基于物質(zhì)點(diǎn)法的軌道炮刨削機(jī)理三維數(shù)值研究*

吳金國(guó),林慶華,彎 港,金 涌,李海元,栗保明

(南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210094)

基于物質(zhì)點(diǎn)法的軌道炮刨削機(jī)理三維數(shù)值研究*

吳金國(guó),林慶華,彎 港,金 涌,李海元,栗保明

(南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210094)

基于軌道炮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及沖擊熱力學(xué)理論,采用物質(zhì)點(diǎn)法建立了軌道微顆粒誘發(fā)刨削的三維模型,模擬了軌道刨削的形成過(guò)程,并對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理與影響因素進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:電樞與軌道的局域高速?zèng)_擊產(chǎn)生瞬時(shí)的能量交換,形成的高熱高壓金屬流對(duì)軌道表面的斜侵徹作用形成了刨坑;刨削的產(chǎn)生存在速度閾值,超過(guò)速度閾值,隨著電樞速度增加,刨削越嚴(yán)重;低于速度閾值,可產(chǎn)生軌道擦傷;減小軌道表面微顆粒尺寸、增加電樞頭部?jī)A角均可降低刨削損傷。

沖擊動(dòng)力學(xué);物質(zhì)點(diǎn)法;軌道炮;刨削;超高速

電磁軌道炮是一種利用高功率脈沖電流產(chǎn)生的巨大電磁推力把彈丸加速到超高速的動(dòng)能武器,在軍事上有著廣泛應(yīng)用前景。電磁軌道炮走向應(yīng)用必須要攻克發(fā)射器的使用壽命這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),延長(zhǎng)發(fā)射器壽命則需要解決電弧燒蝕和刨削等問(wèn)題[1]。刨削是材料在高速滑動(dòng)接觸下出現(xiàn)的一種損傷現(xiàn)象,在火箭橇、輕氣炮及電磁軌道炮的實(shí)驗(yàn)中均有出現(xiàn)[2-3]。軌道炮中的刨削主要帶來(lái)以下危害:降低能量利用率,縮短軌道壽命,影響射彈精度等。軌道炮實(shí)驗(yàn)中觀察到的典型刨坑形貌多為淚滴狀,如圖1所示[4],刨坑尖部朝炮尾、弧部指向炮口。刨坑的生長(zhǎng),從一個(gè)起始點(diǎn)開(kāi)始,沿電樞的運(yùn)動(dòng)方向逐漸變寬變深,坑內(nèi)表面凹凸不平,呈現(xiàn)熔融的表面狀態(tài),刨坑最終收斂于弧形的尾邊,尾邊上常有熔融物堆積成的凸緣。C.Persad[5]在軌道炮實(shí)驗(yàn)中測(cè)量出發(fā)生刨削位置的軌道背面表面高度差達(dá)到50μm,而未發(fā)生刨削位置的高度差不超過(guò)5μm,說(shuō)明刨削的產(chǎn)生過(guò)程伴隨著很強(qiáng)的沖擊。T.J.Watt[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究對(duì)比了平整軌道和表面帶凹縫的軌道對(duì)刨削臨界速度的影響,發(fā)現(xiàn)軌道表面宏觀不平度對(duì)產(chǎn)生刨削的臨界速度影響不大,而對(duì)刨坑的形貌影響較大。F.Stefani[4]對(duì)不同材料的刨削臨界速度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),認(rèn)為樞軌中較硬材料的維氏硬度與刨削臨界速度下的沖擊壓強(qiáng)近似滿足線性關(guān)系。

圖1 軌道炮實(shí)驗(yàn)中典型的淚滴狀刨坑形貌[4]Fig.1 Typical tear-drop gouging morphology in railgun[4]

