鋁合金聚能切割性能研究

關(guān)煥文，宋文娟，王 巍，賀愛鋒，陳建華

鋁合金聚能切割性能研究

關(guān)煥文1，宋文娟1，王 巍1，賀愛鋒2，陳建華2

（1 航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究所, 陜西 西安，710089；2 陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710061）

為確保彈射救生過(guò)程的安全性，合理選擇聚能切割對(duì)象的材料及幾何結(jié)構(gòu)，以7050鋁合金座艙頂部結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件和切割索防護(hù)形式進(jìn)行了聚能切割彈射通道清理系統(tǒng)原理性試驗(yàn)，試驗(yàn)中以鋁合金7050為切割材料時(shí)，產(chǎn)生條狀多余物，而采用鋁合金2A12為切割材料時(shí)，則沒有出現(xiàn)。針對(duì)該問(wèn)題利用有限元方法對(duì)切割對(duì)象進(jìn)行了聚能切割仿真，通過(guò)對(duì)7050和2A12材料的力學(xué)性能分析和試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)形式分析，得出了試驗(yàn)中條狀多余物是由于7050的懸臂梁結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。對(duì)7050切割幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和聚能切割試驗(yàn)，結(jié)果表明優(yōu)化后的7050切割幾何結(jié)構(gòu)聚能切割時(shí)未出現(xiàn)多余物。

聚能切割；彈射救生；彈射通道；懸臂梁；鋁合金

采用聚能切割方式進(jìn)行飛機(jī)彈射救生通道清理，需在座艙內(nèi)側(cè)聚能切割形成“座艙蓋”[1-7]。在清理彈射通道過(guò)程中，由于切割點(diǎn)距離飛行員較近，爆炸沖擊和爆炸飛散物可能對(duì)飛行員產(chǎn)生損傷，為了降低損傷風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)內(nèi)對(duì)聚能切割索藥量的控制、爆炸沖擊及爆炸飛散物的控制開展了大量研究工作[8-10]。在工程實(shí)踐中，研究人員發(fā)現(xiàn)切割對(duì)象的材料及幾何結(jié)構(gòu)對(duì)切割性能有較大影響，但這方面的研究工作很有限。

鋁合金7050和2A12是目前大量應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的材料，其聚能切割性能對(duì)其在飛機(jī)彈射救生系統(tǒng)的應(yīng)用有重要影響。本文針對(duì)在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的聚能切割多余物問(wèn)題，采用7050和2A12進(jìn)行了大量的聚能切割性能試驗(yàn)研究，針對(duì)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的多余物的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了力學(xué)分析，對(duì)材料的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了聚能切割多余物問(wèn)題。本文研究對(duì)選擇這兩種材料作為聚能切割材料應(yīng)用于飛機(jī)彈射通道清理系統(tǒng)，具有一定的參考意義。

1 聚能切割過(guò)程

聚能切割過(guò)程見圖1，切割索內(nèi)炸藥爆炸產(chǎn)生的高溫高壓氣體，使切割索藥型罩的金屬材料熔化，由于切割索為對(duì)稱的倒“V”字結(jié)構(gòu)，切割索內(nèi)襯出現(xiàn)塌陷，在對(duì)稱面形成高速高溫金屬流體射流，高溫射流侵徹切割目標(biāo)達(dá)一定深度，由于爆炸沖擊的作用，切割目標(biāo)發(fā)生斷裂。在這個(gè)過(guò)程中，對(duì)鋁合金來(lái)說(shuō)，一般射流侵徹深度達(dá)到切割目標(biāo)厚度的50%時(shí)，鋁板就會(huì)發(fā)生斷裂[11]。

