爆炸螺栓沖擊響應(yīng)的主要影響因素研究

王軍評(píng)， 毛勇建， 呂 劍， 黃含軍

(中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

爆炸分離沖擊(也稱爆炸沖擊、煙火沖擊，等)是指航天器為完成級(jí)間分離、星箭分離、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等功能采用的火工裝置動(dòng)作后，由于高頻、高量級(jí)的應(yīng)力波傳播而產(chǎn)生的強(qiáng)作用的瞬態(tài)沖擊載荷[1-2]。這種短時(shí)、高頻、高幅值的沖擊載荷對(duì)航天器結(jié)構(gòu)特別是電子系統(tǒng)、光學(xué)元器件、脆性材料具有較強(qiáng)的破壞損傷效應(yīng)[3-4]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致任務(wù)失敗等災(zāi)難性事故。因此，為了深入認(rèn)識(shí)該問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外在爆炸分離沖擊載荷作用機(jī)理及傳遞規(guī)律、響應(yīng)預(yù)示與數(shù)值分析[5-12]、模擬試驗(yàn)技術(shù)[13]等方面開(kāi)展大量的工作。

爆炸螺栓由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于安裝等優(yōu)點(diǎn)在航天工程中廣泛應(yīng)用。其動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的沖擊載荷由含能材料爆炸、螺栓斷裂使預(yù)緊力釋放以及螺栓頭撞擊結(jié)構(gòu)特定部位形成應(yīng)力波及諧振效應(yīng)三部分組成。這三種載荷作用機(jī)理及力學(xué)效應(yīng)在相關(guān)文獻(xiàn)中已有介紹。如，王軍評(píng)等通過(guò)分別建立三種獨(dú)立的解耦數(shù)值模型，對(duì)三種載荷的作用機(jī)理進(jìn)行了初步的探索；黃含軍等[14]通過(guò)試驗(yàn)研究了兩種預(yù)緊力的單因素變化對(duì)響應(yīng)的影響；張建華從定性的角度指出應(yīng)變能的突然釋放增加了爆炸沖擊環(huán)境的烈度。上述工作分別從獨(dú)立的、單一的、定性的角度研究了爆炸分離沖擊載荷及其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，而爆炸螺栓在實(shí)際動(dòng)作的物理過(guò)程中[15]，特別是含能材料的爆炸和預(yù)緊力釋放幾乎發(fā)生在同一時(shí)段內(nèi)，二者之間必然會(huì)相互影響、相互耦合。但遺憾的是，至今仍缺乏對(duì)爆炸解鎖的全過(guò)程、多因素耦合數(shù)值分析技術(shù)的研究以及耦合效應(yīng)下各主要因素(如藥量、預(yù)緊力、撞擊部位材料)的變化對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響的系統(tǒng)分析。

爆炸螺栓動(dòng)作時(shí)，其物理過(guò)程在時(shí)序上可以劃分為兩階段:第一階段為含能材料的爆炸使螺栓解鎖，本階段形成的載荷包含兩部分，一部分為炸藥爆炸使化學(xué)能釋放形成沖擊載荷，另一部分為螺栓斷裂，使預(yù)緊力產(chǎn)生的應(yīng)變能釋放，這兩部分所形成的載荷在實(shí)際的物理過(guò)程中幾乎是同步發(fā)生的，二者相互影響、相互耦合；第二階段為螺柱以一定的速度撞擊結(jié)構(gòu)的特定部位。本文針對(duì)上述問(wèn)題，以典型爆炸螺栓連接結(jié)構(gòu)為對(duì)象，分別建立預(yù)緊狀態(tài)下爆炸螺栓爆炸解鎖過(guò)程及撞擊過(guò)程的數(shù)值模型，分析了耦合效應(yīng)下炸藥量、預(yù)緊力、撞擊部位材料等的變化對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響?？蔀榈孛婺M試驗(yàn)設(shè)計(jì)、結(jié)果評(píng)估、預(yù)示方法的選擇及爆炸沖擊防護(hù)裝置與緩沖設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值計(jì)算模型與方法

