易碎式導(dǎo)彈發(fā)射箱蓋研究進(jìn)展

楊鑫宇，冷子凌，李偉，李照謙，南博華，周翔

(1.上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院,上海 200240； 2.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240；3.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司,上海 200245)

導(dǎo)彈貯運(yùn)發(fā)射箱作為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,不僅具有發(fā)射瞄準(zhǔn)的功能,還能在運(yùn)輸和貯存時(shí)起到保護(hù)導(dǎo)彈的作用,在發(fā)射時(shí)以某種方式迅速打開,使導(dǎo)彈順利出箱?，F(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭作戰(zhàn)武器高技術(shù)化、作戰(zhàn)方式多樣化、作戰(zhàn)節(jié)奏迅速,這些特點(diǎn)決定了導(dǎo)彈貯運(yùn)發(fā)射箱必須快速反應(yīng)以提高導(dǎo)彈的生存能力。貯運(yùn)發(fā)射箱按開蓋方式可分為機(jī)械式、爆破式和易碎式三類[1-3]。機(jī)械式箱蓋通過機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動將箱蓋打開,開蓋穩(wěn)定,可重復(fù)多次使用,但箱蓋機(jī)構(gòu)復(fù)雜,開蓋緩慢,降低了發(fā)射箱的反應(yīng)能力,多用于大型導(dǎo)彈貯運(yùn)發(fā)射箱定向器上。爆破式箱蓋[4]在發(fā)射時(shí)點(diǎn)燃火藥將箱蓋上的爆破螺栓炸斷,依靠箱內(nèi)氣壓將箱蓋沖飛完成開蓋。相較于機(jī)械式箱蓋,爆破式箱蓋開蓋迅速,節(jié)省時(shí)間,但只能單次使用,火藥存在爆炸不安全、不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)。易碎式箱蓋在發(fā)射時(shí)被導(dǎo)彈頂飛拋出,開蓋方便穩(wěn)定快捷,且由于所使用的材料具有質(zhì)量輕、耐腐蝕和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為發(fā)射箱蓋的研究熱點(diǎn)。目前國外有許多導(dǎo)彈武器系統(tǒng)采用了先進(jìn)的易碎蓋結(jié)構(gòu),如英國的“海狼”垂直發(fā)射系統(tǒng)、俄羅斯的C-300導(dǎo)彈以及美國的M270火箭炮等。

筆者從易碎蓋的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和有限元分析三個(gè)方向出發(fā),詳細(xì)介紹國內(nèi)易碎式導(dǎo)彈發(fā)射箱蓋的研究進(jìn)展。

1 易碎式導(dǎo)彈發(fā)射箱蓋的材料選擇

目前國內(nèi)主要采用樹脂基復(fù)合材料或泡沫塑料作為易碎式導(dǎo)彈發(fā)射箱蓋的主體材料。樹脂基復(fù)合材料是一種以樹脂為基體的纖維增強(qiáng)材料,具有許多優(yōu)良性能,比如質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、較好的抗燒蝕性以及較好的電磁屏蔽性[5-7]。同時(shí),樹脂基復(fù)合材料可以選擇不同的基體和纖維并進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì),具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性,能使易碎蓋沿預(yù)定的破壞模式和破壞軌跡破壞。泡沫塑料是一種有氣體微孔分布的高分子材料,具有質(zhì)量輕、隔熱、減震等特點(diǎn),其介電性能優(yōu)于基體樹脂,可通過更改泡沫塑料的密度從而選定合適的強(qiáng)度和模量[8-9]。

1.1 樹脂基復(fù)合材料易碎蓋

目前樹脂基復(fù)合材料易碎蓋所使用的材料以玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂為主,部分采用玻璃纖維增強(qiáng)乙烯基樹脂復(fù)合材料、玻璃纖維增強(qiáng)硅橡膠復(fù)合材料和碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂等作為主體材料。

