曹 興,曹紅松,張根生,吳宗婭,趙捍東,劉恒著,王 琪,羅普光
(1. 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山西 太原 030051;2. 山西江陽化工有限公司,山西 太原 030041;3. 北京航天長征飛行器研究所,北京 100076)
聚能破甲戰(zhàn)斗部裝藥采用壓裝法裝藥,該方法將顆粒狀的粉末炸藥倒入模具,在壓機(jī)上通過沖頭加壓成為具有一定形狀、一定強(qiáng)度的藥柱[1]。聚能破甲戰(zhàn)斗部裝藥要求裝藥密度高且均勻,這樣在產(chǎn)生足夠能量的同時形成穩(wěn)定的爆轟波,從而壓垮藥型罩,產(chǎn)生穩(wěn)定的射流。裝藥密度及其均勻性[2-3]影響聚能破甲戰(zhàn)斗部裝藥質(zhì)量、發(fā)射安全以及毀傷威力。采用壓裝法裝藥時,壓制速率、溫度、壓制方式、松裝密度等工藝參數(shù)影響著成型裝藥密度及其均勻性,傳統(tǒng)壓裝法控制成型裝藥質(zhì)量是通過檢測成型藥柱的密度以及回彈量來判斷裝藥質(zhì)量的好壞,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)不斷調(diào)整工藝參數(shù),從而達(dá)到滿足要求的成型裝藥。這種方法費(fèi)時、費(fèi)力,不能直觀地觀察到藥柱內(nèi)部應(yīng)力及相對密度狀態(tài),難以保證成型藥柱質(zhì)量的一致性。
隨著計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展,針對炸藥粉末壓制成型的模擬研究有不少成果,梁華瓊等[4]對以HMX為基的高聚物粘結(jié)炸藥進(jìn)行了壓制實(shí)驗(yàn),用掃描電鏡及激光粒度儀測試表征,揭示了炸藥壓制過程中,炸藥顆粒粒徑變化和顆粒破碎等相關(guān)規(guī)律。張濤等[5]采用更新拉格朗日方法的熱機(jī)-耦合分析法對PBX 粉末溫壓成型過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了炸藥壓制過程的應(yīng)力及相對密度的變化。劉群等[6]建立了模壓條件下炸藥顆粒壓制成型的計算模型,分析了壓制過程中,炸藥顆粒的變形、受力和溫度變化情況。唐紅[7]等采用物質(zhì)點(diǎn)法對PBX 炸藥壓制過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了PBX 炸藥壓制成型過程中的應(yīng)力、溫度變化以及顆粒的變形。
上述研究主要是針對圓柱型裝藥壓制成型過程,目前針對錐形裝藥壓制成型過程的研究相對較少,而且裝藥密度及其均勻性影響著聚能破甲戰(zhàn)斗部裝藥質(zhì)量和毀傷威力。為此,本研究以小口徑聚能裝藥為背景,借助高級非線性有限元仿真軟件MSC.Marc 模擬仿真了錐形JO-9159 炸藥裝藥壓制成型過程,分析了壓制速率、松裝密度等工藝參數(shù)對JO-9159 炸藥裝藥成型質(zhì)量的影響。
聚能裝藥壓制成型是將炸藥粉末視為可壓縮的連續(xù)體,運(yùn)用連續(xù)體塑性力學(xué)模型[8]來分析炸藥壓制過程的變形行為及相關(guān)參數(shù)變化規(guī)律。壓制過程中,粉末材料遵循質(zhì)量不變定律,局部遵循體積不變原則。求解方法采用更新的拉格朗日方法,該方法是各參量參考每一載荷或時間步長開始時的位形,即在分析過程中參考位形是不斷更新的[9]。
炸藥壓制成型過程原理示意圖如圖1 所示。作用過程如下:首先施加壓力給沖頭,使沖頭向下運(yùn)動,之后沖頭便與炸藥接觸,炸藥粉末受到?jīng)_頭的擠壓發(fā)生塑性變形從而達(dá)到致密化,最終形成和沖頭一致形狀的炸藥。
在實(shí)際生產(chǎn)工程中,聚能裝藥壓制開始時,沖頭是埋在炸藥里邊的,如圖2a 所示。以聚能裝藥尺寸直徑為20 mm,裝藥高H 為1.2D,為24 mm,錐角α 為60°為例,進(jìn)行JO-9159 炸藥壓制成型仿真。假定初始炸藥松裝密度為致密體的一半,所以經(jīng)過計算,壓制開始時,JO-9159 炸藥的初始藥高H0為42.2267 mm,沖頭下降高度為初始藥高減去裝藥高,為18.2267 mm。
