EFI力學(xué)環(huán)境下失效模式研究

尹 明，褚恩義，任 西，李 慧，秦國圣，李 明

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EFI力學(xué)環(huán)境下失效模式研究

尹 明，褚恩義，任 西，李 慧，秦國圣，李 明

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710061)

利用分離式Hopkinson壓桿（SHPB）技術(shù)對爆炸箔起爆器（EFI）進(jìn)行過載研究，通過實(shí)驗(yàn)分析了EFI的外形變化、橋路電阻變化、內(nèi)部損傷等，確定了EFI的失效模式；此外，采用有限元分析軟件ANSYS/AUTODYN研究了EFI在不同加載速度條件下的變形情況及應(yīng)力分布，進(jìn)一步分析確定EFI的失效模式及失效原因，并說明采用SHPB分析EFI高過載是可行的。

EFI；分離式Hopkinson壓桿；沖擊過載；失效模式

爆炸箔起爆器屬于第3代火工品技術(shù)，其安全性高、可靠性好，在鉆地彈中具有廣泛的應(yīng)用前景且已廣泛地應(yīng)用于多種彈藥系統(tǒng)中[1]，因而對其進(jìn)行力學(xué)環(huán)境下的失效研究具有重要意義。目前，國外相關(guān)試驗(yàn)表明，EFI在高過載環(huán)境下仍可靠作用[2-3]，國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)鄧瓊、葉婷、李玉龍等人基于Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)，通過數(shù)值模擬仿真的方法初步分析了EFI的高過載下失效模式[4-6]，但研究仍存在一些問題，如仿真的過載環(huán)境已超過Hopkinson壓桿的屈服強(qiáng)度，仿真結(jié)果未進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證等。本文基于分離式Hopkinson壓桿（SHPB）技術(shù)對EFI的抗過載性能進(jìn)行研究，通過EFI的軸向變形率尋找其失效模式，并采用ANSYS/AUTODYN仿真軟件研究EFI在不同子彈速度加載條件下的變形情況及應(yīng)力分布，確定了EFI的失效模式。

1 分離式Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)原理

SHPB實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖1所示。其主要構(gòu)件是子彈、輸入桿、輸出桿和吸收桿，4桿件的直徑、材質(zhì)相同，即彈性模量、波速0和波阻抗00均相同。實(shí)驗(yàn)時(shí)，試件夾在輸入桿和輸出桿之間，當(dāng)壓縮氣槍驅(qū)動(dòng)一定長度的子彈以速度*撞擊輸入桿時(shí)，將在輸入桿中產(chǎn)生入射脈沖σ()，其幅值為00*/2，持續(xù)時(shí)間為應(yīng)力波傳過子彈所用時(shí)間的2倍。當(dāng)入射脈沖到達(dá)試件端面時(shí)，試件開始變形，并同時(shí)產(chǎn)生傳向輸入桿的反射脈沖σ()和傳向輸出桿的透射脈沖σ()，正是這兩者反映出了試件材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。其中測速器測量子彈速度*，將輸入桿上應(yīng)變片和輸出桿上應(yīng)變片測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理分別得到輸入桿中反射波脈沖σ（）、輸出桿中透射波脈沖σ（）。

圖1 分離式Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)裝置

SHPB的4桿件長徑比很大，試件相對很短，因此SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以進(jìn)行兩個(gè)基本假定，即：桿中一維應(yīng)力波假定和短試件應(yīng)力、應(yīng)變沿長度均勻分布假定。根據(jù)一維應(yīng)力波假定，忽略應(yīng)力波的彌散效應(yīng)，這樣，應(yīng)變片在所貼位置處測得的波形和試件與壓桿接觸面處的波形相同，由此可得試件中的應(yīng)力波脈沖σ（）：

