柔性導(dǎo)爆索切割過程仿真及試驗研究

戈慶明，渠弘毅，王寅虎，劉榮強，王巨民

（1.北京航天長征飛行器研究所，北京，100076；2.北京理工大學(xué)，北京，100081）

0 引 言

分離技術(shù)[1]作為航空航天技術(shù)中一項必不可少的關(guān)鍵技術(shù)，越來越受到重視。其中，火工線性分離技術(shù)以其火工元件少、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、快速性好、同步性俱佳等優(yōu)點在分離技術(shù)中占有主導(dǎo)地位。目前，國內(nèi)外對火工分離技術(shù)進行了深入細(xì)致的研究[2～4]，對分離過程開展了深入的了解，使火工分離技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。

從力學(xué)角度[5]看，對一個完整的爆炸分離過程，從下至上了解結(jié)構(gòu)單元以及材料在強動載荷下的快速分離過程（動態(tài)斷裂）對把握爆炸分離機理，設(shè)計效率好、可靠性高的爆炸分離裝置有著重要的指導(dǎo)性作用。

通過了解分離靶板和保護罩的受力情況以及材料的變形及破壞特性，進而掌握實現(xiàn)有效分離且不導(dǎo)致保護罩破裂的關(guān)鍵力學(xué)及材料學(xué)控制因素，為分離結(jié)構(gòu)裝置設(shè)計和材料選取提供參考性意見。

1 柔性導(dǎo)爆索分離原理

柔性導(dǎo)爆索（Mild Detonating Fuse，MDF）爆炸分離裝置加工相對容易、裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高，適用于分離面較薄的結(jié)構(gòu)，是目前中國廣泛應(yīng)用的一種火工分離裝置，其結(jié)構(gòu)的平面示意如圖1所示。

圖1 柔性導(dǎo)爆索爆炸分離裝置結(jié)構(gòu)的平面示意Fig.1 Schematic Diagram of the Structure of Mild Detonating Fuse Explosive Separation Device

柔性導(dǎo)爆索屬于線式分離裝置，一般沿分離面安裝于箭體（彈體）內(nèi)壁上，通過防護蓋板對其安裝定位。防護蓋板一方面起到阻擋爆炸產(chǎn)物進入箭體（彈體）內(nèi)部、保護內(nèi)部有效載荷不受損壞的作用，另一方面可在短時間內(nèi)維持高溫高壓環(huán)境，有利于導(dǎo)爆索對外做功實現(xiàn)切割分離。

柔性導(dǎo)爆索爆炸分離裝置實現(xiàn)分離的原理是：導(dǎo)爆索爆炸產(chǎn)生爆轟波，爆轟波傳入分離板后，在分離板中產(chǎn)生歷時短、應(yīng)變率高、強度高的沖擊脈沖載荷，從而在預(yù)制削弱槽處產(chǎn)生集中應(yīng)力，在高溫高壓爆轟產(chǎn)物和沖擊波的綜合作用下，使其沿預(yù)制削弱槽斷開，從而實現(xiàn)分離。同時，值得注意的是，在柔性導(dǎo)爆索爆炸分離裝置中，保護罩也受到導(dǎo)爆索產(chǎn)生的爆轟波作用，在實現(xiàn)分離時，必須保證保護罩不被破壞。

柔性導(dǎo)爆索爆炸分離的物理過程是結(jié)構(gòu)及材料在爆轟波作用下的一個復(fù)雜的高度非線性的瞬態(tài)動力學(xué)響應(yīng)過程，它涉及應(yīng)力波的傳播和相互作用以及應(yīng)變率相關(guān)的動態(tài)本構(gòu)行為和失效準(zhǔn)則的研究。

本文采用數(shù)值仿真分析和試驗研究柔性導(dǎo)爆索爆炸分離過程中結(jié)構(gòu)及材料的破壞機理及其影響因素。

2 柔性導(dǎo)爆索切割仿真分析

2.1 計算模型

導(dǎo)爆索爆炸分離裝置的圓周半徑相對于結(jié)構(gòu)剖面尺寸來說很大，因此可以近似把問題轉(zhuǎn)換為平面應(yīng)變問題，采用二維模型進行計算。保護罩材料為鍛鋁6061T6 材料，分離板材料為ZL114A 材料。炸藥采用JWL 狀態(tài)方程的高能炸藥模型。