圖1 聚能裝藥壓制示意圖1—沖頭,2—炸藥粉末,3—陰模,4—下模沖Fig.1 Schematic diagram of shaped charge suppression 1—punch,2—explosive powder,3—female mold,4—lower die punch
圖2 模型幾何尺寸Fig.2 Geometry of the model
由于聚能裝藥壓制成型過程中施加的載荷條件是對稱的,且其幾何模型是軸對稱圖形,故為減少計算量,根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)構(gòu)建了如圖3 所示的炸藥壓制二維軸對稱有限元模型,其軸線為對稱軸。設(shè)置初始單元網(wǎng)格大小為0.2。
圖3 JO-9159 炸藥壓制有限元計算模型1—沖頭,2—JO-9159 炸藥,3—陰模,4—下模沖,5—對稱軸Fig.3 Finite element calculation model for JO-9159 explosive compression1—punch,2—JO-9159 explosive,3—female mold,4—lower die punch,5—symmetrical axis
本次仿真研究JO-9159 炸藥粉末屈服準(zhǔn)則選擇Shima-oyane[10]模型,該模型在模擬粉末壓制成型的應(yīng)用較廣泛,并且該模型被集成到Msc.Marc 商業(yè)軟件中,Shima-oyane 屈服函數(shù)如式(1)[11-12]:
式中,σy為單軸屈服應(yīng)力,Pa;σd表示偏應(yīng)力分量張量,Pa;p 表示靜水壓,Pa;β、γ 為只與相對密度有關(guān)的材料參數(shù),且該參數(shù)需要通過材料試驗(yàn)確定。在實(shí)踐中,一般用如式(2)和式(3)表達(dá):
式(2)和式(4)以及式(3)和式(5)對比分別可得到q1、q2、q3、q4和b1、b2、b3、b4的值,如表1 所示。以下仿真基于此參數(shù)開展。
仿真采用JO-9159 炸藥[14]的材料參數(shù)見表2。壓制過程,炸藥由松散狀態(tài)變?yōu)橹旅軤顟B(tài),其泊松比、彈性模量以及摩擦系數(shù)等均為變值,所以本文泊松比與相對密度關(guān)系如式(6)[15]:
表1 Shima-oyane 參數(shù)Table 1 Shima-oyane parameters
表2 JO-9159 炸藥材料參數(shù)[14]Table 2 Material parameters of JO-9159 explosive[14]
式中,E0表示致密炸藥的彈性模量,Pa。
影響摩擦系數(shù)的因素有很多,如粉末顆粒大小、模具光滑度、溫度等,且摩擦系數(shù)并沒有一個特定的表達(dá)式來表達(dá)它的變化,所以本文初步設(shè)定摩擦系數(shù)的值為0.2。
JO-9159 炸藥粉末壓制成型有三道工序,分別是加載、保壓和卸載過程,所以在模擬壓制成型過程需要設(shè)置加載工況、保壓工況和卸載工況共3 個工況,其中保壓時間設(shè)置為180 s;沖頭運(yùn)動狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)采取控制點(diǎn)控制的方式,將邊界條件添加到控制點(diǎn)上來控制沖頭的運(yùn)動,運(yùn)動方式用表格實(shí)現(xiàn);網(wǎng)格重劃分參數(shù)需要根據(jù)幾何模型的不同,不斷調(diào)節(jié)重劃分網(wǎng)格參數(shù),網(wǎng)格重劃分參數(shù)設(shè)置不合理會導(dǎo)致仿真計算無法進(jìn)行。本次仿真重劃分網(wǎng)格方法選擇前沿法四邊形,網(wǎng)格重劃分參數(shù)選擇單元數(shù),重劃分單元數(shù)量設(shè)置為1100;收斂判據(jù)采取殘余力或位移準(zhǔn)則,并設(shè)置收斂容差為0.1,收斂容差決定計算精度,可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。
