一種基于形狀記憶合金的塑性測(cè)壓法研究

葉希洋,蘇健軍,姬建榮

(西安近代化學(xué)研究所, 西安 710065)

0 引言

炸藥爆炸瞬時(shí)能釋放巨大的能量并產(chǎn)生各種效應(yīng),但破壞力最強(qiáng)、影響區(qū)域最大的是爆炸沖擊波[1]?？己藦椝帉?duì)物體的毀傷效果時(shí),爆炸沖擊波是一個(gè)重要考核指標(biāo),常見(jiàn)的沖擊波測(cè)試方法有等效壓力罐法、生物實(shí)驗(yàn)法、高速攝影法、電測(cè)法和塑性測(cè)壓法等[2]。

塑性測(cè)壓法是利用在一定的約束條件下具有恰當(dāng)敏感性,并在一定的爆炸沖擊波作用下會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變形的靶板結(jié)構(gòu),選取爆炸后殘余的最大塑性變形,即最大撓度,對(duì)沖擊波壓力進(jìn)行度量。當(dāng)彈藥與測(cè)壓靶板的距離遠(yuǎn)大于靶板的尺寸時(shí),可以將作用在塑性測(cè)壓法表面的爆炸載荷近似為均布載荷[3],圖1為簡(jiǎn)化的力學(xué)模型:直徑為d的靶板在大小為P的均布載荷作用下彎曲變形,靶板中心處的最大撓度為Wmax。建立Wmax與沖擊波壓力的關(guān)系模型,對(duì)沖擊波壓力進(jìn)行度量。

圖1 簡(jiǎn)化力學(xué)模型

塑性測(cè)壓法最早出現(xiàn)在庫(kù)爾的《水下爆炸》中[4],用于測(cè)量水下爆炸壓力,目前在實(shí)際測(cè)試中已經(jīng)得到了初步應(yīng)用。陳昌明等[5]在小當(dāng)量云爆沖擊實(shí)驗(yàn)中,得到了直徑80 mm,厚度0.5 mm的靶板的變形量與沖擊波壓力的關(guān)系。沈飛等[6]設(shè)計(jì)了一種直徑300 mm,厚度1～3 mm的靶板,其塑性變形可用于反映爆炸載荷的沖量。傅輝剛等[7]設(shè)計(jì)了一種直徑390 mm,厚2 mm的靶板,并驗(yàn)證了其在大型戰(zhàn)斗部的爆炸場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用可行性。張顯丕等[8]通過(guò)對(duì)水下近場(chǎng)爆炸作用下塑性靶板的實(shí)驗(yàn)和理論研究,建立了靶板變形模型,初步設(shè)計(jì)出了基于塑性測(cè)壓法的爆炸威力評(píng)估實(shí)驗(yàn)方法。

塑性測(cè)壓靶作為一種使用方便、成本低廉,對(duì)沖擊波敏感,同時(shí)能有效避免爆炸過(guò)程中寄生效應(yīng)的影響的裝置,能夠反映沖擊波超壓的毀傷效果,尤其適合于戰(zhàn)斗部破壞力極強(qiáng),傳統(tǒng)電測(cè)系統(tǒng)難以生存的場(chǎng)合,是一種較科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、有效的爆炸沖擊波毀傷效能測(cè)試方法,而測(cè)量不確定度過(guò)大是限制塑性測(cè)壓靶使用的主要因素。

為降低塑性測(cè)壓法測(cè)量不確定度,主要從其結(jié)構(gòu)和材料兩方面進(jìn)行改善?，F(xiàn)有塑性測(cè)壓法一般采用鋁制靶板,由于使用的一次性,使用后需要重復(fù)裝卸,操作復(fù)雜。并且由于制備工藝的限制,同一批鋁制靶板之間存在差異,容易帶來(lái)測(cè)量誤差。

針對(duì)現(xiàn)有鋁制塑性測(cè)壓靶存在的缺陷和不足,本文擬采用形狀記憶合金作為塑性測(cè)壓材料。形狀記憶合金作為一種新型材料,具備形狀記憶效應(yīng),經(jīng)過(guò)高溫處理后具有初始形狀的合金在低溫下發(fā)生塑性變形,能夠通過(guò)加熱到某一臨界溫度之上使其恢復(fù)初始形狀。利用形狀記憶合金制作成的塑性測(cè)壓靶板在沖擊波作用下產(chǎn)生變形,通過(guò)測(cè)量其撓度來(lái)對(duì)沖擊波壓力進(jìn)行度量,然后對(duì)該靶板進(jìn)行加熱,使其恢復(fù)原狀,從而達(dá)到可重復(fù)使用的目的,為克服現(xiàn)有塑性測(cè)壓法缺點(diǎn),提高測(cè)量穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性提供一種解決途徑。