王松超[10]采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂作為易碎蓋材料,設(shè)計(jì)了易碎蓋玻璃纖維鋪層,對單層玻璃纖維布劃輕微刻痕,制備了易碎蓋并進(jìn)行了沖擊試驗(yàn),對比分析仿真與試驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了密封蓋的性能。Kam等[11]通過理論和實(shí)驗(yàn)的方法研究了玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料易碎蓋在均勻外部壓力下的靜態(tài)破壞強(qiáng)度。易碎蓋由四塊層合板組成。孫志彬等[12]研制了一種玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的定向分離易碎蓋,設(shè)計(jì)了4 種擁有不同薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)的易碎蓋,根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果制作了其中兩種易碎蓋并進(jìn)行了沖破試驗(yàn),結(jié)果表明,改變薄弱區(qū)的強(qiáng)度可以實(shí)現(xiàn)圓形易碎蓋的定向分離。王敏等[13]對陶瓷基復(fù)合材料天線罩撞擊玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂易碎蓋的過程進(jìn)行了瞬態(tài)動力學(xué)分析,得到了撞擊過程的動態(tài)響應(yīng)和失效模式。同時(shí),進(jìn)行相應(yīng)的沖擊試驗(yàn),證明易碎蓋能沿預(yù)設(shè)應(yīng)力槽破壞,天線罩保持結(jié)構(gòu)完整。

馬飛[14]以玻璃纖維增強(qiáng)乙烯基樹脂為主體材料設(shè)計(jì)了6種不同結(jié)構(gòu)類型的密封蓋,蓋體上預(yù)制了規(guī)則裂紋使密封蓋定向斷裂,所設(shè)計(jì)的易碎蓋在沖破時(shí)能沿預(yù)制的薄弱區(qū)裂紋撕裂成有規(guī)則的四塊,撕裂后的碎片在很短的時(shí)間內(nèi)飛離,不影響導(dǎo)彈發(fā)射。徐文彬[15]設(shè)計(jì)了6瓣、8瓣、12瓣共三種結(jié)構(gòu)形式的玻璃纖維增強(qiáng)硅橡膠復(fù)合材料易碎蓋,基于可失效的彈塑性本構(gòu)建立了三種不同結(jié)構(gòu)的易碎蓋有限元模型,并進(jìn)行了沖破過程的模擬。結(jié)果表明,在相同裂紋強(qiáng)度下,選用12瓣的易碎蓋撞擊力最小。苑曉旭等[16]設(shè)計(jì)發(fā)明了一種碳纖維復(fù)合材料易碎蓋,驗(yàn)證了相較于蓋體各部分用膠粘接的易碎蓋,薄弱區(qū)開孔/槽的碳纖維易碎蓋有更好的氣密性與耐壓性。

1.2 泡沫塑料易碎蓋

早期泡沫塑料易碎蓋采用聚氨酯泡沫制成,由于其力學(xué)性能差和耐低溫性能低等諸多問題,受環(huán)境限制影響很大。目前泡沫塑料易碎蓋多采用環(huán)氧樹脂泡沫制成,其力學(xué)強(qiáng)度高,粘接力強(qiáng),耐熱及環(huán)境性能好。聚甲基丙烯酰亞胺泡沫雖具有泡沫材料中最高的比強(qiáng)度和比模量,但0.因其昂貴的價(jià)格而較少使用。

張中利等[17]為某型號火箭發(fā)射箱設(shè)計(jì)了一種采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料為主體材料的易碎式密封蓋,模擬了火箭彈和燃?xì)饬鳑_擊易碎蓋的過程,并進(jìn)行了沖破實(shí)驗(yàn)來對比驗(yàn)證,得到了密封蓋的破碎模式和性能。卓毅等[18]針對一種易碎蓋的技術(shù)要求開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),設(shè)置了弱化槽并利用泡沫材料的拉壓不對稱性的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了易碎蓋正反兩個(gè)方向的承壓要求。張曉艷等[19]設(shè)計(jì)了一種環(huán)氧泡沫塑料易碎蓋,模擬了易碎蓋在給定沖蓋爆破壓力下的工況,得到了易碎蓋的應(yīng)力分布,測試了易碎蓋在安全載荷下的應(yīng)變分布,分析得到了蓋體結(jié)構(gòu)邊緣彈翼滑過區(qū)域的破壞方式。王迪[20]選擇高比強(qiáng)度的聚甲基丙烯酰亞胺泡沫作為易碎蓋的主體材料,建立了有限元模型模擬發(fā)射沖破過程,分析了易碎蓋的破壞模式和彈頭碰撞時(shí)易碎蓋的載荷特性,并提出了改進(jìn)措施。