式（1）中：為壓桿截面積；A為試件截面積。

自由式Hopkinson壓桿（FHPB）裝置無輸出桿和吸收桿，其加載于EFI上的應(yīng)力波只是其輸入桿中應(yīng)力波的一部分，大部分在輸入桿端面經(jīng)過反射，最終在輸入桿中振蕩消失，同時(shí)由于桿件強(qiáng)度極限的限制，因此在允許的輸入桿端面速度下EFI并未出現(xiàn)失效。SHPB裝置增加了輸出桿，可使應(yīng)力波幾乎完全作用于試件上，同時(shí)由于試件EFI的截面積小于輸入桿的截面積，作用在試件上的應(yīng)力將高于輸入桿中的應(yīng)力，因此可用SHPB對EFI進(jìn)行加載，分析EFI的失效模式。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

圖1中貯存高壓氮?dú)獾臍馄孔鳛榘l(fā)射裝置的動(dòng)力源，Φ14.5mm的氣槍連接高壓室及氣壓控制機(jī)構(gòu)，Φ14.5mm×300mm子彈、Φ14.5mm×1 000mm的輸入桿、輸出桿作為主要SHPB實(shí)驗(yàn)的原理機(jī)構(gòu)；測速器的光柵厚度為1.0mm，間距為40mm；裝置還包括電阻應(yīng)變片、高頻響應(yīng)的動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、瞬態(tài)波形存儲(chǔ)器。

實(shí)驗(yàn)樣品為A型EFI，見圖2，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。采用分離式Hopkinson壓桿裝置，試件EFI在受到應(yīng)力波脈沖作用的同時(shí)，還受到輸入桿與輸出桿的擠壓，在輸入桿速度不大的情況下，試件的變形也很明顯，因此可以通過控制變形量，研究EFI的失效模式。

圖2 實(shí)驗(yàn)樣品

圖3 EFI結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，對A型EFI進(jìn)行了分離式Hopkin- son壓桿實(shí)驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)氣壓和子彈位置來控制輸入桿端面速度，從而調(diào)節(jié)雷管的變形量，最終由EFI的狀態(tài)變化分析EFI的失效模式。實(shí)驗(yàn)后雷管的外形變形情況如圖4所示，具體數(shù)值見表1。由表1、圖4可見，雷管的變形大小與輸入桿端面速度即加載能量的大小有密切關(guān)系。當(dāng)輸入桿端面速度峰值小于3m/s時(shí)，雷管無明顯變形，軸向壓縮率僅有1%，實(shí)驗(yàn)后雷管可正常發(fā)火；當(dāng)輸入桿端面速度峰值大于3m/s時(shí)，雷管的頭部會(huì)有明顯的變形，這說明雷管頭部的緩沖區(qū)開始被壓縮，它保護(hù)藥柱不被沖擊破壞，因此4號雷管可正常發(fā)火。實(shí)驗(yàn)后對5號和2號雷管進(jìn)行引腳間電阻測試，5號雷管電阻是其初始電阻的5.03倍，2號雷管電阻無窮大。對5號、2號雷管進(jìn)行解剖，如圖5~6所示，解剖發(fā)現(xiàn)，5號雷管受擠壓過程中，加速膛外沿對橋箔和基片進(jìn)行擠壓，使其嚴(yán)重受損，橋箔出現(xiàn)破損，從而造成雷管引腳間電阻變大，雷管失效，同時(shí)擠壓過程中，電極塞體上聚能基碎裂，表現(xiàn)為雷管腰部變粗，加速膛表面有裂紋出現(xiàn)，這都最終影響飛片的最大輸出能量；2號雷管的橋箔和基片在加速膛及插針的共同作用下被撕裂，導(dǎo)電橋路隔斷，從而造成雷管失效，同時(shí)電極塞體上聚能基碎裂，加速膛出現(xiàn)斷裂。

圖4 加載實(shí)驗(yàn)后雷管變形情況

表1 某型EFI加載實(shí)驗(yàn)后狀態(tài)

Tab.1 The state of the EFI after loading experiment

圖5 5號雷管破壞情況

圖6 2號雷管破壞情況

綜上所述：EFI的主要失效模式是橋箔及基片的破損甚至開裂，其直接影響飛片的形成；其次，電極塞體陶瓷片的碎裂及加速膛的斷裂也會(huì)使雷管失效，其影響飛片的最大輸出能量。