電樞與軌道超高速滑動(dòng)接觸界面上刨削現(xiàn)象的形成是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程,持續(xù)時(shí)間通常只有幾十微秒,加之該過(guò)程處于極端工況下,以目前的實(shí)驗(yàn)水平對(duì)軌道炮刨削的產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量基本不可能。因此,若能對(duì)軌道刨削現(xiàn)象的演變過(guò)程進(jìn)行合理的復(fù)現(xiàn),刨削的形成機(jī)理及相關(guān)規(guī)律的研究便可迎刃而解。本文中基于軌道炮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及沖擊熱力學(xué)理論,通過(guò)物質(zhì)點(diǎn)法以三維數(shù)值模擬的方式研究軌道刨削的產(chǎn)生機(jī)理,展現(xiàn)刨削的演化與形成過(guò)程,分析刨削產(chǎn)生的極端物理環(huán)境,并在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步計(jì)算和分析顆粒大小、沖擊速度等因素對(duì)刨削產(chǎn)生的影響。

1 軌道刨削機(jī)理及數(shù)值研究方法分析

J.P.Barber[7]首次分析了軌道炮的刨削產(chǎn)生機(jī)理,參照前人在火箭橇中的研究成果,把軌道炮刨削的產(chǎn)生歸因于軌道微顆粒的沖擊作用,認(rèn)為刨削是在超高速滑動(dòng)接觸時(shí)碰撞產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力超過(guò)材料的極限強(qiáng)度后產(chǎn)生的。T.J.Watt[6]的實(shí)驗(yàn)也表明,磨損以及刨削,均起因于軌道表面的缺陷,這些缺陷通常是機(jī)械加工或打磨時(shí)留下的痕跡。L.M.Barker[8]首次將軌道炮刨削機(jī)理用平行沖擊熱力學(xué)理論加以解釋,電樞相對(duì)軌道平行滑動(dòng),由于軌道表面的不平度或細(xì)小顆粒,引起電樞與軌道間的微小沖擊,并超過(guò)材料的應(yīng)力屈服強(qiáng)度,樞軌材料發(fā)生塑性變形,最終在軌道上形成刨坑。實(shí)際上,軌道表面微顆粒除機(jī)械加工因素外,還可來(lái)自以下方面:電樞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生折斷等破壞,產(chǎn)生的碎片或殘?jiān)街谲壍辣砻?電樞局部積聚熱量過(guò)高,使得電樞材料熔化掉落于軌道表面,凝固成細(xì)小顆粒[9];由于風(fēng)沙等環(huán)境因素,也可導(dǎo)致軌道表面附有細(xì)小沙粒。

數(shù)值模擬方面,L.M.Barker[10]與D.L.Bourell[11]基于微顆粒誘發(fā)的刨削模型,分別用CTH和EPIC等流體動(dòng)力學(xué)程序?qū)壍琅谂傧鬟^(guò)程進(jìn)行了二維數(shù)值模擬,對(duì)刨削受材料、速度等變量的影響進(jìn)行了計(jì)算,但結(jié)果中并未給出完整的刨坑形貌。金龍文等[9]、Zhu Rengui等[12]、劉峰等[13]利用LS-DYNA和ABAQUS等商業(yè)有限元軟件,也對(duì)軌道炮刨削的影響因素進(jìn)行了數(shù)值研究,分析得出刨坑的形貌受電樞沖擊前角、顆粒尺寸、沖擊速度及溫度等變量影響較大,樞軌界面載荷對(duì)刨削影響較小。