根據(jù)實(shí)際裝藥工藝參數(shù)范圍,這里設(shè)定加載時間
JO-9159 炸藥的相對密度變化云圖如圖4 所示。分析圖4 發(fā)現(xiàn),JO-9159 炸藥相對密度分布是不均勻的。 為研究JO-9159 炸藥在壓制成型過程中,JO-9159 炸藥軸線位置處、沖頭與JO-9159 炸藥接觸位置處、陰模與JO-9159 炸藥接觸處以及下模沖與JO-9159 炸藥接觸處相對密度變化情況,故在接觸區(qū)域設(shè)定采樣點(diǎn),圖5 為JO-9159 炸藥不同區(qū)域處采樣點(diǎn)位置示意圖。圖6 為不同區(qū)域采樣點(diǎn)相對密度變化曲線。從圖6a 可以得出,靠近下模沖區(qū)域的相對密度要大于靠近沖頭區(qū)域及中間區(qū)域的相對密度,并且中間區(qū)域相對密度是最小的。分析圖6b發(fā)現(xiàn),沖頭區(qū)域相對密度分布較為均勻,除了沖頭頭部外,其他區(qū)域相對密度值均在0.90以上。觀察圖6c發(fā)現(xiàn),陰模區(qū)相對密度變化波動較大,但其相對密度差值不超過0.04,整體上看,該區(qū)域相對密度在0.92 以上。從圖6d 可以看出,下模沖附近區(qū)整體相對密度為0.95~1。
圖4 JO-9159 炸藥的相對密度變化云圖Fig.4 Cloud map of relative density change of JO-9159 explosive
上述結(jié)果分析表明,相對密度最大是靠近下模沖區(qū)域,其次是靠近陰模區(qū),再之后是沖頭區(qū),最后是軸線區(qū)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是,在JO-9159 炸藥壓制成型過程中,沖頭向下運(yùn)動時,軸心處的炸藥向下運(yùn)動所受的阻力較小,而靠近陰模和下模沖的區(qū)域,炸藥與其發(fā)生摩擦,從而造成向下運(yùn)動時產(chǎn)生較大的阻力,所以軸線處的相對密度較小,靠近陰模及下模沖相對密度較大。
圖6 不同區(qū)域采樣點(diǎn)相對密度變化曲線Fig.6 Relative density change curve of sampling points in different regions
為研究不同軸向位置處,徑向相對密度分布狀況,故設(shè)置采樣點(diǎn),圖7為不同軸向位置采樣點(diǎn)位置示意圖,圖8為不同軸向位置處徑向密度曲線。分析圖8 得知,徑向位置小于1.5 mm 區(qū)域,同一徑向,下模沖及沖頭頭部附近的相對密度總是大于其他區(qū)域;徑向位置大于3.5 mm 區(qū)域,同一徑向,則呈現(xiàn)出下模沖及其他區(qū)域相對密度較大,靠近沖頭區(qū)密度較小。整體上看,陰模區(qū)的相對密度較大,這是由于存在摩擦力的緣故。
圖7 不同軸向位置采樣點(diǎn)位置Fig.7 Location of sampling points at different axial positions
圖8 不同軸向位置相對密度隨徑向位置變化曲線Fig.8 The relative density of different axial positions varies with radial position