2 易碎式導(dǎo)彈發(fā)射箱蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

根據(jù)導(dǎo)彈貯存、運(yùn)輸和發(fā)射的實(shí)際使用需求,易碎式導(dǎo)彈發(fā)射箱蓋的結(jié)構(gòu)必須滿足以下兩個(gè)條件：(1)在導(dǎo)彈發(fā)射時(shí),導(dǎo)彈能以較小的沖擊力沖破易碎蓋發(fā)射出箱；(2)在貯存和運(yùn)輸時(shí),易碎蓋需保證一定的強(qiáng)度和氣密性以起到保護(hù)和密封的作用?；ハ嗝艿膬蓚€(gè)需求決定了易碎式導(dǎo)彈發(fā)射箱蓋的結(jié)構(gòu)必定與傳統(tǒng)的機(jī)械蓋和爆破蓋不同,其在結(jié)構(gòu)上必須具有一定的特殊性。目前,針對于易碎式導(dǎo)彈發(fā)射箱蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的目標(biāo)主要集中在易碎蓋的兩個(gè)性能上,分別是沖破性能和抗外壓承載性能。

2.1 針對易碎式導(dǎo)彈發(fā)射箱蓋沖破性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)產(chǎn)生較小沖擊力的目標(biāo),大多數(shù)易碎蓋在蓋體上設(shè)計(jì)了薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)方便導(dǎo)彈出箱。目前,薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可大致分為以下三類：(1)應(yīng)力薄弱區(qū)；(2)膠接薄弱區(qū)；(3)拓?fù)渥枣i結(jié)構(gòu)。

（1）應(yīng)力薄弱區(qū)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)應(yīng)力薄弱區(qū)主要通過在蓋體上預(yù)制刻痕或溝槽等完成。Wang Huifang 等[21]設(shè)計(jì)了一種具有劃痕的玻璃纖維易碎蓋,并以玻璃纖維鋪層數(shù)為自變量設(shè)置了6 種結(jié)構(gòu)類型。建立了火箭彈沖破易碎蓋和氣流沖擊易碎蓋的有限元模型,模擬了火箭彈沖破和氣流沖擊的過程。結(jié)果表明,易碎蓋會沿預(yù)制的刻痕斷裂,不會產(chǎn)生碎片干擾火箭發(fā)射。隨著玻璃纖維層數(shù)的增加,易碎蓋破裂時(shí)火箭頭部的Mises 應(yīng)力增加。氣流對相鄰發(fā)射筒的易碎蓋的影響分布不均勻,最大Mises 應(yīng)力出現(xiàn)在蓋體刻痕處。隨著玻璃纖維層數(shù)的減少,易碎蓋在氣流沖擊下的失效指數(shù)值增加。劉峰等[22]設(shè)計(jì)制作了一種含有預(yù)制切口薄弱環(huán)節(jié)的混雜復(fù)合材料口蓋試件。采用不同的沖擊能量對口蓋試件開展了沖擊試驗(yàn)并建立了沖擊開蓋有限元模型進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明,當(dāng)沖擊能量低于開蓋閾值時(shí),沖擊頭會反彈,開蓋失??；當(dāng)沖擊能量高于開蓋閾值且低于貫穿閾值時(shí),能夠成功沿預(yù)制薄弱環(huán)節(jié)開蓋。張曉東等[23]針對易碎蓋密封性不好和鋁箔內(nèi)側(cè)表面設(shè)置的十字狀凹槽的筒蓋外端在發(fā)射彈箭時(shí)開裂不完全而不能順利脫落的問題,設(shè)計(jì)了一種筒箱式彈箭武器易碎蓋。易碎蓋結(jié)構(gòu)由支撐環(huán)、阻隔層以及增強(qiáng)層組成。在增強(qiáng)層表面的中間或周邊預(yù)置了應(yīng)力線,使筒蓋在彈箭發(fā)射時(shí)順利脫落。為了起到較好的支撐和密封作用,采用紙環(huán)、塑料環(huán)或金屬環(huán)作為支撐環(huán),鋁箔層為隔熱層,布料層或塑性材料層為增強(qiáng)層。易碎蓋防潮密封性能良好,在發(fā)射時(shí)能順利脫落。