目前的數(shù)值模擬多為二維,而軌道刨削是一個(gè)三維擴(kuò)展問(wèn)題,二維計(jì)算結(jié)果不能完整反映出刨坑形貌的擴(kuò)展過(guò)程以及受計(jì)算參量變化的影響。此外,樞軌高速滑動(dòng)界面上的刨削現(xiàn)象是局域化的,變形主要集中在接觸界面附近薄層內(nèi)。使用有限元法時(shí),若想得到樞軌界面的碰撞作用和刨坑的形成過(guò)程,一是需要在界面附近劃分細(xì)密的網(wǎng)格,勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量增大,計(jì)算時(shí)長(zhǎng)增加;二是超高速刨削現(xiàn)象涉及材料的非線性大變形破壞,有限元法計(jì)算時(shí)容易因網(wǎng)格畸變過(guò)大從而大幅縮短時(shí)間步長(zhǎng),為保證計(jì)算效率,需要進(jìn)行網(wǎng)格重分或刪除失效單元。物質(zhì)點(diǎn)法[14-15]是粒子類(lèi)無(wú)網(wǎng)格方法的一種,兼具拉格朗日法與歐拉法的優(yōu)點(diǎn)。將物質(zhì)區(qū)域離散為物質(zhì)點(diǎn),在規(guī)則的背景網(wǎng)格上進(jìn)行動(dòng)量積分,從而避免了網(wǎng)格畸變問(wèn)題,計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)也基本固定,適合于超高速刨削這類(lèi)極端現(xiàn)象的模擬。

2 計(jì)算模型及物質(zhì)點(diǎn)法程序?qū)崿F(xiàn)

2.1 計(jì)算模型及材料參數(shù)

根據(jù)上述刨削產(chǎn)生機(jī)理的分析,采用物質(zhì)點(diǎn)法建立了軌道微顆粒誘發(fā)的刨削模型(圖2)。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,沿電樞的對(duì)稱面建立1/2計(jì)算模型。電樞對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束條件,模型中略去絕緣支撐材料,改為在電樞側(cè)面施加z向位移約束。U形電樞長(zhǎng)30 mm,軌道寬30 mm,厚10 mm,軌道表面有一半徑0.5 mm的半球形顆粒。整個(gè)模型物質(zhì)域以627 792個(gè)質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行離散,其中電樞171 280個(gè)質(zhì)點(diǎn),軌道454 400個(gè)質(zhì)點(diǎn),顆粒2 112個(gè)質(zhì)點(diǎn)。

電樞材料為7075鋁,軌道材料為無(wú)氧銅,材料本構(gòu)為Johnson-Cook模型。J-C模型中考慮到應(yīng)變硬化、應(yīng)變率硬化及溫度軟化效應(yīng),流動(dòng)應(yīng)力表示為

圖2 軌道刨削物質(zhì)點(diǎn)法計(jì)算模型Fig.2 A simulation model of railgun gouging constructed with material point method

式中:A是參考溫度與參考應(yīng)變率下的屈服強(qiáng)度,B、n是材料應(yīng)變硬化參數(shù);C是應(yīng)變率強(qiáng)化參數(shù),εp是等效塑性應(yīng)變,ε0是參考應(yīng)變;T*=(T-Tr)/(Tm-Tr),m是熱軟化參數(shù),Tr是參考溫度,Tm是材料熔化溫度。

考慮損傷的破壞應(yīng)變?chǔ)舙,f表示為

式中:σ*=σm/σeq為應(yīng)力三軸度,σm是靜水應(yīng)力,σeq是von Mises等效應(yīng)力。D1～D5是材料斷裂失效參數(shù)。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)損傷量D=∑(Δεp/εp,f)達(dá)到1時(shí),材料斷裂失效,已失效的質(zhì)點(diǎn)偏應(yīng)力置為零,且不能受拉。

刨削的形成時(shí)間通常只有幾十微秒,可視為絕熱過(guò)程。絕熱過(guò)程塑性變形引起的溫升為

式中:ρ為密度;cp為定壓比熱;χ表示塑性功轉(zhuǎn)化為熱量的比例,一般取0.85～0.9。

由于刨削涉及到材料在沖擊高壓下的熱力學(xué)行為,因此還須用相應(yīng)的狀態(tài)方程進(jìn)行描述,本文采用Mie-Grüneisen狀態(tài)方程。該狀態(tài)方程定義材料所受壓力為

式中:c0是壓力為零時(shí)的材料聲速,s是沖擊波速u(mài)s和粒子速度up關(guān)系曲線的斜率系數(shù),γ0是壓力為零時(shí)的Grüneisen參數(shù),ρ0為材料初始密度,e為比內(nèi)能,體積變化率μ=ρ/ρ0-1。電樞與軌道的材料參數(shù)見(jiàn)表1,其中:E為楊氏模量,ν為泊松比。