材料本構(gòu)模型參數(shù)見表1。導(dǎo)爆索切割平板的典型結(jié)構(gòu)主要包括導(dǎo)爆索、防護蓋板、平板試驗件、連接螺栓和夾持裝置等。本文應(yīng)用AUTORYN 軟件[6]，建立典型導(dǎo)爆索切割平板試驗件的二維模型，采用流固耦合算法，裝藥和空氣域為Euler 單元，防護蓋板及平板試驗件為Lagrange 單元。在Euler 網(wǎng)格邊界處設(shè)置流出邊界條件，模擬無限大空氣域。在防護蓋板的上側(cè)及平板試驗件的下側(cè)施加固定約束，模擬螺栓連接；在平板試驗件的兩側(cè)施加固定約束，模擬平板試驗件兩端的夾持條件，如圖2 所示。

表1 材料模型參數(shù)Tab.1 Material Model Parameters

圖2 柔性導(dǎo)爆索爆炸分離裝置二維計算模型Fig.2 Schematic Diagram of Two-dimensional Calculation Model of Mild Detonating Fuse Explosive Separation Device

Euler 網(wǎng)格中填充的空氣用理想氣體狀態(tài)方程描述：

式中 γ 為絕熱指數(shù)，對于理想氣體有γ =1.4；ρ 為密度，空氣的初始密度為0.001 225 g/cm3；初始壓力為1 個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；gE 為氣體比內(nèi)能， 取2.068×10-5kJ/cm3。

平板試驗件及防護蓋板在沖擊波及爆轟產(chǎn)物的共同作用下，表現(xiàn)出大變形、高應(yīng)變率和高溫等特征。為準(zhǔn)確描述平板試驗件及防護蓋板在此狀態(tài)下的響應(yīng)規(guī)律，采用Johnson-Cook 模型來描述。Johnson-Cook模型常用于模擬金屬材料從低應(yīng)變率到高應(yīng)變率的動態(tài)行為，該模型采用變量乘積關(guān)系描述了應(yīng)變率、溫度和應(yīng)變的影響，本構(gòu)方程如下：

式中 σνp為Von Mises 流動應(yīng)力； ενp為黏塑性應(yīng)變；A 為屈服強度；B 為材料塑性硬化系數(shù)；C 為黏塑性硬化指數(shù)；n 為應(yīng)變率敏感指數(shù)；為真實黏塑性應(yīng)變率；為參考應(yīng)變率；m 為溫度軟化指數(shù)； T*為無量綱溫度，計算公式為

式中mT 為材料的熔點溫度；rT 為參考溫度，一般取試驗時的室溫；T 為試驗溫度。

JWL 狀態(tài)方程是典型的動力學(xué)狀態(tài)方程，是一種不含化學(xué)反應(yīng)、由試驗方法確定的經(jīng)驗狀態(tài)方程，能夠比較精確地描述爆轟產(chǎn)物的膨脹驅(qū)動做功過程。炸藥爆轟產(chǎn)物JWL 狀態(tài)方程的標(biāo)準(zhǔn)形式如下：

式中 p 為爆炸產(chǎn)物的壓力；V 為爆炸產(chǎn)物的相對比容，V = v/v0，為無量綱量；v 為爆轟產(chǎn)物的比容，v=1/ρ；v0為爆炸前炸藥的初始比容；E 為比內(nèi)能；R1，R2，ω為常數(shù)。

炸藥的JWL 狀態(tài)方程參數(shù)一般采用標(biāo)準(zhǔn)圓筒試驗的方法進行標(biāo)定，導(dǎo)爆索采用散裝RDX，難以實現(xiàn)大尺寸裝藥結(jié)構(gòu)，無法采用圓筒試驗方法標(biāo)定其JWL 狀態(tài)方程參數(shù)。本文采用Explo-5 軟件，基于BKW 方程及爆轟靜態(tài)模型的化學(xué)平衡，求解反應(yīng)產(chǎn)物之間的熱力學(xué)方程，確定平衡狀態(tài)下的系統(tǒng)組成，從而計算得到爆速、爆壓和爆熱等參數(shù)，并擬合得到爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程參數(shù)：

