爆炸螺栓作用過程的仿真研究

杜龍飛，馬玉環(huán)，陳慧能，楊樹彬，夏冬星

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爆炸螺栓作用過程的仿真研究

杜龍飛1，馬玉環(huán)2，陳慧能1，楊樹彬1，夏冬星1

（1.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西西安，710061；2. 上海航天設(shè)備制造總廠，上海，200245）

針對某典型結(jié)構(gòu)的爆炸螺栓，利用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA，選用4種具有不同爆速、爆壓參數(shù)的藥劑進(jìn)行了仿真計算，得到了適用于該典型結(jié)構(gòu)爆炸螺栓的藥劑，并對采用該藥劑的爆炸螺栓具體作用過程進(jìn)行了仿真分析研究，計算得到的分離斷口、分離速度和分離現(xiàn)象與工程實際基本吻合。

爆炸螺栓；仿真；裝藥；作用過程

爆炸螺栓是運載火箭助推器級間分離裝置和彈箭之間分離裝置的關(guān)鍵部件之一[1]。爆炸螺栓的結(jié)構(gòu)形式和內(nèi)部藥劑的爆速、爆壓等參數(shù)對爆炸螺栓的作用過程有非常重要影響，本研究采用仿真技術(shù)模擬爆炸螺栓的作用過程，探索適用爆炸螺栓的結(jié)構(gòu)形式和藥劑參數(shù)，對爆炸螺栓的設(shè)計有重要意義。

1 建立模型

1.1 爆炸螺栓結(jié)構(gòu)分析與簡化

選用的爆炸螺栓結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。圖1爆炸螺栓由螺栓本體、裝填藥劑和活塞桿組成，藥劑引爆后，產(chǎn)生高壓氣體推動活塞向右運動，將預(yù)斷面剪斷完成分離動作。為縮短計算時間，減少計算量，將引爆裝置結(jié)構(gòu)簡化為與螺栓本體一體的實體圓柱，多級裝藥按其當(dāng)量等效簡化為由主裝藥組成的圓柱形裝藥，同時將外形六方體、螺紋等結(jié)構(gòu)簡化成圓柱體。

圖1 爆炸螺栓結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 算法選擇

ALE算法非常適用于燃燒爆轟產(chǎn)生大變形的仿真分析，仿真分析的計算精度高[2]，所以本次研究選用ALE算法。

1.3 材料本構(gòu)關(guān)系及狀態(tài)方程

1.3.1火工藥劑的本構(gòu)關(guān)系及狀態(tài)方程

采用JWL狀態(tài)方程描述火工藥劑性能，凝聚炸藥JWL狀態(tài)方程的形式為：

從JWL狀態(tài)方程可以導(dǎo)出體積聲速的測量值，也可導(dǎo)出試驗上觀察到的沖擊波速度與波后粒子速度的關(guān)系：在高壓下為線性關(guān)系，在低壓下偏離線性關(guān)系。爆轟產(chǎn)物的JWL狀態(tài)方程[4]，其形式見式（2）：

（3）

式（3）相當(dāng)于理想氣體的等熵方程。

1.3.2金屬殼體的本構(gòu)關(guān)系

本研究中殼體材料性能采用隨動塑性(MAT_ PLASTIC_KINEMATIC)本構(gòu)關(guān)系來描述，爆炸螺栓殼體和活塞桿的材料選用不銹鋼1Cr18Ni9Ti，其參數(shù)見表1[5]。

表1 不銹鋼1Cr18Ni9Ti材料基本參數(shù)

Tab.1 The parameters of stainless steel

1.4 計算模型

藥劑發(fā)生作用時，會對螺栓結(jié)構(gòu)和活塞桿產(chǎn)生一定的動態(tài)效應(yīng)，螺栓結(jié)構(gòu)和活塞桿在沖擊壓力下一般會發(fā)生運動、變形或一定程度的破壞。因此，考慮采用流固耦合方法計算炸藥對結(jié)構(gòu)的作用。本模型中，藥劑、空氣兩種材料采用歐拉網(wǎng)格建模，單元使用多物質(zhì)ALE算法，活塞桿和螺栓本體采用拉格朗日網(wǎng)格建模，與藥劑和空氣之間采用耦合算法。為進(jìn)一步簡化計算，只選取爆炸螺栓的1/4進(jìn)行計算，建立的計算用模型如圖2所示[6]。

圖2 爆炸螺栓計算模型

本模型根據(jù)需要，采用cm-g-μs單位制。

1.5 劃分網(wǎng)格建立有限元模型

本研究中螺栓本體、藥劑、活塞桿和空氣域均采用SOLID164六面體單元，采用映射劃分生成有限元單元?；钊麠U、螺栓本體、藥劑和空氣域各部分網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果示意圖