周光明等[24]設(shè)計(jì)了一種玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的穿透式易碎蓋。在導(dǎo)彈與易碎蓋初始接觸區(qū)域預(yù)制了偏心薄弱區(qū),導(dǎo)彈頂破時(shí)蓋體以四瓣形式開裂。利用有限元軟件MSC Patran/Nastran 建立了導(dǎo)彈沖破易碎蓋的仿真模型,并制作了實(shí)物進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明,當(dāng)頂破載荷較小時(shí),易碎蓋能以預(yù)定的形式破壞,并且能夠承受貯存氣壓。錢元等[25]在周光明等設(shè)計(jì)的平板型沖破式易碎蓋的薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,改進(jìn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),易碎蓋被薄弱區(qū)分割為主體與框架兩部分并進(jìn)行了膠接。當(dāng)強(qiáng)度不夠時(shí),在膠接處上下面貼布條并通過調(diào)節(jié)加貼層的層數(shù)和長度來控制膠接強(qiáng)度。加長加貼層與主體的搭接長度,并在結(jié)構(gòu)主體之間設(shè)計(jì)了一個(gè)灌滿樹脂的V 型凹槽以保證易碎蓋的密封性能。通過局部的數(shù)值模擬并結(jié)合最大應(yīng)力準(zhǔn)則預(yù)測了易碎蓋的沖破壓力,同時(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所制易碎蓋的性能,指出薄弱區(qū)參數(shù)對易碎蓋的破壞形式和破壞壓力有很大的影響。

(2)膠接薄弱區(qū)設(shè)計(jì)。

部分易碎蓋設(shè)計(jì)為多瓣粘接式,多個(gè)子瓣通過膠接形成完整蓋體,在發(fā)射時(shí),子瓣沿沖擊而脫粘的膠層分離,導(dǎo)彈射出。李文龍等[26]為了減輕整體沖破式復(fù)合材料易碎蓋分離體的質(zhì)量,基于等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)了一種帶有薄弱區(qū)的環(huán)氧樹脂/玻璃纖維復(fù)合材料多瓣易碎蓋,易碎蓋6個(gè)子瓣通過膠接粘在一起。利用ABAQUS/Explicit 顯式動力學(xué)算法對易碎蓋的分瓣過程進(jìn)行了模擬,同時(shí),進(jìn)行了相應(yīng)的沖破試驗(yàn),對比分析仿真和試驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性。結(jié)果表明,提出的設(shè)計(jì)方法可以保證易碎蓋在短時(shí)間內(nèi)沖破,且分離體沿預(yù)設(shè)軌跡飛出,不會對導(dǎo)彈正常發(fā)射產(chǎn)生影響。余洪浩[27]設(shè)計(jì)了一種方形多瓣復(fù)合材料易碎蓋,通過有限元方法對薄弱區(qū)兩個(gè)主要影響強(qiáng)度的參數(shù)進(jìn)行了量化模擬和趨勢影響分析,結(jié)合試驗(yàn)探究了搭接厚度和長度的變化對強(qiáng)度的影響。李文龍等[28]提出了一種包含球面薄弱區(qū)和柱面薄弱區(qū)的多瓣易碎蓋結(jié)構(gòu)。模擬得到了薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)在不同工況下的失效載荷并繪制了強(qiáng)度包絡(luò)線,結(jié)果表明,在其它參數(shù)不變的情況下,增加薄弱區(qū)的搭接寬度和長度,易碎蓋的承載能力有不同程度的增大。

部分易碎蓋在薄弱區(qū)將蓋體分割為主體與框架兩部分并進(jìn)行膠接,導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)易碎蓋在膠接處發(fā)生斷裂,整體被導(dǎo)彈頂飛。陳海立[29]針對該種易碎蓋探究了其破壞機(jī)理,通過有限元軟件ABAQUS 模擬沖破過程,研究了不同型式接頭承彎時(shí)的破壞機(jī)理,并基于該機(jī)理提出了新的設(shè)計(jì)方法。當(dāng)易碎蓋分離的主體部分質(zhì)量較大時(shí),會對周邊的設(shè)備造成一定的威脅,俞鑫[30]對整體沖破式易碎蓋的分離過程進(jìn)行了研究,通過改變薄弱區(qū)的強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)了側(cè)向分離的目的。曹然等[31]提出了一種薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法,通過有限元模擬確定了薄弱區(qū)局部模型分析的邊界條件和載荷。結(jié)果表明,薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度主要受薄弱區(qū)內(nèi)外側(cè)布條搭接長度的影響,而薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng)度主要受薄弱區(qū)內(nèi)外側(cè)布條搭接厚度的影響。