表1 電樞與軌道材料參數(shù)Table 1 Material parameters of armature and rail

2.2 物質(zhì)點(diǎn)法程序?qū)崿F(xiàn)

沖擊爆炸等問(wèn)題中常使用更新拉格朗日格式,其考慮熱量交換的控制方程為

式中:i,j,k=1,2,3分別代表直角坐標(biāo)系中的三個(gè)方向;ρ是密度,bi是物體所受單位體積力是加速度,σij是Cauchy應(yīng)力,偏應(yīng)力張量sij=σij+pδij,p是壓力,e是系統(tǒng)的比內(nèi)能,qs是單位質(zhì)量熱源,T為溫度,Γt和Γu分別是給定面力邊界和位移邊界,nj是邊界At的外法線單位矢量,q是人工體積黏性力。

物質(zhì)點(diǎn)法求解格式也是從微分方程的弱形式出發(fā),取虛位移δui作為權(quán)函數(shù),式(6)和式(8)的等效積分弱形式即為

物質(zhì)點(diǎn)法將連續(xù)體離散為一系列質(zhì)點(diǎn),因此連續(xù)體的密度可近似為

式中:W是質(zhì)點(diǎn)總數(shù),mw是質(zhì)點(diǎn)w的質(zhì)量,δ是Dirac Delta函數(shù),xi,w是質(zhì)點(diǎn)w的坐標(biāo)。將式(10)代入虛功方程(9)中,可將其轉(zhuǎn)化為求和的形式

式中:下角標(biāo)w表示物理量描述質(zhì)點(diǎn)w,h是為了將式(9)等號(hào)左邊最后一項(xiàng)邊界積分轉(zhuǎn)化為體積分而引入的假想邊界層厚度。

物質(zhì)點(diǎn)法中物體的信息均由各質(zhì)點(diǎn)攜帶,為了在背景網(wǎng)格上求解tn時(shí)刻的動(dòng)量方程,需要將質(zhì)點(diǎn)在tn時(shí)刻的質(zhì)量、動(dòng)量、應(yīng)力、體力和面力等信息映射到背景網(wǎng)格,利用背景網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)上的有限元形函數(shù)NI(xi)實(shí)現(xiàn)質(zhì)點(diǎn)和背景網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)之間信息的映射,第I個(gè)網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)在i方向的動(dòng)量為

結(jié)點(diǎn)內(nèi)力和結(jié)點(diǎn)外力分別為

式中:σij,w為質(zhì)點(diǎn)w的應(yīng)力,可以利用本構(gòu)方程由質(zhì)點(diǎn)w的應(yīng)變?cè)隽亢托吭隽康玫健?/p>

背景網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)的動(dòng)量方程可表示為

在背景網(wǎng)格上利用時(shí)間積分求解各結(jié)點(diǎn)的動(dòng)量方程后,再將網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)的速度變化量和位置變化量映射回質(zhì)點(diǎn),以更新質(zhì)點(diǎn)的速度和位置。