1.6 初始條件、約束與邊界條件設(shè)置

建模完成后，需要設(shè)置計算起始條件。根據(jù)火工品的結(jié)構(gòu)特點，在藥劑的起始發(fā)火位置可以設(shè)置點、線或面起爆。本次研究中，起爆方式采用點起爆，起爆點設(shè)在藥劑左端面的中心位置。計算用邊界條件為：利用對稱性對稱面的變形進(jìn)行約束，計算模型的空氣外表面施加無反射邊界條件，活塞桿與螺栓本體之間定義為自動接觸。

2 計算結(jié)果

2.1 藥劑選型

藥劑的爆速、爆壓對爆炸螺栓作用過程有著非常重要的影響，為分析研究適用于爆炸螺栓的藥劑參數(shù)，從材料庫中選擇HMX、RX-06-AF、HNS1.00、 ANFO4種藥劑進(jìn)行計算。表2介紹了4種藥劑的爆速、爆壓參數(shù)。圖4為HMX、RX-06-AF、HNS1.00、 ANFO4種藥劑作用效果的應(yīng)力云圖。

表2 藥劑爆速、爆壓表

Tab.2 The detonation velocity and detonation pressure of composition

圖4 4種藥劑作用結(jié)果應(yīng)力云圖

從圖4（a）可知，由于HMX爆速、爆壓過高，劇烈的爆炸直接損壞了藥劑附近的螺栓本體結(jié)構(gòu)和活塞桿，螺栓本體嚴(yán)重變形，無法完成爆炸螺栓的分離動作。RX-06-AF的爆速、爆壓與HMX相近，如圖4（b）中計算結(jié)果也接近一致，螺栓結(jié)構(gòu)受到了嚴(yán)重破壞，無法完成分離動作。圖4（c）中，藥劑HNS1.00完成了爆炸螺栓要求的分離動作，但螺栓本體結(jié)構(gòu)受到了一定程度的損毀，說明該藥劑的爆速、爆壓略高于合理范圍。圖4（d）中爆炸螺栓在螺栓本體沒有明顯破壞的情況下很好地完成了分離動作，活塞與螺栓本體的沖擊也相對較弱，與爆炸螺栓設(shè)計中的“強連接、弱解鎖、低沖擊”的需求相吻合。

2.2 爆炸螺栓作用過程分析

圖5為藥劑ANFO作用下爆炸螺栓作用過程的應(yīng)力云圖，分別描述了各個關(guān)鍵階段爆炸螺栓各部分的應(yīng)力分布情況。

圖5（a）為藥劑起爆后快速燃燒和爆轟的瞬態(tài)，爆轟波呈球形傳播，活塞桿和螺栓本體都有應(yīng)力產(chǎn)生，應(yīng)力最大值位于藥劑作用前緣。圖5（b）為藥劑作用后產(chǎn)生氣體，在氣體壓力的推動下，活塞桿開始向右移動，藥柱周圍本體結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微變形，活塞前端接觸螺栓本體后，活塞桿前端和螺栓本體接觸部位應(yīng)力快速升高，結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大點亦出現(xiàn)在該位置。圖5（c）所示為當(dāng)螺栓本體應(yīng)力超過螺栓本體材料剪切應(yīng)力極限后，螺栓本體從設(shè)計要求剪斷的部位被剪斷，由于斷口的出現(xiàn)，活塞桿前端和螺栓桿應(yīng)力急劇下降，同時螺栓桿部分開始向右運動，逐步完成與螺栓本體的分離動作。

圖5 爆炸螺栓作用過程應(yīng)力云圖

圖5（d）中，螺栓本體已完成分離，活塞桿繼續(xù)向右運動，活塞桿和螺栓本體右端部分應(yīng)力已大幅降低，應(yīng)力最大值位于活塞桿后端部分。圖5（e）中，活塞桿在氣體壓力作用下繼續(xù)運動，活塞桿后端撞擊螺栓本體臺階部分，該處因撞擊發(fā)生形變，最大應(yīng)力點也位于該處。螺栓桿完全分離，桿內(nèi)應(yīng)力逐步趨于零。圖5（f）中，活塞桿后端和螺栓本體撞擊完成，活塞桿相對螺栓本體向后彈回，螺栓桿分離部分繼續(xù)向右運動，結(jié)構(gòu)中應(yīng)力分布趨于平均，整個分離過程完成。圖6為爆炸螺栓腔內(nèi)壓力曲線。