(3)拓?fù)渥枣i結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

拓?fù)渥枣i結(jié)構(gòu)[32]是由許多子構(gòu)件按一定的規(guī)則排列并施加邊界約束組合而成的一種新的整體式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中各子構(gòu)件直接接觸,每一個(gè)子構(gòu)件都被相鄰的子構(gòu)件約束,因此,結(jié)構(gòu)具有較大的承載能力。在受到撞擊等觸發(fā)條件時(shí),拓?fù)渥枣i結(jié)構(gòu)會迅速“解鎖”,子構(gòu)件的約束被解除,整體結(jié)構(gòu)發(fā)生碎裂。徐振欽等[33]設(shè)計(jì)了一種拓?fù)渥枣i結(jié)構(gòu)的易碎蓋。當(dāng)在反向施加一較小沖擊力時(shí),易碎蓋可以定向斷裂。模擬了易碎蓋正向承受燃?xì)馍淞鳑_擊的過程并利用落錘進(jìn)行了反向沖擊實(shí)驗(yàn),同時(shí),進(jìn)行了斷裂驗(yàn)證。結(jié)果表明,易碎蓋滿足正向強(qiáng)度和剛度要求,設(shè)計(jì)符合要求。

2.2 針對易碎式導(dǎo)彈發(fā)射箱蓋抗外壓承載性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

目前,多數(shù)易碎式導(dǎo)彈發(fā)射箱蓋依靠材料本身強(qiáng)度來抵抗外壓載荷,從而起到保護(hù)和密封的作用。采用拓?fù)浠ユi結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)易碎蓋的抗外壓能力,徐振欽等[34]設(shè)計(jì)了一種拓?fù)浠ユi結(jié)構(gòu)易碎蓋,模擬了燃?xì)馍淞髡驔_擊下易碎蓋拓?fù)渥枣i的過程,并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,燃?xì)馍淞鳑_擊力不會對易碎蓋造成破壞。劉宇蓋等[35]針對易碎蓋外壓承載能力不足而無法保證鄰位導(dǎo)彈安全性的問題,設(shè)計(jì)了易碎蓋內(nèi)側(cè)的限位支撐機(jī)構(gòu)并保證了內(nèi)壓破壞強(qiáng)度基本不變,模擬了易碎蓋改進(jìn)前后的外壓承載工況,并進(jìn)行了相應(yīng)的工作試驗(yàn)。結(jié)果表明,安裝限位支撐機(jī)構(gòu)后的易碎蓋的外壓承載能力得到了大幅度提高。仲健林等[36]發(fā)明了一種發(fā)射箱蓋外形結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過解析求解發(fā)射箱蓋對稱截面幾何特征等效的等截面梁結(jié)構(gòu)在均布外壓下的撓度,構(gòu)建綜合撓度函數(shù),使箱蓋外壓承載變形撓度最小,可以最大化發(fā)射箱蓋的外壓承載剛度。該方法不需要進(jìn)行有限元迭代仿真,優(yōu)化效率高,當(dāng)給定結(jié)構(gòu)邊界和約束條件時(shí),能得到結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)解,使箱蓋外側(cè)承壓性能最優(yōu)。Cai Xuanlong 等[37]通過試驗(yàn)和有限元法研究了易碎蓋在外壓下的異常失效行為。基于失效壓力、失效形式和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析,確定了屈曲失穩(wěn)失效是導(dǎo)致易碎蓋異常失效的原因,并模擬了易碎蓋中心位置高度變化時(shí)的屈曲失穩(wěn)狀態(tài),通過試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算方法的可靠性。結(jié)果表明,在設(shè)計(jì)易碎蓋時(shí)需考慮易碎蓋的穩(wěn)定性。胡利鴻等[38]設(shè)計(jì)了一種通過調(diào)節(jié)緊定螺釘?shù)奈恢煤蛪壕o力來提高抗外壓承載性能的易碎蓋,有效地降低了臨近工位發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的燃?xì)饬鲗σ姿樯w的影響。