1 形狀記憶合金靶板方案設(shè)計(jì)

1.1 材料的選擇

形狀記憶合金種類(lèi)眾多,其最基本的合金系在10種以上,將加入了適當(dāng)元素或者互相組合的合金都算在內(nèi),則有數(shù)百種,但是得到實(shí)際應(yīng)用的只有鈦基合金、銅基合金、鐵基合金。在所有種類(lèi)中,鎳鈦合金是發(fā)展最早、研究最全面的合金,具有形狀記憶特性好、金屬耐疲勞特性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[9]?？紤]到形狀記憶合金靶板在使用過(guò)程中需要重復(fù)使用,要求靶板材料形狀記憶特性好,循環(huán)壽命長(zhǎng),金屬耐疲勞特性強(qiáng),記憶處理方式簡(jiǎn)單,因此選用鎳鈦合金作為靶板材料。

鎳鈦合金中鎳和鈦的占比不同,其變形后恢復(fù)到原狀所需的溫度也不同。考慮到塑性測(cè)壓靶實(shí)際使用環(huán)境以及使用便捷性,選用了鎳鈦合金,密度為6.45 g/cm3,組成成分中鎳占比55.84%,其余為鈦,回復(fù)溫度為110 ℃,可通過(guò)火焰灼燒恢復(fù)變形。

1.2 尺寸的選定

靶板尺寸的選定是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的一步,尺寸的大小決定了塑性測(cè)壓靶的測(cè)試范圍。為了與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的尺寸相匹配,初步選定靶板的有效載荷直徑為30 mm。為了使鎳鈦合金靶板在沖擊波壓力下具有合適的變形響應(yīng),即變形后撓度不能過(guò)小,初步選擇了厚度分別為0.1、0.2、0.3 mm的3種規(guī)格的鎳鈦合金測(cè)壓靶,如圖2所示。

圖2 3種靶板

1.3 模態(tài)分析

沖擊波對(duì)塑性測(cè)壓靶的毀傷不僅與沖擊波壓力特性有關(guān),而且與塑性測(cè)壓靶的諧振周期有關(guān)。當(dāng)沖擊波正壓作用時(shí)間τ與目標(biāo)的諧振周期T滿足不同關(guān)系時(shí),目標(biāo)的毀傷準(zhǔn)則也不同[10]:τ≤0.25T時(shí),目標(biāo)的毀傷取決于沖擊波沖量,即沖量準(zhǔn)則;τ≥10T時(shí),目標(biāo)的毀傷取決于沖擊波峰值壓力,即超壓準(zhǔn)則;0.25T<τ<10T時(shí),超壓與沖量聯(lián)合對(duì)目標(biāo)進(jìn)行毀傷,即超壓-沖量準(zhǔn)則。對(duì)塑性測(cè)壓靶進(jìn)行模態(tài)分析,結(jié)合沖擊波自身特性,可以明確相應(yīng)塑性測(cè)壓靶在爆炸場(chǎng)中的適用范圍。

本文采用基于ANSYS的數(shù)值模擬方法對(duì)3種尺寸的測(cè)壓靶進(jìn)行模態(tài)分析。通過(guò)ANSYS本身的前處理器提供的建模功能直接對(duì)測(cè)壓靶進(jìn)行建模,建模過(guò)程包括定義單元類(lèi)型、定義單元實(shí)常數(shù)、定義材料特性、建立幾何模型和劃分網(wǎng)格等。模態(tài)分析必須定義材料的彈性模量和密度,本文采用的鎳鈦合金彈性模量E=83 GPa,密度ρ=6.45 g/cm3。建模完成后對(duì)測(cè)壓靶邊界施加約束,然后進(jìn)行模態(tài)分析,得到如圖3所示的一階振型。模態(tài)分析結(jié)果如表1所示。

表1 模態(tài)分析結(jié)果

圖3 一階振型

對(duì)于厚度不同的3種規(guī)格測(cè)壓靶,當(dāng)沖擊波正壓作用時(shí)間τ滿足表1中適用范圍時(shí),可以忽略脈寬對(duì)靶板變形的影響,此時(shí)塑性測(cè)壓靶的變形可直接反映沖擊波超壓幅值。

2 形狀記憶合金靶板力學(xué)特性分析

鎳鈦合金靶板在變形后可通過(guò)加熱回復(fù),可循環(huán)使用,但是根據(jù)鎳鈦合金循環(huán)變形行為的相關(guān)研究可以得到以下結(jié)論[11]:如圖4所示,鎳鈦合金每一次循環(huán)使用后,其力學(xué)性能都會(huì)不可避免的產(chǎn)生變化,首次循環(huán)使用和末次循環(huán)使用的相關(guān)力學(xué)參數(shù)有著明顯的不同。隨著循環(huán)次數(shù)的增加,鎳鈦合金的相關(guān)力學(xué)參數(shù)變化幅度越來(lái)越小,性能逐漸趨于穩(wěn)定。因此將鎳鈦合金塑性測(cè)壓靶用于實(shí)際測(cè)試之前,必須考慮如下問(wèn)題:鎳鈦合金靶板需要經(jīng)過(guò)多少次循環(huán)使用后才能夠穩(wěn)定下來(lái)?其力學(xué)性能能不能繼續(xù)穩(wěn)定保持下去?