圖1 聚能爆破切割過(guò)程

2 聚能切割彈射通道清理系統(tǒng)原理性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)件

鋁合金7050由于其強(qiáng)度高、抗腐蝕性能強(qiáng)等特點(diǎn)，在現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中的占比日益增加，本文在前期工作[8]的基礎(chǔ)上，采用如圖2所示的7050鋁合金座艙頂部結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件進(jìn)行聚能切割原理性試驗(yàn)，試驗(yàn)采用在工程中常用的裝藥量為2.7g/m的鉛切割索[12-13]。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

在聚能切割過(guò)程中，出現(xiàn)如圖3所示的條狀多余物，該條狀多余物的存在，很可能在飛行員彈射過(guò)程中對(duì)飛行員產(chǎn)生致命傷害。為了解決這一問(wèn)題，根據(jù)原理性試驗(yàn)中試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖4剖面的小試驗(yàn)件，對(duì)鋁合金7050的聚能切割性能進(jìn)行進(jìn)一步研究。

圖2 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件

圖3 彈射通道清理原理性試驗(yàn)

圖4 切割對(duì)象剖面

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋁合金7050試驗(yàn)件出現(xiàn)了如圖5（a）的條狀多余物，與切割彈射通道清理系統(tǒng)原理性試驗(yàn)出現(xiàn)的條狀物類似，重復(fù)性試驗(yàn)表明，條狀多余物出現(xiàn)的現(xiàn)象是一致的，如圖5（b）所示。

圖5 試驗(yàn)件條狀多余物

作為對(duì)比，采用另一種在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常用的鋁合金2A12，按照相同的技術(shù)狀態(tài)，進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。由圖6可見2A12切割面完整、整齊，沒有產(chǎn)生7050試驗(yàn)中的多余物。

圖6 鋁合金2A12和7050聚能爆炸切割試驗(yàn)對(duì)比

3 鋁合金7050聚能爆炸切割性能分析

3.1 仿真分析

本文采用有限元分析軟件LS-DYNA，根據(jù)切割厚度及材料，對(duì)聚能切割過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。仿真模型是由炸藥、藥型罩、空氣和切割對(duì)象組成的系統(tǒng)，如圖7所示。首先對(duì)仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用六面體固體單元，為了能模擬聚能切割現(xiàn)象，單元尺寸應(yīng)盡可能小，被切割厚度方向劃分了28層單元，其尺寸Δ=2.8/28=0.1mm，見圖8。

圖7 聚能切割仿真模型

圖8 仿真模型網(wǎng)格

仿真時(shí)仿真模型的材料模型選擇原則：切割對(duì)象材料為鋁合金7050，由于其在切割過(guò)程中表現(xiàn)出粘彈塑性，仿真時(shí)選擇Johnson-Cook粘塑性模型（MAT_ JOHNSON_COOK）以及Gruneisen狀態(tài)方程來(lái)描述。炸藥為RDX，模型選用高能炸藥材料模型(MAT_ HIGH_EXPLOSIVE_BURN)，結(jié)合JWL狀態(tài)方程（*EOS_JWL）描述。藥型罩材料為鉛，在切割過(guò)程中表現(xiàn)出流體彈塑性，采用流體彈塑性模型(MAT_ELASTIC_PALSTIC_HYDRO) 和Gruneisen狀態(tài)方程來(lái)描述?？諝獠捎每瘴镔|(zhì)模型進(jìn)行描述（MAT_NULL），對(duì)應(yīng)的狀態(tài)方程為線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程LINEAR_POLYNOMIAL。

聚能切割仿真效果見圖9，切割深度約為70%。從圖9可以看出，試驗(yàn)件切割點(diǎn)相對(duì)于試驗(yàn)件的根部，形成了力學(xué)上典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)，在爆炸沖擊作用下，形成對(duì)剩余30%深度材料的拉伸與撕裂作用，當(dāng)爆炸沖擊力較大時(shí)，其對(duì)鋁合金7050試驗(yàn)件的作用遠(yuǎn)超材料的屈服強(qiáng)度，造成脆性斷裂。