3 易碎式導(dǎo)彈發(fā)射箱蓋的有限元分析

易碎式導(dǎo)彈發(fā)射箱蓋大多數(shù)由復(fù)合材料制成,在發(fā)射時(shí)受到導(dǎo)彈沖擊被頂飛拋出,而復(fù)合材料在受到面外沖擊時(shí)可能會發(fā)生基體開裂、層間分層和纖維斷裂的現(xiàn)象,基于強(qiáng)度的理論模型不能很好地預(yù)測這些現(xiàn)象的產(chǎn)生,因此,需要建立有效的數(shù)值仿真模型來模擬復(fù)合材料層壓板的面外沖擊過程。筆者在這里詳細(xì)介紹三種分析復(fù)合材料層壓板沖擊響應(yīng)的數(shù)值模型[39],分別為Stacked shell model,Stackedsolid model和Ply splitting model。

(1)Stacked shell model。

Stacked shell model將層壓板分為單層板和層間膠層兩個(gè)部分,單層板采用S4R 殼單元進(jìn)行離散,層間膠層采用厚度極小的COH3D8 Cohesive 單元進(jìn)行離散,使用ABAQUS中的Tie Constraint 將cohesive 層與相鄰的單層板耦合在一起。這種耦合的建模方法相較于共享節(jié)點(diǎn)的建模方法,更消耗計(jì)算資源,但為層內(nèi)和層間的網(wǎng)格密度提供了更多的選擇。

Chen Shunhua 等[40]建立了包含 Stacked shell model 在內(nèi)的6種模擬夾層玻璃沖擊的數(shù)值模型,從玻璃層開裂和加速的過程對比了不同數(shù)值模型的效果,討論了數(shù)值算法在夾層玻璃沖擊失效分析中的性能。

(2)Stacked-solid model。

Stacked-solid model 采用C3D8R 實(shí)體單元對單層板進(jìn)行離散,采用Cohesive Surfaces模擬層間膠層。相較于使用Cohesive單元,使用Cohesive Surfaces可以減少網(wǎng)格數(shù),但每一步的迭代計(jì)算需要消耗更多資源。另外,在ABAQUS 中沒有內(nèi)嵌適用于實(shí)體單元的連續(xù)損傷力學(xué)模型,用于必須自定義材料模型。

Lopes 等[41]針對纖維增強(qiáng)塑料的沖擊響應(yīng)問題,分別建立了兩種采用不同方法模擬層間行為的數(shù)值模型：厚度極小的Cohesive單元和Cohesive Surfaces。對比了兩種方法下載荷-位移曲線的初始斜率、分層開始時(shí)的載荷、層壓板承受的最大載荷和最大分層面積,結(jié)果表明,采用Cohesive Surfaces模擬層間膠層的力學(xué)行為取得了更好的效果。陳亞軍[42]采用實(shí)體單元模擬單層板,在每兩層板之間引入零厚度的Cohesive單元模擬分層損傷的產(chǎn)生與擴(kuò)展,預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合?；诖四Ｐ?探究了動力學(xué)參數(shù)對復(fù)合材料層壓板沖擊損傷的影響。朱煒垚等[43]建立了基于應(yīng)變描述的失效判據(jù)的復(fù)合材料層壓板沖擊有限元模型,每個(gè)單層板采用一層3D 實(shí)體單元模擬,層與層之間使用無厚度的Cohesive單元連接,采用應(yīng)力失效判據(jù)和能量釋放率準(zhǔn)則定義分層損傷的起始和演化規(guī)律,數(shù)值和試驗(yàn)結(jié)果的一致性表明了模型的準(zhǔn)確性。于哲峰等[44]針對中等質(zhì)量沖頭沖擊作用下復(fù)合材料層壓板響應(yīng)的問題,建立了由實(shí)體單元和無厚度的Cohesive單元組成的層壓板模型。采用改進(jìn)的Chang-Chang準(zhǔn)則預(yù)測層內(nèi)損傷,對于層間分層損傷,采用平方名義應(yīng)力準(zhǔn)則預(yù)測其起始階段,冪律斷裂準(zhǔn)則預(yù)測分層的擴(kuò)展。結(jié)果表明,層壓板在中等質(zhì)量沖頭沖擊作用下產(chǎn)生的振動將導(dǎo)致層壓板在沖擊過程中與沖頭脫離接觸,板的損傷程度減小。

(3)Ply splitting model。

Ply splitting model 是基于 Stacked-solid model 改進(jìn)的模型,采用C3D8R 實(shí)體單元離散單層板,采用厚度極小的COH3D8 Cohesive單元離散層間膠層。