圖6 爆炸螺栓腔內(nèi)壓力曲線

如圖6所示位置，在爆炸螺栓腔內(nèi)取A、B、C3個典型位置進(jìn)行觀察，A點由于距離起爆點最近，和藥劑相鄰，在起爆后壓力迅速增加達(dá)到第1個峰值，爆轟波反射后達(dá)到第2個峰值，略低于第1個峰值。隨后在氣體壓力的推動下活塞桿開始向右運動，B點和C點先后開始受到腔內(nèi)高壓氣體的作用，出現(xiàn)峰值，并伴隨波動壓力逐步減小。觀察可知，B、C兩點的峰值壓力遠(yuǎn)小于A點，分析其原因：由于高壓氣體推動活塞桿做功，隨著活塞桿動能的增加以及腔內(nèi)空間的增大，氣體壓力迅速下降并趨于穩(wěn)定。

圖7為爆炸螺栓預(yù)斷面應(yīng)力曲線。在爆炸螺栓預(yù)斷面上沿軸向依次取A、B、C3點，隨著活塞桿從左向右運動，接觸螺栓本體后A、B、C依次出現(xiàn)應(yīng)力的急劇增加，達(dá)到屈服極限后發(fā)生剪切作用；螺栓桿從預(yù)斷面與螺栓本體分離，隨后應(yīng)力下降，伴隨著活塞桿與剪切面的接觸、碰撞、摩擦，壓力在數(shù)次波動后逐步減弱趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8為螺栓桿速度曲線。選取螺栓桿上A、B、C3點，起爆后10μs左右，A、B、C3點先后開始運動，在活塞桿的推動下螺栓桿開始向右運動，伴隨預(yù)斷面的剪切過程，速度發(fā)生小幅波動，剪切完成后速度繼續(xù)增加，分離平均速度為70m/s左右，局部位置最大分離速度達(dá)85 m/s，并在摩擦阻力的影響下小幅波動。

圖7 爆炸螺栓預(yù)斷面應(yīng)力曲線

圖8 螺栓桿速度曲線

3 實驗驗證

為驗證仿真結(jié)果，根據(jù)圖9所示的實驗原理對爆炸螺栓的分離速度進(jìn)行測量。

圖9 螺栓分離速度實驗示意圖

如圖9所示，螺栓桿分離完成后從右向左運動，依次碰撞間距為的擋片1和擋片2，記錄碰撞的時間1和2，則螺栓桿的平均速度為/(2-1)。通過對15個樣品的實驗測量，得到該型號爆炸螺栓實驗中的平均分離速度為55~67m/s，實驗分離速度與仿真計算結(jié)果基本吻合。通過以上分析，該藥劑很好地完成了爆炸螺栓的分離做功過程，滿足爆炸螺栓設(shè)計需求。

4 結(jié)語

本次研究利用仿真技術(shù)模擬了爆炸螺栓作用全過程，通過計算分析不同爆速、爆壓的藥劑對爆炸螺栓作用過程的影響，得出了適用于該結(jié)構(gòu)形式爆炸螺栓使用的藥劑。計算結(jié)果與工程實際基本吻合。此項研究采用了模擬仿真新技術(shù)，為爆炸螺栓結(jié)構(gòu)及藥劑的優(yōu)化設(shè)計摸索出了一個經(jīng)濟實用的新方法，探索了將仿真技術(shù)應(yīng)用于火工品設(shè)計的新途徑。

[1] 何春全,嚴(yán)楠,葉耀坤.導(dǎo)彈級間火工分離裝置綜述[J].航天返回與遙感,2009,30(3):70-77.

[2] 汪玉,劉云龍,張阿漫,田昭麗.基于ANSYS/LS-DYNA的多層舷結(jié)構(gòu)抗空中接觸爆炸防護(hù)性能研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2013(7):25-31.

[3] 薛再清.爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程及含鋁炸藥的爆炸過程[D].北京:北京理工大學(xué)機電工程學(xué)院,1998.

[4] LS-DYNA Keyword Users Manual-Version 971[Z]. Livermore Software Technology Corporation, Livermore, CA, 2007.

[5] 李靜.點火管作用過程模擬仿真[D].西安:陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所,2010.

[6] 陳慧能,楊樹彬等.點火管作用過程模擬仿真技術(shù)研究[C]//第七屆中國系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)高層論壇論文集.北京:中國計算機用戶協(xié)會仿真應(yīng)用分會,2012.

The Simulation of Action Procedure of Explosive Bolt

DU Long-fei1, MA Yu-huan2, CHEN Hui-neng1, YANG Shu-bin1，XIA Dong-xing1

(1. Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061; 2. Shanghai Aerospace Equipment Manufacturing Factory, Shanghai, 200245)

Aimed at some typical type of explosive bolt, four compositions with different detonation velocity and detonation pressure were selected and calculated by ANSYS/LS-DYNA software, and the optimal composition was obtained. The action procedure simulation of explosive bolt charged the optimal composition was carried out, which was accordant to the test result well.

Explosive bolt；Simulation；Charge；Action procedure

1003-1480（2015）03-0029-04

TJ450.2

A

2014-12-16

杜龍飛（1986-），男，在讀碩士研究生，從事火工品設(shè)計仿真研究。