火工切割裝置的爆炸分離數(shù)值模擬

王　通，楊安民，吳瑞德，李　琳，郭曉榮

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火工切割裝置的爆炸分離數(shù)值模擬

王通，楊安民，吳瑞德，李琳，郭曉榮

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安，710061）

運(yùn)用非線性有限元軟件 ANSYS/LS-DYNA，數(shù)值模擬了火工切割裝置在雷管裝藥爆炸載荷作用下爆轟驅(qū)動切刀運(yùn)動，進(jìn)而切斷金屬桿的非線性瞬態(tài)動力學(xué)過程。通過對數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行分析，得到了雷管裝藥爆轟波的傳播過程、切刀運(yùn)動以及金屬桿切割過程的3D模擬結(jié)果；利用LS-PREPOST軟件得到了火工切割裝置應(yīng)力及應(yīng)變分布、切刀沖擊加速度和速度、金屬桿變形和損傷的時間歷程曲線。將數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果顯示所建立的模型很好地模擬了火工切割裝置的工作過程。

火工切割裝置；數(shù)值模擬；切割；爆炸

火工裝置指由發(fā)火元件、裝藥和功能機(jī)構(gòu)組成，通過裝藥的爆炸或燃燒反應(yīng)，釋放出較大的、集中的能量來做機(jī)械功的裝置。在各類航天飛行器上，火工裝置用以完成連接與釋放、切割與破碎、閥門開關(guān)等一系列機(jī)械功能，是一次性作功裝置［1］。目前，火工切割裝置的研發(fā)設(shè)計(jì)仍是以試驗(yàn)研究為主要手段，這不僅使得其研制成本高、設(shè)計(jì)周期長，也對產(chǎn)品的安全性及可靠性造成了一定的影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬方法為此類問題的研究提供了一條新的途徑。本文使用ANSYS/ LS-DYNA非線性有限元軟件，對某火工切割裝置的工作過程開展了數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析其應(yīng)力及應(yīng)變分布、切刀沖擊加速度和速度響應(yīng)、結(jié)構(gòu)破壞情況，為此類火工切割裝置的研發(fā)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

1　某火工切割裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

某火工切割裝置結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1　某火工切割裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Structure diagram of explosive cutting device

圖1中火工切割裝置主要由殼體、雷管裝藥、鋼套、切刀、金屬桿、刀砧和螺塞等部件組成，起爆器起爆后產(chǎn)生的爆轟通過傳火通道激發(fā)雷管裝藥，雷管裝藥起爆后產(chǎn)生的沖擊載荷推動切刀向刀砧運(yùn)動，將金屬桿切斷，釋放電池翼，從而完成裝置的分離動作。為縮短計(jì)算時間，減少計(jì)算量，略去起爆器而將結(jié)構(gòu)簡化為直接引爆雷管裝藥，其中多級裝藥按其當(dāng)量等效轉(zhuǎn)化為由主裝藥組成的圓柱形裝藥，同時將外形六方螺塞、螺紋等結(jié)構(gòu)簡化為圓柱體。

2　數(shù)值模擬算法

2.1有限元計(jì)算方程

爆炸及其沖擊效應(yīng)是復(fù)雜的動力學(xué)問題，在分析中，通常將系統(tǒng)用有限元進(jìn)行離散化，其有限元方程描述為［2］：

在式（1）中：M為總質(zhì)量矩陣；C為結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)；F為單元應(yīng)力場等效節(jié)點(diǎn)力矢量組；P為總體載荷矢量；H為總體結(jié)構(gòu)沙漏粘性阻尼力；（）tχ˙˙ 為總體節(jié)點(diǎn)加速度矢量；（）tχ˙ 為總體節(jié)點(diǎn)速度矢量。其中，動力平衡方程的數(shù)值解法采用直接積分法，時間積分采用顯式中心插分法。

2.2算法分析

在ANSYS/LS-DYNA中，三維單元有3種基本算法：Lagrange、Euler和ALE（任意拉格朗日歐拉算法）算法，是由關(guān)鍵字*SECTION_SOLID中的ELFORM控制［2-3］。Lagrange算法的單元網(wǎng)格附著在材料上，隨著材料的流動而產(chǎn)生單元網(wǎng)格的變形。但是在結(jié)構(gòu)變形過于巨大時，有可能使有限元網(wǎng)格造成嚴(yán)重畸變，引起數(shù)值計(jì)算的困難，甚至程序終止運(yùn)算。ALE算法和Euler算法可以克服單元嚴(yán)重畸變引起的數(shù)值計(jì)算困難，并實(shí)現(xiàn)流體-固體耦合的動態(tài)分析。ALE算法可以用來處理流體與結(jié)構(gòu)在各種復(fù)雜載荷條件下的相互作用。對炸藥及空氣采用ALE單元，殼體、切刀、刀砧等其它結(jié)構(gòu)采用Lagrange單元，并設(shè)置關(guān)鍵字*CONSTRAINED_LAG RANGE_ IN_ SOLID來定義ALE單元與Lagrange單元之間的耦合。