3 結(jié)果與討論

3.1 刨削過(guò)程模擬

以一個(gè)典型算例進(jìn)行分析,給電樞賦予1.5 km/s的初始速度,與軌道上的半徑為0.5 mm半球形顆粒發(fā)生平行沖擊,整個(gè)作用時(shí)間約30μs。圖3為刨坑形成過(guò)程中Mises等效應(yīng)力變化云圖(x為電樞運(yùn)動(dòng)方向,y為樞軌接觸面法向,截取模型中間對(duì)稱面觀測(cè),為便于查看刨坑形成過(guò)程,后處理時(shí)已破壞的質(zhì)點(diǎn)未予顯示),應(yīng)力波從電樞與顆粒的碰撞點(diǎn)開(kāi)始向周?chē)杆贁U(kuò)散,沖擊核心區(qū)內(nèi)應(yīng)變梯度很大,材料產(chǎn)生大變形流動(dòng),應(yīng)變率最高時(shí)可達(dá)105s-1。電樞和軌道材料上的Mises等效應(yīng)力分別達(dá)到了900和450 MPa,沖擊瞬間軌道微顆粒受到的壓力可至幾十吉帕,遠(yuǎn)高于材料靜態(tài)屈服強(qiáng)度,材料在急劇壓縮下表現(xiàn)近似流體狀態(tài)。沖擊塑性功產(chǎn)生的熱量來(lái)不及擴(kuò)散,使得電樞和軌道局部溫度升高了300 K以上,進(jìn)一步加劇了沖擊核心區(qū)樞軌材料的熱軟化及流動(dòng)變形。圖4是沖擊過(guò)程中樞軌接觸面上的作用力隨時(shí)間的變化曲線,在電樞與微顆粒發(fā)生沖擊作用的時(shí)間內(nèi),接觸力發(fā)生躍變。x及y方向力較大,峰值可達(dá)15 k N。y方向的力使得軌道表面材料被急劇壓縮,刨坑內(nèi)部的材料密度升高,即軌道材料被硬化。文獻(xiàn)[4]對(duì)軌道刨坑區(qū)域的材料硬度測(cè)量也顯示,刨坑內(nèi)材料硬度增加明顯,表明刨削發(fā)生時(shí)在樞軌接觸面法向的軌道材料塑性壓縮變形效應(yīng)顯著。

圖3 軌道刨坑形成過(guò)程Mises應(yīng)力云圖Fig.3 Mises stress distribution during the formation process of gouging

圖5是軌道微顆粒內(nèi)選取的2個(gè)質(zhì)點(diǎn)w1、w2在沖擊發(fā)生后的速度(vx、vy)變化曲線,質(zhì)點(diǎn)在x和y方向的動(dòng)量均迅速增長(zhǎng)(負(fù)號(hào)表示y軸反向),說(shuō)明軌道表面被斜角度侵徹,引起該處材料的流動(dòng)與擴(kuò)散,這2個(gè)質(zhì)點(diǎn)在17μs后均發(fā)生了破壞。圖6是沖擊結(jié)束后,軌道表面形成的淚滴狀刨坑,尖端指向軌道尾部,弧端指向炮口,刨坑長(zhǎng)12 mm,寬8 mm,深1.2 mm。計(jì)算模擬的結(jié)果與軌道炮實(shí)驗(yàn)中的淚滴狀刨坑形貌(圖1)符合較好。與二維計(jì)算[10-12]相比,三維模擬能比較清晰地反映出材料塑性波從沖擊核心區(qū)域向空間三維的擴(kuò)展過(guò)程及最終形成的淚滴狀刨坑形貌。

圖4 樞軌接觸面三個(gè)方向接觸力變化曲線Fig.4 Contact forces in three directions varying with time

圖5 2個(gè)質(zhì)點(diǎn)受沖擊時(shí)的速度變化曲線Fig.5 Velocities of two particles varying with time during impacting

對(duì)刨削形成過(guò)程的數(shù)值模擬表明,軌道刨削是在一個(gè)瞬態(tài)的局域高壓擾動(dòng)下產(chǎn)生的。軌道微顆粒誘發(fā)的瞬態(tài)局域沖擊使得樞軌界面材料發(fā)生高應(yīng)變率的塑性流動(dòng)和強(qiáng)化等熱力學(xué)行為。從上游而來(lái)的電樞與軌道表面的局域高速?zèng)_擊產(chǎn)生了瞬時(shí)的能量交換,使得受沖擊的軌道材料變成了高熱高壓的金屬流,并以斜角度侵徹下游的軌道表面,軌道材料發(fā)生塑性流動(dòng)。塑性變形從沖擊擾動(dòng)點(diǎn)開(kāi)始,向下游沿3個(gè)方向逐漸擴(kuò)展,最終形成了淚滴狀的刨坑。