式中 R 為氣體常數(shù)； xi為第i 種產(chǎn)物在總的爆炸產(chǎn)物中所占的摩爾數(shù)； ki為第i 種爆炸產(chǎn)物的余容因數(shù)；α，β，θ ，k 為經(jīng)驗常數(shù)。

導(dǎo)爆索的線密度約為2.4 g/m，裝藥直徑約為1.4 mm，計算得到其體密度約為1.75 g/cm3，應(yīng)用Explo-5 軟件計算得到其爆轟參數(shù)及爆轟產(chǎn)物JWL 狀態(tài)方程參數(shù)見表2。

表2 RDX 的JWL 狀態(tài)方程參數(shù)Tab.2 JWL Equation of State Parameters for RDX

2.2 計算結(jié)果

導(dǎo)爆索起爆后，其爆炸作用產(chǎn)生的沖擊波及爆轟產(chǎn)物對平板試驗件的破壞損傷形式以及對防護蓋板的作用是關(guān)注的重點，因此，截取從導(dǎo)爆索起爆直至試驗件完全斷裂過程中，不同時刻下平板試驗件的壓力云圖，從而分析導(dǎo)爆索對平板試驗件的切割作用過程，如圖3 所示。

圖3 柔性導(dǎo)爆索爆炸分離裝置爆炸分離過程云圖Fig.3 Cloud Image of Explosive Separation Process of Mild Detonating Fuse Explosive Separation Device

續(xù)圖3

導(dǎo)爆索起爆后，形成沖擊波傳入平板試驗件及防護蓋板中（圖3a、圖3b），沖擊波傳到平板試驗件背面發(fā)生反射，在背面形成拉伸波，并在削弱槽尖端位置產(chǎn)生應(yīng)力集中（圖3c），之后沖擊波在平板試驗件內(nèi)不斷震蕩，平板試驗件逐漸發(fā)生彎曲，在兩側(cè)的止裂槽尖端產(chǎn)生壓縮應(yīng)力集中（圖3d、圖3e），最終沿兩側(cè)的削弱槽發(fā)生斷裂（圖3f、圖3g）。

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗方法

分離板采用雙邊夾持固定，單邊雷管起爆方式，導(dǎo)爆索線密度為2.4～2.5 g/m，護罩安裝導(dǎo)爆索部位半徑為1.7 mm，螺釘連接位置距離分離面為23 mm（同仿真模型），如圖4 所示。

圖4 分離試驗示意Fig.4 Diagram of Separation Test

3.2 試驗結(jié)果

共進行了3 次平板切割試驗，3 次試驗結(jié)果一致性良好，具體試驗結(jié)果如下：

a）柔性導(dǎo)爆索可以將鋁平板試驗件可靠切斷，斷面齊整；

b）分離試驗后，用于防護作用的蓋板保持完好，未發(fā)生損壞，固定蓋板用螺釘未出現(xiàn)拉脫現(xiàn)象；

c）平板試驗件在止裂槽位置處發(fā)生破壞分離，并在中間削弱槽位置處斷裂成兩段。

試驗結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度較好。

4 結(jié) 論

本文就柔性導(dǎo)爆索爆炸分離裝置切割分離板的動力學(xué)過程進行了初步研究，采用數(shù)值模擬的手段分析了爆炸分離裝置在爆炸載荷作用下的破壞過程，從應(yīng)力波傳播和動態(tài)斷裂力學(xué)角度研究了分離板的破壞過程。

a）通過數(shù)值仿真和試驗研究表明，該型柔性導(dǎo)爆索可以將鋁平板試驗件可靠切斷，且防護蓋板完好；

b）柔性導(dǎo)爆索分離裝置中，分離板的破壞包括層裂和拉應(yīng)力破壞2 個階段，且在削弱槽兩邊的止裂槽處發(fā)生損壞；

c）通過數(shù)值仿真表明，柔性導(dǎo)爆索分離裝置整個分離過程的工作時間在幾十微秒量級。

通過柔性導(dǎo)爆索爆炸分離裝置的切割過程仿真及試驗研究，對分離結(jié)構(gòu)的斷裂機理進行了理論分析及試驗研究，對深入研究爆炸分離裝置的分離過程具有一定的借鑒意義。