3　模型的建立

3.1火工切割裝置有限元模型

對于火工切割裝置，使用ANSYS/LS-DYNA軟件建立其有限元模型，如圖2所示。

圖2　火工切割裝置有限元模型Fig.2　The finite element model of explosive cutting device

式（2）中：V=Ve/V0為相對體積；Ve為未反應(yīng)炸藥的比容；V0為炸藥初始比容；E為比熱力學(xué)能；A、B、R1、R2和W為常數(shù)。

表1　炸藥材料參數(shù)Tab.1　Explosive material parameters

3.2.2金屬材料本構(gòu)及狀態(tài)方程

金屬材料采用帶失效模式的塑性隨動模型（*MAT_PLASTIC_KINEMATIC），當(dāng)單元應(yīng)變達(dá)到失效應(yīng)變時，單元判斷為失效并從材料里刪除［4］。該模型不需要另外定義狀態(tài)方程，材料參數(shù)見表2［5-6］。

表2　金屬材料參數(shù)Tab.2　Metal material parameters

3.2.3耦合空間本構(gòu)及狀態(tài)方程

空氣采用空材料模型（*MAT_NULL），其狀態(tài)方程采用線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程（*EOS_LINEAR_ POLYNOMIAL）［4］，即：

式（3）中：μ=ρ/ρ0-1，ρ/ρ0為當(dāng)前密度與初始密度之比；C0～C6為狀態(tài)方程參數(shù)；E為初始內(nèi)能。具體材料參數(shù)見表3［5-6］。

表3　空氣材料模型的狀態(tài)方程參數(shù)Tab.3　State equation parameters of air material model

3.3邊界條件及求解設(shè)置

火工切割裝置有限元模型網(wǎng)格劃分完成后，需進(jìn)行邊界條件及求解設(shè)置，設(shè)置如下：（1）在計(jì)算模型的對稱剖面上施加對稱約束；（2）在左右端面及邊界圓弧面節(jié)點(diǎn)上施加無反射（透射）邊界條件；（3）定義起爆點(diǎn)為裝藥頂部邊緣中心點(diǎn)起爆；（4）設(shè)置求解時間為250μs，每隔0.2μs輸出1個結(jié)果文件。

4　計(jì)算結(jié)果與分析

利用LS-PREPOST軟件，顯示并分析計(jì)算結(jié)果。

4.1裝藥的起爆過程

圖3所示為炸藥起爆后快速燃燒和爆轟的過程。

圖3　起爆瞬間火工切割裝置應(yīng)力云圖Fig.3　Explosive cutting device stress at initiation moment

由圖3可以比較直觀地看到爆炸發(fā)生后，爆轟波呈球形傳播，接近炸藥的部分都產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力上升。從圖3中也可觀察到?jīng)_擊波在火工切割裝置內(nèi)傳播的過程，沖擊波迅速傳播，伴隨著傳播過程，金屬材料內(nèi)部各單元一般都經(jīng)歷了從應(yīng)力為零到峰值再逐步降低的過程。

4.2火工切割裝置的動態(tài)解鎖過程

火工切割裝置的解鎖過程見圖4，解鎖過程按預(yù)定的工作時序完成。

圖4　火工切割裝置的動態(tài)解鎖過程Fig.4　The dynamic unlock process of explosive cutting device

由圖4可見，雷管裝藥起爆后，在爆炸沖擊力的推動下，切刀開始向刀砧運(yùn)動，炸藥周圍的裝置本體結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微變形。切刀前端接觸金屬桿后，接觸部分的應(yīng)力快速升高，金屬桿預(yù)斷面應(yīng)力達(dá)到其屈服極限，沿著預(yù)斷面被剪切分離。金屬桿分離完成后，切刀在沖擊載荷和慣性的作用下繼續(xù)運(yùn)動，最終撞擊在刀砧臺階部分，切刀前端發(fā)生輕微變形。

4.3切刀的速度及加速度分析

在火工切割裝置的切刀上提取A、B、C3個典型位置，其速度、加速度時間歷程曲線見圖5～6。可以看出：裝藥爆炸發(fā)生后，切刀結(jié)構(gòu)的加速度迅速增加到第1個峰值，約為4.1×107m/s2，并在爆轟波的不斷反射、折射和衍射下，加速度產(chǎn)生波動并逐漸衰減下去。

圖5　切刀Z向速度曲線Fig.5　Z direction velocity curve of cutting knife

圖6　切刀Z向加速度曲線Fig.6　Z direction acceleration curve of cutting knife

而在爆炸沖擊的推動下，切刀結(jié)構(gòu)的速度從0迅速增加直至峰值，大約在50m/s左右；與金屬桿發(fā)生剪切作用后，伴隨著切刀前端與金屬桿剪切面的接觸、碰撞、摩擦，速度逐漸減??；金屬桿的剪切分離完成后，切刀繼續(xù)運(yùn)動，與刀砧發(fā)生作用產(chǎn)生輕微回彈并趨于穩(wěn)定狀態(tài)，整個裝置的工作過程全部完成。