楊鵬等[45]針對復(fù)合材料層壓板在低速沖擊作用下的損傷模式,建立了包含實(shí)體單元和界面單元的混合模型,每一層單層板建立一層實(shí)體單元來模擬層內(nèi)力學(xué)行為,每兩層實(shí)體單元之間插入厚度極薄的Cohesive 單元來模擬層間力學(xué)行為,對建立的層壓板有限元模型進(jìn)行了落錘沖擊模擬,與已有試驗(yàn)對比仿真得到的沖擊力-時(shí)間曲線及損傷面積,良好的一致性證明了模型的準(zhǔn)確性。饒輝[46]建立了復(fù)合材料加筋板在橫向沖擊作用下的有限元分析模型,層壓板由六面體實(shí)體單元和極薄的3D Cohesive 單元構(gòu)成,筋條由一層實(shí)體單元構(gòu)成,層內(nèi)采用Hashin失效準(zhǔn)則,層間損傷的起始和演化由應(yīng)力失效判據(jù)和能量釋放率進(jìn)行判斷。通過試驗(yàn)和仿真,探究了不同位置和能量等因素對復(fù)合材料加筋板沖擊性能的影響。賈雪芳[47]采用C3D8R 實(shí)體單元和0.01 mm 厚的Cohesive單元建立了復(fù)合材料層壓板的沖擊響應(yīng)模型,分析了層壓板在多次沖擊后的應(yīng)變狀態(tài)和損傷擴(kuò)展情況,探究了沖擊參數(shù)對層壓板沖擊響應(yīng)的影響。Hongkarnjanakul等[48]改進(jìn)了Ply splitting model,改變了纖維失效模型,消除了纖維失效在體積有限元中的能量釋放率,引入與斷裂損傷演化相關(guān)的纖維壓縮失效準(zhǔn)則。通過仿真和試驗(yàn)的力-位移曲線中載荷的顯著下降,確定發(fā)生了纖維壓碎破壞。

除上述三種數(shù)值模型以外,研究人員發(fā)展了更多的沖擊響應(yīng)下復(fù)合材料層壓板建模方法。為了研究復(fù)合材料層壓板在受到面外沖擊過程中的力學(xué)行為,張彥等[49]將層壓板的損傷模式分為層內(nèi)損傷和層間損傷,并視層壓板由復(fù)合材料子層和界面層粘接而成。建立了預(yù)測層壓板沖擊作用下層內(nèi)和層間損傷的有限元模型,其中,單層板采用S4R 四節(jié)點(diǎn)殼單元離散,針對分層損傷定義了層合板相鄰子層上下界面間的接觸,該接觸行為采用其自定義的界面損傷演化規(guī)律。預(yù)測了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層壓板在沖擊下的損傷和變形,數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了模型的正確性。Volnei等[50]基于試驗(yàn)和有限元探究了低速沖擊對碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂層壓板的影響。分別建立了只考慮層內(nèi)損傷的平面應(yīng)力連續(xù)殼單元模型和考慮層內(nèi)損傷與層間損傷的三維應(yīng)力狀態(tài)實(shí)體單元模型,對比了試驗(yàn)和有限元結(jié)果的沖擊力-時(shí)間曲線、位移-時(shí)間曲線、能量-時(shí)間曲線和無損檢測的圖像,研究了鋪層堆疊順序和能量大小對沖擊動態(tài)響應(yīng)的影響。結(jié)果表明,只考慮層內(nèi)損傷的平面應(yīng)力狀態(tài)模型無法預(yù)測分層損傷,導(dǎo)致數(shù)值結(jié)果的沖擊力-時(shí)間曲線不收斂于試驗(yàn)結(jié)果；考慮層內(nèi)損傷和分層損傷的三維應(yīng)力狀態(tài)模型可以預(yù)測分層現(xiàn)象的產(chǎn)生,但不能準(zhǔn)確模擬由剪應(yīng)力引起的非線性行為；兩種材料模型均不能模擬卸載后的塑性應(yīng)變。儲怡[51]基于Hashin 失效準(zhǔn)則建立了S4R 殼單元的單層板模擬模型,在各個(gè)殼模型層間插入0厚度的Cohesive單元模擬層間的膠層,對比分析位移曲線、應(yīng)力曲線、能量曲線和層間分層面積與形狀,驗(yàn)證了模型的合理性。陳縣輝[52]采用SC8R連續(xù)殼單元和Cohesive單元建立了層壓板的沖擊有限元模型,定義了相鄰鋪層面間的接觸防止相鄰鋪層發(fā)生侵徹現(xiàn)象,將文獻(xiàn)中的分層損傷圖案及沖擊力-時(shí)間曲線與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比,驗(yàn)證了所建立模型的有效性和可靠性。伊鵬躍[53]沒有建立膠層模型,而是在VUMAT子程序中定義了所采用的分層失效準(zhǔn)則,基于此方法探究了沖擊質(zhì)量、速度、沖頭半徑、層壓板跨度、厚度和材料參數(shù)對沖擊作用下復(fù)合材料層壓板的接觸力和永久凹坑深度的影響。