1.1 預(yù)緊狀態(tài)下螺栓爆炸解鎖過(guò)程的數(shù)值模型及計(jì)算方法

在數(shù)值計(jì)算時(shí)，針對(duì)爆炸螺栓連接結(jié)構(gòu)，在LS-DYNA中，通過(guò)動(dòng)力松弛直接給螺栓加載預(yù)緊力，并采用重啟動(dòng)技術(shù)，建立了預(yù)緊狀態(tài)下爆炸螺栓爆炸解鎖過(guò)程的耦合數(shù)值模擬模型。

1.1.1 爆炸螺栓連接結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型

計(jì)算模型參考文獻(xiàn)[5]的外形結(jié)構(gòu)，由六只爆炸螺栓連接的錐殼上、下件。單位采用g-cm-μs(克-厘米-微秒)。根據(jù)對(duì)稱性，建立1/12模型，并施加對(duì)稱邊界如圖1所示。其中，炸藥和周圍空氣采用ALE網(wǎng)格建模，炸藥用LS-DYNA中的High Explosive Burn模型描述，其爆轟產(chǎn)物的壓力用JWL狀態(tài)方程描述，具體參數(shù)見(jiàn)表1。空氣用多項(xiàng)式狀態(tài)方程描述，參數(shù)見(jiàn)表2。爆炸螺栓與錐殼采用Largrange網(wǎng)格建模，錐殼及爆炸螺栓用線彈性本構(gòu)描述，錐殼為鋁質(zhì)材料，彈性模量為70 GPa，密度為2.7 g/cm3，爆炸螺栓材料為鋼，彈性模量為200 GPa，密度為7.83 g/cm3，剪切銷用隨動(dòng)塑性Cowper-Symonds本構(gòu)描述，材料為銅，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

圖1 有限元模型

表1 炸藥材料參數(shù)

表2 空氣材料參數(shù)

表3 銅的參數(shù)

1.1.2 預(yù)緊力的施加方法

要模擬預(yù)緊狀態(tài)下爆炸螺栓連接結(jié)構(gòu)的爆炸解鎖過(guò)程，首先需要對(duì)爆炸螺栓加載預(yù)緊力。螺栓預(yù)緊狀態(tài)下，螺柱受拉，被連接件的接觸面受壓，螺柱危險(xiǎn)截面的所受的拉應(yīng)力最大。螺柱所施加的預(yù)緊力F=M/0.2D，其中M為擰緊力矩，D為螺柱的直徑。

定義螺柱危險(xiǎn)段的中間位置為加載面(見(jiàn)圖2)，通過(guò)預(yù)緊力和危險(xiǎn)截面面積得到的截面預(yù)應(yīng)力定義具有時(shí)間歷程的加載曲線，然后通過(guò)動(dòng)力松弛使應(yīng)力重新分配，即可完成對(duì)螺栓預(yù)緊力的直接加載。以80 N·m擰緊力矩為例，計(jì)算得到的應(yīng)力分布如圖3所示。從圖3可知，銷釘及其周邊位置的應(yīng)力最大，螺柱的危險(xiǎn)區(qū)域次之；從軸向應(yīng)力分布可知，螺栓受拉，被連接件、螺母及外套與被連接件接觸的位置受壓；應(yīng)力分布符合實(shí)際情況，危險(xiǎn)截面段的應(yīng)力值與理論值吻合較好。

1.1.3 預(yù)緊狀態(tài)下爆炸螺栓爆炸解鎖過(guò)程數(shù)值模擬方法

按照前文預(yù)緊力加載方法計(jì)算，至550 μs(即預(yù)緊加載后應(yīng)力重新分配及平衡基本完成時(shí)，已達(dá)到收斂)停機(jī)，然后采用重啟動(dòng)技術(shù)，重新定義炸藥的材料及起爆點(diǎn)的位置和時(shí)刻，并對(duì)爆炸螺栓及錐殼的上、下件進(jìn)行應(yīng)力初始化，繼續(xù)計(jì)算至1.55 ms，完成預(yù)緊狀態(tài)下爆炸解鎖全物理過(guò)程的數(shù)值模擬。

為對(duì)比分析藥量變化對(duì)爆炸分離沖擊響應(yīng)的影響，建立了與標(biāo)準(zhǔn)藥量相比，比例為0.75、1.00、1.25、1.50、1.75五種藥量的數(shù)值模型，圖4給出了0.75及1.00倍的藥量的數(shù)值模型，通過(guò)上述方法分別對(duì)80 N·m下五種藥量的螺栓解鎖過(guò)程進(jìn)行計(jì)算。