圖6 1.5 km/s沖擊速度下數(shù)值模擬出的淚滴狀刨坑Fig.6 Tear-drop gouge craters from numerical simulation at 1.5 km/s

3.2 影響因素分析

保持樞軌結(jié)構(gòu)及材料不變,電樞仍賦予1.5 km/s的初始速度,逐漸減小微顆粒的半徑尺寸,分析其對(duì)刨削的影響。結(jié)果顯示,隨著顆粒尺寸的減小,沖擊形成的刨坑尺寸也逐漸減小,顆粒半徑為0.2 mm時(shí)形成的淚滴狀刨坑如圖6(b)所示。計(jì)算結(jié)果隨顆粒半徑的進(jìn)一步減小呈現(xiàn)出收斂特征,當(dāng)顆粒半徑減小到0.1 mm以下后,軌道表面淚滴狀刨坑逐漸消失,相應(yīng)的,電樞的損傷破壞也逐漸減輕。

改變電樞與軌道顆粒發(fā)生沖擊的速度,分析軌道刨削受沖擊速度的影響。結(jié)果顯示,隨著沖擊速度的提高,形成的刨坑變深變寬,電樞的損傷面積也變大,如圖7所示。計(jì)算得到的7075鋁電樞與無(wú)氧銅軌道發(fā)生刨削的臨界速度約為1.4 km/s,沖擊速度低于1.4 km/s后,軌道上不再形成淚滴狀刨坑,而是出現(xiàn)了磨損擦傷,如圖8所示,與刨坑不同,磨損形成的溝槽較淺,且沿生長(zhǎng)方向基本保持恒定的寬度和深度。隨著電樞沖擊速度的減小,磨損也逐漸減輕,直至消失。這是由于刨削的形成是軌道表面受電樞高速?zèng)_擊擾動(dòng)產(chǎn)生的高壓金屬流斜侵徹軌道的結(jié)果;隨著速度的減小,沖擊維持時(shí)間內(nèi)峰值壓力下降明顯,如圖9所示,形成的金屬流的動(dòng)能也隨之減小,對(duì)軌道的侵徹效果也變?nèi)酢?/p>

圖7 2.0 km/s速度下數(shù)值模擬出的淚滴狀刨坑Fig.7 Gouging morphology from simulation at 2.0 km/s

圖8 1.0 km/s速度下模擬出的軌道擦傷溝槽Fig.8 A galling track from simulation at 1.0 km/s

文獻(xiàn)[6]中的實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn),在到達(dá)刨削臨界速度之前,軌道上有磨損擦傷產(chǎn)生,如圖10所示,當(dāng)速度超過(guò)0.8 km/s后比較明顯,由磨損至產(chǎn)生刨削是一個(gè)逐漸演變的過(guò)程。文獻(xiàn)[4-5]的軌道炮刨削實(shí)驗(yàn),分別得出7075鋁電樞和T2純銅軌道的刨削臨界速度為1.35和1.30 km/s,本文數(shù)值模擬的結(jié)果與之接近。由于刨削易發(fā)生在高速段,因此實(shí)際工程應(yīng)用中,可通過(guò)提高高速段軌道的加工平整度或提高高速段軌道材料的強(qiáng)度來(lái)削弱及抑制刨削損傷的出現(xiàn)。

圖9 沖擊峰值壓強(qiáng)隨速度的變化Fig.9 The peak impact pressure at different velocities

圖10 實(shí)驗(yàn)中軌道上出現(xiàn)的磨損擦傷溝槽[6]Fig.10 Galling tracks on the rail from an experiment[6]