以下表述的位移是指位移變化量的絕對值。圖9為JO-9159 炸藥總體位移變化云圖,分析圖9 可以得出:JO-9159 炸藥成型后最大位移為18.14 mm,發(fā)生在與沖頭接觸處,而理論計算JO-9159 炸藥達(dá)到最終成型高度時,其最大位移應(yīng)該為18.2267 mm,這說明了JO-9159 炸藥成型后在卸載過程中發(fā)生了回彈,其回彈量為0.0867 mm。圖10 為JO-9159 炸藥成型后軸向(X 方向)、徑向(Y 方向)位移變化云圖,分析圖10發(fā)現(xiàn),JO-9159 炸藥軸向位移最大達(dá)到17.31 mm,而徑向位移最大為0.3884 mm,由此可見,JO-9159 炸藥壓制成型過程中炸藥流動方向主要是軸向流動。這驗(yàn)證了張濤等[5]學(xué)者的結(jié)論,粉末壓制流動方向?yàn)檩S向流動,證明了Shima-oyane 模型是可以模擬炸藥粉末壓制成型過程的。圖11 為以圖7 采樣點(diǎn)所做的位移變化曲線。從圖10 以及圖11 可以得出:JO-9159 炸藥位移云圖呈現(xiàn)中間下凹的狀態(tài);從圖11 可以得出,靠近下模沖的位置,JO-9159 炸藥發(fā)生的位移較小,其他位置處炸藥發(fā)生的位移較大,對比不同曲線發(fā)現(xiàn),總體上,JO-9159 炸藥呈現(xiàn)中間流動較快,靠近陰模處流動較慢,這是由于陰模存在摩擦力,在壓制過程,JO-9159 炸藥與陰模發(fā)生摩擦,導(dǎo)致JO-9159 炸藥受到摩擦力阻礙其向下運(yùn)動。
圖9 JO-9159 炸藥總體位移變化云圖Fig.9 Cloud map of overall displacement change of JO-9159 explosive
圖10 JO-9159 炸藥不同方向位移變化云圖Fig.10 Cloud map of the displacement changes of JO-9159 explosive in different directions
圖11 不同軸向位置位移隨徑向位置變化曲線Fig.11 The variation curves of displacement at different axial positions with radial position
圖12 JO-9159 炸藥等效應(yīng)力分布云圖Fig.12 Cloud map of equivalent stress distribution of JO-9159 explosive
炸藥壓制過程中,模具的受力狀態(tài)也是需要考慮的一部分,模具的受力影響著壽命及加工成本。圖13為模具在壓制過程受力隨時間變化曲線。從圖13 受力曲線可以看出,在加載過程,模具受力趨勢均是先增大,并且呈指數(shù)迅速上升到最高點(diǎn),陰模受到的力是最大的,其值為1.3×105N,沖頭受力最大達(dá)到8.2×104N,而下模沖受到的力最大僅有2.2×104N;在保壓階段,模具的受力并不是保持最大值不變,而是會減小到一個特定的值,之后保持不變,這與實(shí)際也是相吻合的;在卸載階段,沖頭和下模沖的力瞬間下降,而陰模受到的力是瞬間下降到一個不是零的值,這是因?yàn)檎ㄋ幒完幠_€存在接觸,之后陰模受力有輕微的波動,這可能是沖頭回退時,炸藥和模套發(fā)生相對滑動,從而產(chǎn)生了一部分力,導(dǎo)致受力有波動。模具的受力曲線可以為炸藥壓制選擇模具材料時提供參考,以減小成本,保證安全。
圖13 模具受力隨時間變化曲線Fig.13 The variation curves of the force of the mold with time
裝藥質(zhì)量的評價是用相對密度及回彈量等來衡量的,所以此次仿真主要是研究壓制速率、初始相對密度以及摩擦系數(shù)這三種工藝參數(shù)對空心JO-9159 炸藥裝藥的相對密度和回彈量的影響。根據(jù)實(shí)際壓裝藥工藝參 數(shù) 取 值 范 圍,壓 制 速 率 選 取0.5,1,1.5,2,2.5,3 mm·s-1共計6 組試驗(yàn);初始相對密度選取0.5,0.6,0.7,0.8 共計4 組試驗(yàn);摩擦系數(shù)選取0.1,0.15,0.2,0.25 共 計4 組。
本小節(jié)研究保證初始相對密度及摩擦系數(shù)參數(shù)不變,研究不同壓制速率對空心成型JO-9159 炸藥裝藥質(zhì)量的影響。
4.1.1 壓制速率對成型裝藥相對密度的影響