(a) Mises應(yīng)力云圖(b) 軸向(X向)應(yīng)力云圖圖2 預(yù)緊力加載截面Fig.2 Preload loading section圖3 螺栓預(yù)緊的應(yīng)力云圖Fig.3 The stress distribution in preloaded bolt

(a) 0.75倍

(b) 1.00倍

為分析預(yù)緊力變化對(duì)爆炸分離沖擊響應(yīng)的影響，以標(biāo)準(zhǔn)藥量的模型為對(duì)象，分別對(duì)20 N·m、40 N·m、60 N·m、80 N·m、100 N·m、120 N·m、140 N·m的工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

1.2 不同的緩沖材料撞擊模型

在爆炸螺栓動(dòng)作的第二階段。即，螺柱以一定的速度撞擊結(jié)構(gòu)的特定部位。撞擊部位的結(jié)構(gòu)形式和材料的性能是影響結(jié)構(gòu)響應(yīng)的關(guān)鍵因素，本研究主要分析撞擊部位不同的材料對(duì)沖擊響應(yīng)的影響。在上文模型的基礎(chǔ)上，僅建立錐殼上件、螺柱和螺母，模擬螺柱與特定部位撞擊(簡(jiǎn)化為擋板)的過(guò)程。擋板分別采用鋁材(2Al2)、RB-55真空橡膠、FM-32海綿橡膠、泡沫鋁。其中，鋁采用隨動(dòng)本構(gòu)描述；真空橡膠用不可壓縮Ogden模型描述，F(xiàn)M-32橡膠為用可壓縮Ogden模型描述，材料參數(shù)見(jiàn)表4[16]；泡沫鋁用可壓縮性泡沫材料模型[17]，主要參數(shù)見(jiàn)表5[18]。

表4 兩種橡膠材料的Ogden本構(gòu)模型參數(shù)

表5 泡沫鋁的參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 藥量變化

圖5給出了五種不同比例藥量的結(jié)構(gòu)在分離裝置動(dòng)作后，同一時(shí)刻(起爆后121 μs)的螺栓的位置。由圖5可知：在t=121 μs時(shí)藥量比例為0.75的爆炸螺栓其剪切銷在高壓氣體的作用下剛被剪斷，已基本完成解鎖；而藥量為1.00的結(jié)構(gòu)，其銷釘早已斷裂，螺柱與螺母的相對(duì)行程明顯比藥量為0.75的大；可見(jiàn)隨著藥量的增大，螺栓的解鎖時(shí)間減小，螺柱和螺母的相對(duì)行程增大，分離裝置內(nèi)的應(yīng)力增高。1.25倍、1.50倍及1.75倍藥量下螺栓的行程及應(yīng)力云圖表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。

(a) 0.75倍

(b) 1.00倍

圖6(a)給出了藥室中心五種不同比例藥量壓力峰值的對(duì)比，在炸藥的中心位置，對(duì)比不同藥量的壓力峰值，可知隨著藥量的增大，壓力峰值增大；圖6(b)給出了五種不同比例藥量在藥室的邊緣(距炸藥中心0.44 cm)壓力曲線，其壓力峰值也隨藥量的增大而增大，結(jié)合圖5可知，解鎖時(shí)間與壓力幅值緊密相關(guān)，幅值越大解鎖時(shí)間越短。

圖7給出了標(biāo)準(zhǔn)藥量(比例為1)連接結(jié)構(gòu)距沖擊源分別4.5 cm、16.0 cm、123.0 cm的三個(gè)典型位置(按NASA-STD-7003可認(rèn)為三個(gè)點(diǎn)分別位于近場(chǎng)、中場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng))的軸向加速度時(shí)域響應(yīng)曲線。由圖7可見(jiàn)，在爆炸分離沖擊載荷的激勵(lì)下，近場(chǎng)區(qū)域的幅值高達(dá)12 000 g，高頻達(dá)200 kHz左右，中場(chǎng)區(qū)域的幅值約為1 800 g，頻率達(dá)25 kHz，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域的幅值約為400 g，大多數(shù)頻率成分小于10 kHz。對(duì)比近、中、遠(yuǎn)場(chǎng)，可發(fā)現(xiàn)幅值和頻率衰減很快，這是由于爆炸和應(yīng)變能釋放主要表現(xiàn)為應(yīng)力波傳播效應(yīng)，因此隨距離的增加幅值和頻率衰減劇烈。