針對易碎式導(dǎo)彈發(fā)射箱蓋的有限元分析,主要是對發(fā)射沖破過程和抗外壓承載過程的模擬。從幾何結(jié)構(gòu)上來說,易碎蓋沿厚度方向的尺寸遠(yuǎn)小于其它兩個(gè)方向的尺寸,蓋體結(jié)構(gòu)采用殼單元計(jì)算相較于采用實(shí)體單元計(jì)算,可以采用更少的網(wǎng)格數(shù),從而減少計(jì)算量,提升效率。然而,當(dāng)易碎蓋在受到來自外部的壓力載荷時(shí),蓋體主要承受拉彎耦合載荷的作用,沿厚度方向上的應(yīng)力分布不一致,此時(shí),采用實(shí)體單元計(jì)算可以得到更加精確的結(jié)果。

安慶升等[54]在利用有限元分析軟件ABAQUS對環(huán)氧樹脂泡沫易碎蓋進(jìn)行仿真模擬時(shí),針對受內(nèi)、外壓靜強(qiáng)度分析的工況,采用三維C3D4 實(shí)體單元構(gòu)建蓋體網(wǎng)格,而在沖破工況下,采用四邊形殼單元S4構(gòu)建蓋體網(wǎng)格,驗(yàn)證了易碎蓋的綜合性能。為了得到更好的仿真精度,李緒東[55]采用有限元分析軟件ANSYS中的SOLID186實(shí)體單元對易碎蓋蓋體結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,基于最大拉應(yīng)力理論模擬了易碎蓋的承壓和沖破過程,并進(jìn)行了承壓和沖破試驗(yàn),對比分析仿真和試驗(yàn)結(jié)果,證明了易碎蓋滿足技術(shù)指標(biāo)。徐澧明等[56]采用C3D8R實(shí)體單元對所設(shè)計(jì)的平面整體沖破式易碎蓋進(jìn)行離散,考察了易碎蓋在承壓工況下的應(yīng)力和變形分布,得到了結(jié)構(gòu)參數(shù)對易碎蓋最大變形的影響。蔡德詠等[57]根據(jù)易碎蓋的性能指標(biāo)和戰(zhàn)術(shù)要求,采用玻璃纖維復(fù)合材料,利用ABAQUS中的4節(jié)點(diǎn)減縮積分殼單元S4R劃分易碎蓋網(wǎng)格,模擬了所設(shè)計(jì)的六種易碎蓋的發(fā)射沖破過程,掌握了易碎蓋的破裂效果和規(guī)律。

4 結(jié)語

易碎式導(dǎo)彈發(fā)射箱蓋作為導(dǎo)彈貯運(yùn)發(fā)射箱的關(guān)鍵部件,在導(dǎo)彈發(fā)射時(shí),導(dǎo)彈能以較小的沖擊力沖破易碎蓋發(fā)射出箱,在貯存和運(yùn)輸時(shí),易碎蓋需保證一定的強(qiáng)度和氣密性以起到保護(hù)和密封的作用。為了解決這一對互相矛盾的需求,國內(nèi)的研究人員在材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和有限元分析等各個(gè)方面進(jìn)行了大量深入的研究,取得了不小的進(jìn)步,為我國的導(dǎo)彈武器事業(yè)發(fā)展做出了尤為重要的貢獻(xiàn)。同時(shí),針對易碎蓋沖破性能和抗外壓承載性能的優(yōu)化,需進(jìn)一步加大在材料選擇以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究。