圖14 為相對密度及相對密度差值隨壓制速率變化曲線。相對密度差為最大相對密度減去最小相對密度的絕對值。分析圖14 并對比可以得出,壓制速率為0.5 mm·s-1時,最小相對密度達(dá)到最大,其值在0.6 以上,密度差值達(dá)到最小,其值為0.36,由此可見,較低的壓制速率可以使JO-9159 炸藥成型相對密度提高,變得更加均勻。隨著壓制速率的升高,JO-9159 炸藥相對密度呈現(xiàn)波浪變化,沒有特定的規(guī)律,但從整體上看,壓制速率太大,會使最小相對密度變小,從而造成JO-9159 炸藥成型后密度不均勻,JO-9159 炸藥均勻性是通過最大相對密度和最小相對密度差值來衡量的,差值越小越均勻。產(chǎn)生該現(xiàn)象可能是因?yàn)椴煌膲褐扑俾视绊慗O-9159 炸藥粉末不同區(qū)域的流動,相比較而言,速率變大時,使得JO-9159 炸藥粉末不同區(qū)域,炸藥粉末流動快慢懸殊較大。
從圖14 中發(fā)現(xiàn)最小相對密度小于初始相對密度0.5,在實(shí)際空心炸藥粉末壓制成型過程,錐角處常發(fā)生掉塊的現(xiàn)象,這也就是說該區(qū)域密度較低,未壓實(shí),從而產(chǎn)生這種結(jié)果。
因?yàn)椴煌瑝褐扑俾氏孪鄬γ芏确植蓟绢愃?,故選擇壓制速率0.5 mm·s-1進(jìn)行分析。圖15 為壓制速率0.5 mm·s-1下JO-9159 炸藥相對密度變化云圖。分析圖15 可以發(fā)現(xiàn),密度最小處出現(xiàn)在軸線處和與沖頭接觸的區(qū)域,這些區(qū)域密度較低且分布不均勻。
圖14 相對密度及相對密度差值隨壓制速率變化曲線Fig.14 The variation curves of relative density and relative density difference with pressing rate
圖15 壓制速率0.5 mm·s-1時JO-9159 炸藥相對密度變化云圖Fig.15 Cloud map of JO-9159 explosive relative densitychange at a pressing rate of 0.5 mm·s-1
4.1.2 壓制速率對成型裝藥回彈量及等效應(yīng)力的影響
炸藥壓制成型后回彈量過大不僅造成炸藥密度不均勻,還會造成成型炸藥不可裝配,更重要的還有可能產(chǎn)生裂紋等。圖16 中黑線為回彈量隨壓制速率的變化,隨著壓制速率的增大,回彈量會變小,但增大到一定程度,回彈量又會增大,之后回彈量又下降。整體上看,回彈量較小,其取值范圍在0.065~0.1 mm。產(chǎn)生回彈可能是因?yàn)樾秹汉?,JO-9159 炸藥粉末內(nèi)部存在一部分應(yīng)力,未及時釋放,而不同的壓制速率,造成JO-9159 炸藥粉末內(nèi)部的應(yīng)力不盡相同,故不同壓制速率產(chǎn)生的回彈量也是不同的。
圖16 中紅線為等效應(yīng)力隨壓制速率變化曲線。從曲線可以看出,壓制速率在0.5~1 mm·s-1范圍內(nèi),等效應(yīng)力有下降趨勢;壓制速率在1.5~2 mm·s-1,等效應(yīng)力波動較大,并在壓制速率為1.5 mm·s-1時,等效應(yīng)力達(dá)到160 MPa左右,該應(yīng)力會使JO-9159炸藥發(fā)生破裂等其他危險的情況;壓制速率在2.0~3 mm·s-1范圍,等效應(yīng)力呈現(xiàn)輕微上升趨勢,等效應(yīng)力在43.49~50.83 MPa。不同壓制速率下其等效應(yīng)力是不同的,這可能是因?yàn)閴褐扑俾视绊憫?yīng)力的傳遞以及釋放。
等效應(yīng)力在不同壓制速率下云圖分布類似,均是分布不均勻的,所以選擇壓制速率0.5 mm·s-1進(jìn)行分析。圖17 為壓制速率0.5 mm·s-1等效應(yīng)力變化云圖,觀察應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn),應(yīng)力最大值主要是在陰模、下模沖以及沖頭和陰模的交接處。