3 AUTODYN仿真計(jì)算

3.1 AUTODYN仿真模型的建立

SHPB實(shí)驗(yàn)裝置模型由輸入桿、試件EFI、輸出桿3部分組成，輸入桿、輸出桿尺寸為Φ14.5mm×1 000mm，EFI為簡化模型。EFI結(jié)構(gòu)圖及網(wǎng)格劃分如圖7所示，表2為各部件的狀態(tài)方程及強(qiáng)度模型，其外形尺寸為Φ8.8mm×16.0mm，EFI模型由殼體、塞體、聚能基、換能層、加速膛、支撐體、藥柱套以及藥柱1、2等組成。由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置及試件呈軸對稱結(jié)構(gòu)，所以建立的模型為二維軸對稱結(jié)構(gòu)。

圖7 EFI模型的簡化及網(wǎng)格劃分

表2 模型中各部件狀態(tài)方程及強(qiáng)度模型

Tab.2 The state equation and strength model of parts

3.2 不同加載速度下EFI的變形情況

在輸入桿前端分別加載2.54m/s、2.77m/s、3.12m/s、4.58m/s、5.09m/s的速度，圖8為EFI在4.58m/s加載速度后的最終變形。

在不同的加載速度下，EFI均有不同程度的軸向壓縮與徑向墩粗，EFI變形最嚴(yán)重部分是聚能基所處中間部位，處于此部位的各零件網(wǎng)格變形最嚴(yán)重。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，由于仿真模型對EFI頭部的緩沖材料進(jìn)行了簡化省略，這樣頭部并未出現(xiàn)變形，但中間部位變粗，且在速度為2.54m/s、2.77m/s及3.12m/s時(shí)，EFI并未出現(xiàn)明顯變形，在速度為4.58m/s、5.09m/s時(shí)變形大小與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

圖8 4.58m/s加載速度下EFI的變形情況

3.3 EFI仿真的應(yīng)力分析

根據(jù)SHPB實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)，在輸入桿前端加載4.58m/s的速度，脈沖上升時(shí)間為20μs。圖9顯示了試件上的應(yīng)力分布及應(yīng)力波的作用過程。

圖9 試件上應(yīng)力波的作用過程

在=1.77×10-4s時(shí)，應(yīng)力波開始傳到試件EFI上，這是應(yīng)力波在輸入桿上傳播所用的時(shí)間；在=1.80×10-4s時(shí)，支撐體與聚能基接觸處開始形成應(yīng)力集中，而在聚能基左右兩側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力；圖9（c）、（d）、（e）顯示，支撐體上的應(yīng)力逐漸增大，并向兩端擴(kuò)展，此過程也是支撐體的變形過程，聚能基兩側(cè)的拉應(yīng)力開始向壓應(yīng)力過渡，加速膛上最先出現(xiàn)壓應(yīng)力，并逐漸出現(xiàn)應(yīng)力集中。在=2.05×10-4s時(shí)，加速膛上的應(yīng)力已大于支撐體上的應(yīng)力，成為主要的受力對象。

對EFI失效有較大影響的關(guān)鍵零件有加速膛、聚能基、支撐體，換能層對EFI的失效也有較大影響，但其較薄，且材料復(fù)雜，很難準(zhǔn)確仿真計(jì)算其力學(xué)性能，這里采用間接的分析方法。圖9（f）顯示加速膛與聚能基的接觸處是應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力大于1GPa，必然對換能層造成擠壓損傷，這與實(shí)驗(yàn)中測得回路電阻增大到原來的5.03倍是一致的。圖10為加速膛、聚能基、支撐體以及塞體上應(yīng)力集中點(diǎn)的應(yīng)力曲線。