圖4 循環(huán)變形下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

針對(duì)以上問(wèn)題,必須對(duì)鎳鈦合金靶板進(jìn)行多次的循環(huán)變形實(shí)驗(yàn),觀察鎳鈦合金力學(xué)性能的變化,驗(yàn)證其作為塑性測(cè)壓靶使用的可行性。相比于動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn),準(zhǔn)靜壓實(shí)驗(yàn)更加方便且快捷。

2.1 準(zhǔn)靜壓實(shí)驗(yàn)裝置

采用一種基于快開(kāi)閥原理的準(zhǔn)靜壓實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)靶板施加準(zhǔn)靜態(tài)均布載荷。該準(zhǔn)靜壓實(shí)驗(yàn)裝置主體部分膜片室如圖5所示,靶板通過(guò)上壓環(huán)和壓緊蓋壓緊固定,形成周邊固支約束。通過(guò)打開(kāi)底部的電磁閥開(kāi)關(guān),使得與之相連的高壓氣瓶里的氮?dú)獬淙氚邪鍤馐?從而給靶板施加均布載荷。其產(chǎn)生的階躍壓力上升時(shí)間為毫秒量級(jí),階躍壓力在0～3 MPa可調(diào)。

圖5 準(zhǔn)靜壓實(shí)驗(yàn)裝置膜片室

2.2 形狀記憶合金靶板變形穩(wěn)定性分析

相同載荷的循環(huán)加載下,鎳鈦合金靶板變形回復(fù)后殘余變形的變化能夠體現(xiàn)其力學(xué)性能的變化。為驗(yàn)證鎳鈦合金的變形穩(wěn)定性,實(shí)驗(yàn)過(guò)程為:輪流對(duì)3種靶板施加2 MPa的準(zhǔn)靜態(tài)均布載荷,記錄其殘余變形,實(shí)驗(yàn)次數(shù)均為20次,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 殘余變形變化曲線

從圖6可以看出,3種靶板的殘余變形的變化趨勢(shì)基本相同:在1～7次循環(huán)內(nèi),殘余變形急劇增加;在7～9次循環(huán)內(nèi),殘余變形增加速度變緩;在9次循環(huán)之后,殘余變形雖然還有變化,但是變化幅值最大時(shí)只占?xì)堄嘧冃蔚?%,可以忽略不計(jì)。因此,可以得到結(jié)論:3種靶板在9次循環(huán)加載后,殘余變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),鎳鈦合金本身力學(xué)性能也達(dá)到穩(wěn)定,具備作為塑性測(cè)壓靶使用的可行性。

厚度分別為0.1、0.2、0.3 mm的3種規(guī)格鎳鈦合金靶板穩(wěn)定后的殘余變形分別為1.65、1.01、0.94 mm,在2 MPa壓力作用下的撓度分別為4.58、3.75、3.23 mm。而在選擇最適合用于沖擊波測(cè)壓的靶板時(shí),主要從敏感性和適用范圍兩方面考慮,其中敏感性是指靶板在載荷作用下發(fā)生變形響應(yīng)的程度大小,如果敏感性太差,變形撓度太小,會(huì)影響靶板測(cè)量精度。3種規(guī)格靶板中,0.1 mm的靶板敏感性最好,0.2 mm的次之,但是從表1分析結(jié)果看,0.1 mm的靶板只適用于測(cè)量正壓作用時(shí)間大于12 ms的沖擊波。姬建榮[12]對(duì)不同當(dāng)量TNT爆炸下的沖擊波數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理,發(fā)現(xiàn)對(duì)于8、20、60和100 kg TNT當(dāng)量,只有對(duì)比距離分別大于16、9、5、4時(shí),其正壓作用時(shí)間大于12 ms。由此可知,0.1mm的靶板適用范圍較小。綜合考慮之下,選擇厚度為0.2 mm的靶板作為塑性測(cè)壓靶最合適。

2.3 形狀記憶合金靶板變形重復(fù)性分析

選定合適靶板后,需要驗(yàn)證該靶板在相同載荷下變形的重復(fù)性。實(shí)驗(yàn)過(guò)程為:對(duì)厚度為0.2 mm的靶板分別施加1.2、1.4、1.6、1.8 MPa的載荷,記錄其撓度(當(dāng)次實(shí)驗(yàn)后測(cè)到的最大撓度減去實(shí)驗(yàn)前測(cè)到的殘余變形),每種載荷加載次數(shù)為4次。