圖16 回彈量及等效應(yīng)力隨壓制速率的變化曲線Fig.16 The variation curves of rebound amount and equivalent stress with pressing rate
圖17 壓制速率0.5 mm·s-1的等效應(yīng)力變化云圖Fig.17 Cloud map of equivalent stress change at a pressing rate of 0.5 mm·s-1
JO-9159 炸藥相對密度和回彈量隨不同初始相對密度變化的曲線如圖18 所示。分析圖18 可以得出,在保證壓制速率和摩擦系數(shù)參數(shù)不變的條件下,當(dāng)初始密度為0.8 時,最小相對密度達(dá)到最大,值為0.6549,密度差值達(dá)到最小,值為0.3451,此時,回彈量也達(dá)到最小,為0.067 mm。隨著初始相對密度的增大,JO-9159 炸藥成型后最小相對密度有所提升,使得相對密度差值越來越小,炸藥裝藥密度變得更加均勻,同時,在初始相對密度超過0.6 時,JO-9159 炸藥成型后的回彈量降低明顯,這說明初始相對密度對JO-9159 炸藥裝藥質(zhì)量有一定影響,初始相對密度的提高可以改善JO-9159 炸藥裝藥質(zhì)量。
圖18 JO-9159 炸藥相對密度和回彈量隨不同初始相對密度變化曲線Fig.18 The variation curves of the relative density and the rebound amount of JO-9159 explosive with different initial relative densities
圖19 JO-9159 炸藥相對密度和回彈量隨不同摩擦系數(shù)變化曲線Fig.19 The variation curves of the relative density and the rebound amount of JO-9159 explosive with different friction coefficients
JO-9159 炸藥相對密度和回彈量隨不同摩擦系數(shù)變化的曲線如圖19 所示。分析圖19 可以得出,在保證壓制速率和初始相對密度參數(shù)不變的條件下,摩擦系數(shù)的提升,可以改善JO-9159炸藥成型相對密度,提高JO-9159 炸藥密度均勻性。摩擦系數(shù)在0.1~0.2 時,JO-9159 炸藥成型回彈量沒有變化,當(dāng)摩擦系數(shù)在0.2~0.25 時,JO-9159 炸藥成型回彈量減小,且摩擦系數(shù)為0.25 時,回彈量達(dá)到最小,其值為0.067 mm。綜上所述,摩擦系數(shù)為0.25 時,JO-9159 炸藥成型最小相對密度達(dá)到最大,為0.6479,密度差最小,即JO-9159炸藥密度均勻性較好,同時,JO-9159 炸藥回彈量也達(dá)到最小,即在該摩擦系數(shù)下,JO-9159 炸藥成型質(zhì)量較好。
(1)利用高級非線性有限元軟件,采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法,模擬仿真了聚能裝藥壓制成型過程,得出JO-9159 炸藥壓制成型過程,炸藥流動主要是呈現(xiàn)軸向流動,而且靠近模具處流動較為緩慢,這是由于靠近模具處,炸藥粉末與模具產(chǎn)生摩擦,阻礙炸藥粉末向下流動。
(2)JO-9159 炸藥壓制成型后,軸線處的相對密度較低且分布不均勻,而靠近模具區(qū)域密度較大,密度分布較為均勻。軸線處為錐角所對應(yīng)的位置,根據(jù)實(shí)際粉末壓制過程,錐角處粉末密度較低且易發(fā)生掉塊,所以本次模擬也基本符合實(shí)際。
(3)JO-9159 炸藥壓制成型后存在回彈,且回彈量較小,不超過0.1 mm。本次仿真的壓制速率、初始相對密度以及摩擦系數(shù)等工藝參數(shù)對回彈量及相對密度有影響,但不呈現(xiàn)特定的規(guī)律。