另外,本文中還計(jì)算分析了電樞頭部?jī)A角對(duì)刨削的影響,電樞速度及顆粒尺寸保持不變,改變電樞的頭部?jī)A角進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果顯示,隨著電樞傾角的增大,沖擊形成的刨坑也變小變淺。這是因?yàn)?改變電樞頭部?jī)A角,相當(dāng)于改變了電樞與微顆粒發(fā)生碰撞的角度,導(dǎo)致沖擊碰撞所形成的高壓金屬流對(duì)軌道的侵徹角度發(fā)生變化,侵徹效果也自然受到影響。因此在工程實(shí)際應(yīng)用中,設(shè)計(jì)合適的電樞頭部?jī)A角對(duì)削弱軌道的刨削損傷也很重要。

4 結(jié) 論

基于軌道炮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及沖擊熱力學(xué)理論,采用物質(zhì)點(diǎn)法構(gòu)建了微顆粒誘發(fā)的刨削三維模型,對(duì)軌道刨削的形成過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了刨削產(chǎn)生機(jī)理以及一些影響因素,得到以下主要結(jié)論:

(1)刨削是在瞬態(tài)的局域高壓擾動(dòng)下產(chǎn)生的,電樞與軌道表面的局域高速?zèng)_擊產(chǎn)生了瞬時(shí)的能量交換,使得受沖擊的軌道材料變成高熱高壓的金屬流斜角度侵徹下游軌道表面,塑性變形從沖擊點(diǎn)開(kāi)始迅速擴(kuò)展,形成了淚滴狀刨坑;

(2)對(duì)于特定的樞軌材料和結(jié)構(gòu)形式,刨削的產(chǎn)生存在速度閾值;超過(guò)該閾值,隨著速度增加,刨削越嚴(yán)重;低于該閾值,軌道出現(xiàn)磨損擦傷,并隨著沖擊速度的進(jìn)一步減小而減輕。另外,減小顆粒尺寸以及增大電樞頭部?jī)A角,均可降低刨削損傷;

(3)基于本文中對(duì)軌道炮刨削的數(shù)值模擬結(jié)果,表明物質(zhì)點(diǎn)法用于軌道刨削這類(lèi)沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的計(jì)算具有突出的優(yōu)點(diǎn),一是便于處理高速滑移界面上的材料塑性流動(dòng)大變形破壞問(wèn)題,避免了有限元計(jì)算容易出現(xiàn)的網(wǎng)格畸變;二是在應(yīng)變梯度很大的局域內(nèi)不必劃分很細(xì)密的網(wǎng)格也可以較方便地模擬出斷裂失效等問(wèn)題,有著較高的計(jì)算效率。

本文中,采用數(shù)值方法模擬了軌道刨削的形成過(guò)程并分析了顆粒大小、沖擊速度、電樞傾角的影響,下一步的研究將更多地考慮樞軌材料與結(jié)構(gòu)的影響。

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3D numerical research of railgun gouging mechanism based on material point method

Wu Jinguo,Lin Qinghua,Wan Gang,Jin Yong,Li Haiyuan,Li Baoming
(National Key Laboratory of Transient Physics,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing210094,Jiangsu,China)

Based on the structural features of the railgun and the theories of impact thermodynamics,a 3D gouging model containing a micro particle was established using the material point method to simulate the formation process of the rail gouging,and the gouging mechanism and some influencing factors were also analyzed.The results show that the local impact between the armature and the rails at a high velocity produces transient energy exchanges,thus simultaneously forming metal flows with high energy and high pressure that penetrate obliquely into the rail and cause the formation of gouging,for which there is a threshold velocity to produce.As the armature velocity increases,the gouging damage gets more serious.On the other hand,the galling damage occurs when the armature velocity is below the threshold velocity.Both controlling the particle size within a certain range and increasing the head angle of the armature will help to suppress the formation of gouging.

impact dynamics;material point method;railgun;gouging;hypervelocity

O347國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼:1303599

:A

10.11883/1001-1455(2017)02-0307-08

(責(zé)任編輯 王小飛)

2015-07-07;

:2016-02-29

國(guó)家自然科學(xué)基金(11402266);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(1151210420)

吳金國(guó)(1989- ),男,博士研究生,wujg8848@163.com。