(a) 炸藥中心

(b) 藥室邊緣

Fig.6 Comparison of the pressure at explosive center, chamber edge of five different weights of explosives

(a) 距沖擊源4.5 cm

(b) 距沖擊源16.0 cm

(c) 距沖擊源123.0 cm

圖8給出不同藥量下三個(gè)典型位置的沖擊響應(yīng)譜。由圖8可知，近場(chǎng)區(qū)域(見(jiàn)圖8(a))在100 kHz以上有很高的譜分量，頻域峰值加速度高達(dá)104g，響應(yīng)具有明顯的高頻特性；中場(chǎng)區(qū)域(見(jiàn)圖8(b))在20 kHz以上有較高的譜分量，幅值較大，50 kHz開(kāi)始迅速衰減；遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域(見(jiàn)圖8(c))譜分量大多數(shù)分布在小于等于20 kHz區(qū)域，頻域峰值與中場(chǎng)比明顯減小。對(duì)比藥量比例為1.00頻譜峰值，其幅值從距沖擊源4.5 cm(近場(chǎng))的33 818g，至距沖擊源16 cm(中場(chǎng))衰減為4 450g，到距沖擊源123 cm(遠(yuǎn)場(chǎng))的1 101g，對(duì)應(yīng)的頻率從200 kHz衰減至約10 kHz?？梢?jiàn)，在頻域上峰值及頻率表現(xiàn)出較強(qiáng)的隨到?jīng)_擊源增加而迅速衰減的規(guī)律，與時(shí)域相同。不同藥量下，同一位置的響應(yīng)在頻域下，其整體趨勢(shì)和波形基本一致，在較寬頻段內(nèi)(近場(chǎng)：103～106Hz，中、遠(yuǎn)場(chǎng)：102～104Hz)，其幅值隨藥量的增加而增大，但并不成比例遞增。

圖9給出了不同藥量的結(jié)構(gòu)時(shí)域加速度響應(yīng)峰-峰值(見(jiàn)圖9(a))及頻域加速度峰值(見(jiàn)圖9(b))隨距離的傳遞趨勢(shì)。由圖9可知，不同藥量的結(jié)構(gòu)，時(shí)域和頻域加速度峰值隨距離的傳遞規(guī)律具有一致性，在靠近沖擊源20 cm以內(nèi)，加速度響應(yīng)衰減非常劇烈；但從20 cm至錐殼小端的較長(zhǎng)距離內(nèi)，加速度峰值衰減緩慢。此外，圖9還清楚地顯示了加速度響應(yīng)衰減的另一個(gè)特點(diǎn)：在距離40～60 cm，響應(yīng)衰減曲線出現(xiàn)一個(gè)峰值，明顯高于前后觀測(cè)點(diǎn)，隨距離的增加，峰值呈現(xiàn)非單調(diào)遞減的情況。分析認(rèn)為，這是由結(jié)構(gòu)特性造成的。在此范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)剛度較強(qiáng)，造成了較大的加速度響應(yīng)(在類似試驗(yàn)中也存在此種現(xiàn)象)。因此可以認(rèn)為，本文的結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸分離沖擊響應(yīng)的衰減呈現(xiàn)非單調(diào)的特性。