4.4金屬桿的應(yīng)力及應(yīng)變分析

在金屬桿預(yù)斷面上沿徑向依次提取A、B、C共3點(diǎn)，如圖7所示。隨著切刀的不斷運(yùn)動，接觸金屬桿后A、B、C依次出現(xiàn)應(yīng)力的急劇增加，達(dá)到屈服極限825MPa后發(fā)生剪切作用，金屬桿從預(yù)斷面分離開來，由于單元的消失A、B、C 3處單元在剪切完成后應(yīng)力急劇消失歸零，這與圖8所示A、B、C的等效塑性應(yīng)變曲線的變化情況是一致的。

圖7　金屬桿預(yù)斷面等效應(yīng)力曲線Fig.7　Equivalent stress curve of metal rod

圖8　金屬桿預(yù)斷面等效塑性應(yīng)變曲線Fig.8　Equivalent plastic strain curve of metal rod

5　試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1試驗(yàn)設(shè)備

采用EXCAL5423-HE寬溫域氣候試驗(yàn)箱、AQ-022防爆型高溫試驗(yàn)箱、低溫罐、DPO7254示波器、HCL-1恒流脈沖電源組成火工切割裝置的高溫及低溫發(fā)火試驗(yàn)系統(tǒng)。

5.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

將火工切割裝置在規(guī)定的高溫、低溫環(huán)境條件下放置規(guī)定時間后各進(jìn)行3次發(fā)火試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果見表4及圖9。裝置在規(guī)定的高溫、低溫環(huán)境條件下均能正常發(fā)火，并完成切割功能，工作時間在3.25ms左右。

圖9　作用后的火工切割裝置Fig.9　The explosive cutting device after function

表4　火工切割裝置試驗(yàn)結(jié)果Tab.4　Test results of explosive cutting device

通過觀察圖9中作用后的火工切割裝置，可以看到金屬桿切斷后斷口整齊，裝置本體保持結(jié)構(gòu)完整，未發(fā)生碎片泄漏及污染情況。由此可見，火工切割裝置設(shè)計(jì)合理，滿足設(shè)計(jì)要求，并與數(shù)值模擬情況基本吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬過程的正確性。

6　結(jié)束語

本次研究運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA軟件，對火工切割裝置的工作過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過分析得到雷管裝藥爆轟波的傳播過程、切刀運(yùn)動以及金屬桿切割過程的3D模擬結(jié)果，火工切割裝置應(yīng)力及應(yīng)變分布、切刀沖擊加速度和速度、金屬桿變形和損傷的時間歷程曲線。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

［1］ 王凱民，溫玉全. 軍用火工品設(shè)計(jì)技術(shù) ［M］. 北京:國防工業(yè)出版社，2006.

［2］ 趙海鷗. LS-DYNA動力分析指南 ［M］. 北京:兵器工業(yè)出版社，2003.

［3］ 尚曉江，蘇建寧. LS-DYNA動力分析方法與工程實(shí)例 ［M］.北京:中國水利水電出版社，2006.

［4］ LS-DYNAKeywordUsersManual-Version971 ［Z］. Livermore Software Technology Corporation， 2007.

［5］ 陳敏，隋允康，陽志光.宇航火工分離裝置爆炸分離數(shù)值模擬［J］.火工品，2007（5）:5-8.

［6］ 張歡，劉天雄，李長江，等.航天器火工分離螺母的火工沖擊環(huán)境數(shù)值仿真研究［J］.航天器環(huán)境工程，2014，31（4）:363- 368.

Numerical Simulation on the Explosion Separation of Explosive Cutting Device

WANG Tong， YANG An-min， WU Rui-de， LI Lin， GUO Xiao-rong
（Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute， Xi’an， 710061）

Using the nonlinear finite element software ANSYS / LS-DYNA， the nonlinear transient dynamic process of the explosive cutting device function was numerical simulated. Through analyzing the numerical simulation results， the 3D simulation results of detonation wave propagation process， cutting tool motion and metal rod cutting process were obtained. The software LS-PREPOST was used， then the explosive cutting device stress and strain distribution， cutting knife impact acceleration and velocity， the time history curve of the metal rod deformation and damage were gotten. Numerical simulation results and experimental results are compared. The results showed that the established model simulate the working process of the explosive cutting device well.

Pyrotechnic cutting device；Numerical simulation；Cutting；Explosion

TJ450.2

A

1003-1480（2015）06-0017-04

2015-08-17

王通（1989-），男，在讀碩士研究生，主要從事先進(jìn)火工技術(shù)研究。