以看到,起爆后40 ms时平板向两侧各分离300 mm,可以得到平板的平均分离速度约为7.5 m/s。数值模拟得到的分离速度峰值8.32m/s与试验测得的平均分离速度之间差异在10%以内,符合工程实际需求。

图8 平板分离过程图Fig.8 Diagram of plate separation process

试验所得压板下方200 mm处的超压曲线如图9所示。测得的超压峰值为0.031 MPa,与仿真计算得到的超压峰值0.032 MPa一致。通过上述数值模拟与试验结果对比可知,本文中有限元模型的精度能够满足需求,可以用于线性聚能切割索切割分离平板的数值仿真。

图9 压板200 mm处超压曲线Fig.9 Overpressure curve at 200 mm of the pressure plate

3 结论

通过线性聚能切割索切割分离平板的数值仿真与试验结果分析,得到如下结论:

1) 切割分离过程中平板分离速度和冲击波超压的数值仿真与试验结果基本一致,表明仿真模型的精确度较高,可开展聚能切割分离平板的仿真研究。

2) 在切割分离过程中,压板能够限制爆轰产物的泄露从而提高平板的分离速度。无压板时平板的分离速度相较于有压板时下降了约30%,平板射流切割过程对平板的分离影响较小。