(a) 距沖擊源4.5 cm

(a) 時(shí)域

(b) 頻域

這是由于爆炸分離沖擊是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，產(chǎn)生的載荷也非常復(fù)雜。在此載荷作用下，結(jié)構(gòu)響應(yīng)在不同階段和不同區(qū)域表現(xiàn)為不同的物理機(jī)制。在近場(chǎng)區(qū)域(根據(jù)NASA-STD-7003，對(duì)強(qiáng)沖擊源，d≤15 cm的區(qū)域?yàn)榻鼒?chǎng)，60 cm≥d15 cm為中場(chǎng))，主要受到應(yīng)力波傳播控制，響應(yīng)具有明顯的高頻特性，隨時(shí)間和與沖擊源距離的增加衰減非常劇烈，在宏觀距離上看，即使是距離相同的測(cè)點(diǎn)，受具體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和距離的細(xì)微差異影響，其加速度峰值的分散性也比較明顯。在中場(chǎng)區(qū)域，受應(yīng)力波傳播和結(jié)構(gòu)諧振雙重控制，響應(yīng)呈現(xiàn)寬頻帶特點(diǎn)。隨著距離的增加，應(yīng)力波效應(yīng)逐漸減少，因此響應(yīng)幅值和頻率都呈下降趨勢(shì)，最終表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)諧振效應(yīng)。但在中場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，具體位置的響應(yīng)頻率和幅值受與沖擊源距離以及局部結(jié)構(gòu)特性的影響明顯，因此傳遞規(guī)律不在是簡(jiǎn)單的單調(diào)函數(shù)，而可能因結(jié)構(gòu)特性的不同在某距離范圍內(nèi)呈現(xiàn)峰值。

圖10給出了結(jié)構(gòu)響應(yīng)峰-峰值的比值(與藥量為0.75的響應(yīng)峰值相比)隨藥量變化的趨勢(shì)。由圖10可知，對(duì)于同一位置，響應(yīng)峰值的比值隨藥量的增大而增大，但增大的程度與到?jīng)_擊源的距離有關(guān)，主要表現(xiàn)為隨距離的增加其比值基本呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)變緩和梯度變小的現(xiàn)象。說(shuō)明結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)藥量變化的敏感程度與距沖擊源的距離相關(guān);近場(chǎng)的響應(yīng)對(duì)藥量的變化最敏感，遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響最小。

圖10 結(jié)構(gòu)響應(yīng)峰-峰值的比值隨藥量的變化

2.2 預(yù)緊力變化

圖11(a)給出了典型位置加速度峰-峰值隨預(yù)緊力變化的趨勢(shì)，圖11(b)給出了典型位置結(jié)構(gòu)響應(yīng)峰-峰值的比值(相對(duì)于預(yù)緊力為80 N·m的峰-峰值)隨預(yù)緊力比值(相對(duì)于80 N·m)的變化情況。由圖11(a)可知，隨著預(yù)緊力的增加，近場(chǎng)、中場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)的響應(yīng)峰值的遞增程度各有區(qū)別，中、遠(yuǎn)場(chǎng)的呈現(xiàn)線性遞增的趨勢(shì)；而在近場(chǎng)，預(yù)緊力較小時(shí)(20 N·m和40 N·m)，越靠近沖擊源由于爆炸載荷的影響占據(jù)主導(dǎo)性，預(yù)緊力在此范圍內(nèi)變化，對(duì)響應(yīng)峰值的影響較小，但隨著預(yù)緊力的逐漸增大，加速度響應(yīng)峰-峰值也呈現(xiàn)出線性遞增的趨勢(shì)。

(a)

(b)

從整體趨勢(shì)上看(見(jiàn)圖11(b))，各特征位置加速度峰值比隨預(yù)緊力基本呈現(xiàn)出單調(diào)遞增的特點(diǎn)，隨到?jīng)_擊源距離的增加，其遞增的梯度增大，近場(chǎng)的梯度最小，遠(yuǎn)場(chǎng)最大，從增量來(lái)說(shuō)遠(yuǎn)場(chǎng)的響應(yīng)對(duì)預(yù)緊力更敏感，但由于遠(yuǎn)場(chǎng)的加速度幅值基數(shù)較小，所以即使增長(zhǎng)比例大，其增加后的峰值相對(duì)近場(chǎng)還是小量。

2.3 耦合效應(yīng)下藥量和預(yù)緊力變化對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響的對(duì)比分析

為了對(duì)比分析耦合效應(yīng)下藥量和預(yù)緊力變化對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，圖12給出了三個(gè)典型位置的響應(yīng)峰-峰值比(相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)藥量、預(yù)緊力為80 N·m的加速度響應(yīng)),在80 N·m下隨藥量和標(biāo)準(zhǔn)藥量下隨預(yù)緊力變化的對(duì)比。從圖12可知，橫坐標(biāo)為力矩(相對(duì)于80 N·m)或藥量(相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)藥量)的比值，左縱坐標(biāo)為結(jié)構(gòu)在同一預(yù)緊力(80 N·m)下,不同藥量模型的加速度峰-峰值與標(biāo)準(zhǔn)藥量的加速度峰-峰值之比;右縱坐標(biāo)為同一藥量(標(biāo)準(zhǔn)藥量)下,結(jié)構(gòu)在各預(yù)緊力的加速度峰-峰值與80 N·m的響應(yīng)峰-峰值之比。