其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 重復(fù)載荷下?lián)隙茸兓?/p>

將表2中數(shù)據(jù)放入同一坐標(biāo)系,如圖7所示,可以看出該靶板在同一壓力下的變形撓度相差較小,在1.8 MPa壓力下?lián)隙日`差最大,且最大誤差為2.3%。該誤差對(duì)于塑性測(cè)壓靶而言是足夠小的,可以說(shuō)明鎳鈦合金靶板在相同載荷下的變形響應(yīng)具備較好的重復(fù)性。

圖7 重復(fù)載荷下變形結(jié)果

另外,該鎳鈦合金靶板剛達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的殘余變形為1.01 mm,經(jīng)過(guò)10次的穩(wěn)定性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和16次的重復(fù)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)后,最終的殘余變形為1.07 mm,兩者相差很小。因此可以認(rèn)為,該靶板在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,至少可以重復(fù)使用26次。

3 形狀記憶合金靶板標(biāo)定

將塑性測(cè)壓靶應(yīng)用于實(shí)際沖擊波測(cè)試的前提是明確其輸入載荷與輸出結(jié)果之間的關(guān)系,能夠通過(guò)其變形撓度推算出沖擊波壓力。因此,需要對(duì)鎳鈦合金靶板進(jìn)行標(biāo)定,建立沖擊撓度模型。

3.1 標(biāo)定過(guò)程

鎳鈦合金靶板的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)在激波管上進(jìn)行,其實(shí)驗(yàn)示意圖如圖8所示。使用前,在激波管左端加上鋁夾片,用螺釘固定,在激波管右端裝上鎳鈦合金靶板(通過(guò)循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)后力學(xué)性能已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)),同時(shí)在靶板附近安裝壓力傳感器監(jiān)測(cè)端面反射壓力,由于激波管反射端面完全封閉,忽略鋁箔變形對(duì)壓力測(cè)試影響,則所測(cè)壓力即為作用于薄膜之上的載荷。使用時(shí),打開(kāi)氣瓶出氣口,氣瓶?jī)?nèi)的氮?dú)鈱?dǎo)致激波管高壓段氣壓不斷上升。氣壓上升至一定程度時(shí),鋁夾片破裂,產(chǎn)生一個(gè)向右的激波,同時(shí)作用于靶板和壓力傳感器。由于氣瓶氣壓有限,該激波管只能產(chǎn)生壓力在2 MPa以下的激波。

圖8 標(biāo)定系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的壓力傳感器為美國(guó)PCB 113B26型ICP傳感器,量程為3.45 MPa,線性小于1%FS,諧振頻率大于500 kHz,上升時(shí)間小于1 μs。數(shù)據(jù)采集儀采樣率設(shè)為2 MHz,采樣長(zhǎng)度為1 s。

3.2 標(biāo)定結(jié)果分析

通過(guò)調(diào)整激波管前端鋁夾片的厚度來(lái)調(diào)整激波壓力大小,并記錄鎳鈦合金靶板的撓度以及對(duì)應(yīng)的激波壓力大小,從而得到靶板撓度與壓力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 標(biāo)定數(shù)據(jù)

靶板撓度與壓力的關(guān)系如圖9所示,對(duì)其進(jìn)行擬合,擬合方程為:

圖9 靶板撓度-壓力關(guān)系

P=0.9-0.72W+0.19W2

式中:W為靶板撓度;P為激波壓力。

圖9中,撓度與壓力之間的擬合系數(shù)為0.995,曲線吻合關(guān)系較好,說(shuō)明可以通過(guò)該鎳鈦合金塑性測(cè)壓靶對(duì)0.14～1.3 MPa范圍內(nèi)的反射壓進(jìn)行測(cè)量。

4 結(jié)論

1) 直徑為30 mm,3種不同厚度的鎳鈦合金靶板中,0.2 mm厚度的靶板作為塑性測(cè)壓靶最為合適,適用于正壓作用時(shí)間大于5 ms的沖擊波測(cè)試;

2) 該鎳鈦合金靶板在進(jìn)行至少9次的循環(huán)訓(xùn)練后可以獲得穩(wěn)定的力學(xué)性能,變形重復(fù)性良好,可以作為塑性測(cè)壓靶重復(fù)使用,克服了現(xiàn)有塑性測(cè)壓靶由于一次性使用帶來(lái)的一致性差的缺點(diǎn);

3) 該鎳鈦合金塑性測(cè)壓靶可以用于0.14 ～1.3 MPa反射壓的測(cè)量。