圖10 關(guān)鍵零件應(yīng)力集中點(diǎn)的應(yīng)力曲線

從圖10可以看到，零件上應(yīng)力從增加到卸載，只有70μs，作用時(shí)間很短，說明材料的變形是在高應(yīng)變率下進(jìn)行的。在加載過程中，支撐體上應(yīng)力最先上升，在0.204ms以前，應(yīng)力一直最大，支撐體在0.20ms左右為變形階段，期間加速膛、聚能基、塞體的應(yīng)力迅速上升，加速膛由于受力面最小，應(yīng)力上升最快，其承受的最大應(yīng)力接近2GPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其抗壓強(qiáng)度，說明加速膛已遭到破壞，從圖9（d）也可以看到加速膛的網(wǎng)格已嚴(yán)重破壞；在=2.1×10-4s左右，聚能基上應(yīng)力達(dá)到800MPa，而從應(yīng)力分布云圖上可以看到，聚能基大部分所受應(yīng)力較低，說明聚能基所受應(yīng)力不均勻，導(dǎo)致其碎裂，這與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也是一致的。

3.4 SHPB對EFI加載與FHPB對EFI加載對比分析

根據(jù)上述EFI的數(shù)學(xué)模型，建立了FHPB的EFI加載模型，在輸入桿前端加載31.6m/s的速度，脈沖上升時(shí)間為74.6μs。FHPB加載試件上應(yīng)力波的作用過程見圖11。對比分析試件上應(yīng)力波的作用過程，發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力分布云圖相一致：應(yīng)力波在1.77×10-4s到達(dá)試件前端，向后傳遞過程中，均在支撐體與聚能基接觸處形成壓應(yīng)力集中，然后向試件EFI內(nèi)部擴(kuò)展，均在聚能基左右兩側(cè)形成拉應(yīng)力。通過試驗(yàn)，在輸入桿前端加載31.6m/s的速度時(shí)，F(xiàn)HPB對試件EFI加載加速度達(dá)到脈寬74.6μs，峰值8.26×104g，試件EFI并未失效，而SHPB在9.16m/s的輸入桿端面速度下打出EFI的失效模式，說明用SHPB分析EFI的高過載是可行的，EFI在SHPB加載下出現(xiàn)的失效模式即高過載下的失效模式。

圖11 FHPB加載試件上應(yīng)力波的作用過程

4 結(jié)論

（1）EFI的主要失效模式是橋箔及基片的破損甚至開裂，其直接影響飛片的形成；其次，電極塞體上聚能基的碎裂及加速膛的斷裂也會(huì)使雷管失效，從而影響飛片的最大輸出能量。

（2）橋箔及基片的破損甚至開裂主要是支撐體屈服變形后，加速膛與聚能基的擠壓造成的，在擠壓過程中，加速膛承受的應(yīng)力最大，是最薄弱環(huán)節(jié)，聚能基的破壞原因是所受應(yīng)力不均。

（3）SPHB實(shí)驗(yàn)裝置對EFI加載的應(yīng)力分布與FHPB實(shí)驗(yàn)裝置對EFI加載的應(yīng)力分布相同，而且SHPB可以在較小的加載能量下使雷管失效，說明用SHPB分析EFI的高過載是可行的。

（4）通過AUTODYN仿真計(jì)算獲得了EFI的變形過程及應(yīng)力分布云圖，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證了模型的正確性，AUTODYN仿真計(jì)算為EFI的失效模式分析提供了有效手段。

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Study on Failure Mode of EFI in Mechanical Environment

YIN Ming，CHU En-yi，REN Xi，LI Hui，QIN Guo-sheng，LI Ming

（National Key Laboratory of Applied Physics and Chemistry，Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute，Xi′an，710061)

Using split Hopkinson pressure bar (SHPB) technique, the overload study of exploding foil initiator was carried out, the deformation of EFI, the change of bridge resistance and internal damage were analyzed through the experiment, as well as the failure mode of EFI was determined. Meanwhile, through finite element analysis software (ANSYS/AUTODYN), the deformation and stress distribution of EFI at different load speed were obtained, and the failure mode and failure cause of EFI were analyzed further. The study indicated that using SHPB to analyze the overload of EFI is feasible.

EFI；Split Hopkinson pressure bar；Shock overload；Failure mode

1003-1480（2014）01-0033-05

TJ450.2

A

2013-12-09

尹明（1984-），男，在讀碩士研究生，從事先進(jìn)火工技術(shù)研究。