(a) 距沖擊源4.5 cm

(b) 距沖擊源16.0 cm

(c) 距沖擊源123.0 cm

圖12 結(jié)構(gòu)響應(yīng)峰值比隨藥量和預(yù)緊力變化的對(duì)比

Fig.12 Acceleration peak-peak ratios varying with weights of explosives and pretension force

在近場(chǎng)區(qū)域(見(jiàn)圖12(a))，加速度峰值比隨藥量比的變化呈現(xiàn)非線性遞增的趨勢(shì)，隨預(yù)緊力比值基本呈線性遞增；藥量與預(yù)緊力同比值變化時(shí)，加速度峰值比的增量受藥量的影響大，峰值比最大差別達(dá)到了0.55，這說(shuō)明藥量的變化對(duì)近場(chǎng)的加速度響應(yīng)具有主導(dǎo)作用。

在中場(chǎng)區(qū)域(見(jiàn)圖12(b))，加速度峰值比隨藥量比也呈現(xiàn)非線性遞增的趨勢(shì)，但其整體的增長(zhǎng)梯度相比近場(chǎng)在減緩，峰值比隨預(yù)緊力比值也呈線性變化但相對(duì)于近場(chǎng)其斜率在增大。藥量與預(yù)緊力同比值變化時(shí)，加速度峰值比的增量在藥量和預(yù)緊力的比值在0.75～1.75變化時(shí)由藥量主導(dǎo)，在比值為1.75時(shí)，峰值比出現(xiàn)了交叉，這說(shuō)明在中場(chǎng)區(qū)域的結(jié)構(gòu)響應(yīng)受藥量和預(yù)緊力的雙重控制，在藥量和預(yù)緊力變化較小時(shí)，受藥量主導(dǎo)，變化較大時(shí)，由預(yù)緊力主導(dǎo)。

遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域(見(jiàn)圖12(c))，峰值比隨藥量比和預(yù)緊力比的變化趨勢(shì)與近、中場(chǎng)相似，呈現(xiàn)非線性和線性遞增的規(guī)律，但峰值比隨藥量比的增長(zhǎng)梯度是三個(gè)區(qū)域中最小的，而隨預(yù)緊力比變化的斜率是三區(qū)域中最大的。由圖12(c)可知，藥量與預(yù)緊力同比值變化時(shí)，除了比值為0.75時(shí)，其余位置的峰值比受預(yù)緊力影響大，這說(shuō)明預(yù)緊力的變化對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域的加速度響應(yīng)具有主導(dǎo)作用。

2.4 撞擊部位材料的變化對(duì)沖擊響應(yīng)的影響分析

圖13給出了螺柱撞擊作用下，撞擊部位為不同材料時(shí)(2Al2、真空橡膠、海綿橡膠和泡沫鋁)，撞擊位置的變形曲線。由圖13可知，擋板材料為鋁(2Al2)時(shí)，其變形最小，基本在彈性范圍內(nèi)變化；真空橡膠擋板在撞擊后，產(chǎn)生較大的彈性變形，隨后回彈并恒定，其塑性變形為0.09 cm；海綿橡膠擋板在達(dá)到最大變形，回彈后塑性變形量為0.46 cm；泡沫鋁在達(dá)到最大變形后，無(wú)回彈現(xiàn)象，塑性變形為1.27 cm。

圖13 撞擊部位的變形

圖14給出了不同材料的總能量曲線。由圖14可知，在沖擊載荷作用下，除泡沫鋁外，其它三種材料的總能量在達(dá)到最大值后都有一定的回彈，經(jīng)過(guò)震蕩后基本穩(wěn)定于恒值，這是由于其變形量中彈性成分較大，初期動(dòng)能在總能量中占比較高，隨著時(shí)間的推移，動(dòng)能慢慢的衰減耗散；而泡沫鋁由于屈服強(qiáng)度較小，在沖擊載荷的作用下，泡沫材料被迅速壓實(shí)，其能量基本全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，表現(xiàn)出較好的吸能效果，結(jié)合圖13可知，四種不同的材料的擋板，泡沫鋁的吸能性能最好，海綿橡膠要略優(yōu)于真空橡膠，2Al2最差。