圖9 聚能切割仿真效果圖

3.2 鋁合金7050及2A12聚能爆炸切割性能對(duì)比分析

鋁合金7050及2A12的力學(xué)性能分析見表1，可以看出7050相比2A12，雖然強(qiáng)度高，但抗拉極限點(diǎn)距離屈服極限點(diǎn)較近，材料表現(xiàn)為一定的脆性，且2A12的延伸率為7050的2倍[14-15]。通過(guò)對(duì)比7050及2A12的力學(xué)性能，分析認(rèn)為由于懸臂梁結(jié)構(gòu)的存在，在爆炸沖擊力下，產(chǎn)生拉伸變形，爆炸沖擊對(duì)試驗(yàn)件的作用遠(yuǎn)超材料的屈服強(qiáng)度，7050的延伸率較小，容易發(fā)生脆性斷裂，故而產(chǎn)生條狀多余物；而2A12的延伸率較大，產(chǎn)生了明顯的塑性變形，形成一定的彎曲，但沒有斷裂，所以沒有多余物產(chǎn)生。

表 1 7050及2A12的力學(xué)性能

4 鋁合金7050聚能爆炸切割性能的優(yōu)化改進(jìn)

根據(jù)對(duì)7050及2A12的力學(xué)性能的對(duì)比分析，為避免7050作為切割對(duì)象時(shí)產(chǎn)生條狀多余物，從切割對(duì)象的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度，對(duì)試驗(yàn)件剖面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖10（a）所示，將試驗(yàn)件槽底部圓角增大，使底部形成一個(gè)半圓，避免形成力學(xué)上的懸臂梁結(jié)構(gòu)，從而避免因承受爆炸沖擊力而產(chǎn)生斷裂。為了驗(yàn)證其聚能爆炸切割性能，根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)，加工了如圖10（b）的試驗(yàn)件，進(jìn)行多次聚能切割試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖11，均未出現(xiàn)條狀多余物。

圖11 優(yōu)化設(shè)計(jì)后試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

采用本文所用的切割對(duì)象的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)鋁合金7050和2A12的聚能切割性能試驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論：（1）采用7050作為切割彈射通道清理過(guò)程中的切割材料時(shí)，應(yīng)避免懸臂梁結(jié)構(gòu)，從而避免爆炸沖擊作用下，發(fā)生斷裂現(xiàn)象而產(chǎn)生條狀多余物，對(duì)彈射飛行員產(chǎn)生潛在危害。（2）如果2A12能滿足飛機(jī)座艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，可選用2A12作為切割彈射通道清理過(guò)程中的切割材料。

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Study on Explosive Cutting Performance of Aluminium Alloy

GUAN Huan-wen1，SONG Wen-juan1，WANG Wei1，HE Ai-feng2，CHEN Jian-hua2

（1.Aboratory of Environment Control and Life Support System, The First Aircraft Design Institute of AVIC, Xi’an, 710089；2. Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory, Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an,710061）

In order to ensure safety of the crew,and select the material and the structure of cutting object properly，a cabin top structure made in aluminium alloy 7050 was selected, to carry the principle experiment on the system of the clearance of ejection path using explosive cutting. It was found that the debris were formed repeatedly in the experiment of aluminium alloy 7050, while for aluminium alloy 2A12 there was no debris. Through analysis of the mechanical performance of aluminium alloy 7050 and 2A12, and the structure of the specimen, the reason of debris in the process of explosive cutting was acquired due to the cantilever beam structure of aluminium alloy 7050. The designed structure of aluminium alloy 7050 was optimized and verified through the explosive cutting test, which showed that there is no debris for the optimized structure of aluminium alloy 7050.

Explosive cutting; Ejection escape; Ejection path; Cantilever beam; Aluminium alloy

TJ45+9

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.06.005

1003-1480（2019）06-0017-04

2019-11-13

關(guān)煥文（1971-）男，研究員，主要從事航空生命保障技術(shù)研究。