圖14 不同材料擋板的總能量

圖15給出了在螺柱撞擊作用下，撞擊部位為不同材料時(shí)，近場(chǎng)區(qū)域特征點(diǎn)的加速度峰-峰值對(duì)比圖。由圖15可知，擋板材料為2Al2時(shí)，觀測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)最大，其峰峰值為6 961.7g；材料為真空橡膠時(shí)，響應(yīng)其次，峰峰值為382.9g，再次為泡沫橡膠，峰峰值為324.1g；泡沫鋁，加速度響應(yīng)最小，峰峰值為142.8。真空橡膠、海綿橡膠和泡沫鋁材料，同一位置加速度響應(yīng)相對(duì)于鋁減小一個(gè)量級(jí)，非常顯著。這三種材料相對(duì)于鋁都具有較好的吸能特性，但略有差異。具體表現(xiàn)為泡沫鋁最優(yōu)，說(shuō)明泡沫鋁能極大的阻礙沖擊載荷在結(jié)構(gòu)中的傳播；海綿橡膠要略好于真空橡膠，這與擋板的塑性變形和總能量的趨勢(shì)一致。從加速度響應(yīng)量級(jí)上看，除鋁外，其余三種材料的吸能效果基本在一個(gè)量級(jí)，差異較小，在實(shí)際的試驗(yàn)中，可以考慮選用真空和海綿橡膠的組合方式來(lái)替代泡沫鋁,減小試驗(yàn)成本。

圖15 加速度峰值的對(duì)比

3 結(jié) 論

本研究以爆炸螺栓連接結(jié)構(gòu)為對(duì)象，從火工裝置工作的實(shí)際物理過(guò)程出發(fā)，把爆炸螺栓動(dòng)作過(guò)程在時(shí)序上劃分為爆炸解鎖和撞擊兩階段，分別建立了預(yù)緊狀態(tài)下爆炸螺栓爆炸解鎖過(guò)程和撞擊過(guò)程的數(shù)值模型，綜合數(shù)值模擬結(jié)果，爆炸分離沖擊載荷各主要因素對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響表現(xiàn)為：

(1) 在爆炸解鎖階段。從數(shù)值分析的結(jié)果可知，近場(chǎng)區(qū)域，沖擊響應(yīng)隨藥量呈非線性遞增的趨勢(shì)，隨預(yù)緊力呈線性遞增，藥量和預(yù)緊力同比值變化時(shí)，加速度峰值比的增量受藥量的影響大；峰值比最大差別達(dá)到了0.55，說(shuō)明藥量的變化對(duì)近場(chǎng)的加速度響應(yīng)具有主導(dǎo)作用。在中場(chǎng)區(qū)域，響應(yīng)峰值隨藥量也呈現(xiàn)非線性遞增的趨勢(shì)，但其整體的遞增梯度相比近場(chǎng)減緩；隨預(yù)緊力也呈線性變化但相對(duì)于近場(chǎng)其斜率增大；在藥量和預(yù)緊力變化小于1.75，響應(yīng)受藥量主導(dǎo)，變化大于1.75時(shí)，由預(yù)緊力主導(dǎo)。遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域，響應(yīng)隨藥量和預(yù)緊力的變化與近、中場(chǎng)相似，呈現(xiàn)非線性和線性遞增的規(guī)律；但其峰值隨藥量的增長(zhǎng)梯度是三個(gè)區(qū)域中最小的，而隨預(yù)緊力變化的斜率是三個(gè)區(qū)域中最大的；預(yù)緊力的變化對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域的響應(yīng)具主導(dǎo)地位。

(2) 在螺柱撞擊階段。對(duì)于撞擊部位材料的變化，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)響應(yīng)與撞擊部位的材料特性緊密相關(guān)，具有較小屈服強(qiáng)度和較大塑性變形能力的材料，吸能效果較好，撞擊激發(fā)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)較小。

本文從定量的角度綜合分析了耦合效應(yīng)下三種因素對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，從結(jié)果和預(yù)示方法兩個(gè)層面，為爆炸分離沖擊載荷的作用機(jī)理和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的傳遞規(guī)律的理解,提供了有益的參考。