聚能切割分离铝平板的仿真与试验研究_王威.pdf

第 44 卷第 4 期兵 器 装 备 工 程 学 报2023 年 4月收稿日期:2022 07 24;修回日期:2022 08 18基金项目:国家自然科学基金项目(11302106)作者简介:王威(1998)，男，E-mail:18710936978163 com。通信作者:赵铮(1979)，男，博士，副教授，E-mail:zhaozheng126 com。doi:1011809/bqzbgcxb202304005聚能切割分离铝平板的仿真与试验研究王威，赵铮(南京理工大学 能源与动力工程学院，南京210094)摘要:为了研究切割时切割索对平板的分离能力，对线性聚能切割索切割分离平板过程进行了研究，采用数值仿真的方法得到了平板分离速度，通过此模型分析了无压板与平板预切割 2 种情况下平板的分离速度，结果表明压板能够限制爆轰产物泄露从而提高平板的分离速度，而预切割平板的射流切割过程对平板的分离影响较小。同时进行了切割分离平板的试验，验证了聚能切割索的切割与驱动平板的分离能力，仿真结果与试验结果吻合。研究结果可为切割分离装置相关设计提供参考。关键词:聚能切割索;爆轰驱动;LS-DYNA本文引用格式:王威，赵铮 聚能切割分离铝平板的仿真与试验研究 J 兵器装备工程学报，2023，44(4):28 32Citation format:WANG Wei，ZHAO Zheng Numerical simulation and experimental research of shaped energy cutting andseparating aluminum plates J Journal of Ordnance Equipment Engineering，2023，44(4):28 32中图分类号:O389;TJ55文献标识码:A文章编号:2096 2304(2023)04 0028 05Numerical simulation and experimental research of shapedenergy cutting and separating aluminum platesWANG Wei，ZHAO Zheng(School of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)Abstract:In order to study the separation ability of the cutting cable to a plate during cutting，this paperstudies the process of cutting and separating plates of the linear shaped energy cutting cable，and obtainsthe separation speed of the plate through numerical simulation The model is used to analyze the separationvelocity of the plate under the two conditions of cutting without a pressure plate and pre-cutting a plateThe results show that the pressure plate can limit the leakage of detonation products and improve theseparation speed of the plate，while the jet cutting process of the pre-cut plate has little influence on theseparation of the plate At the same time，the experiment of cutting and separating the plates is carried outto verify the cutting ability of the shaped cutting cable and the separation ability of the driving plate Thesimulation results are consistent with the experimental results The research results can provide referencefor the design of cutting and separation devicesKey words:shaped energy cutting cable;detonation drive;LS-DYNA0引言火工分离装置因其结构简单，作用可靠的优点目前广泛用于完成运载器或导弹之间的有效载荷分离与级间分离等功能1 2。聚能切割索作为一种带有聚能槽的索类火工品能够通过爆轰能量产生高密度、高速度的金属射流，该射流会沿着聚能槽轴线向外射出，形成聚能效应从而实现对平板的切割与分离3。相较于传统切割方法，聚能切割的高效、同步性高与可靠等优点较为突出，因此在军民领域的应用逐渐增加，如管道切割、飞机弹射救生通道清理及运载器头罩分离等。目前有关聚能切割的相关研究大部分集中在材料的破坏特性与射流的侵彻能力方面，何志杰等4 采用数值模拟的方法研究了碳纤维增强复合材料在聚能射流下的断裂机理，得到了层合板在射流作用下的端口损伤、加速度响应和能量变化情况;谢星博等5 对线型聚能切割器在水下切割钢板的性能进行了数值模拟研究，得到了水介质会阻碍射流形成严重影响切割性能的结论;罗震等6 研究了利用线型铅管聚能切割索实现运载器铝头罩分瓣分离的设计方案，得到了头罩分离体的运动方程;陈锋等7 通过试验对切割索对接结构和三通传爆管的节点传爆性能和射流分布进行了分析，结果表明三通传爆管射流连续性优于切割索对接结构。本文利用动力学仿真软件 LS-DYNA 对线性聚能切割索切割分离带配重平板过程进行了仿真，得到了平板切割后的横向分离速度曲线与平板上方 200 mm 处的超压曲线，仿真结果与试验结果相符合，同时分析了无压板与平板预切割对于驱动平板能力的影响，为聚能切割索切割分离平板提供了方法与思路。1切割分离仿真1 1有限元仿真模型采用动力学仿真软件 ANSYS/LS-DYNA 对本文中的切割分离平板建立有限元模型，平板整体模型如图 1 所示。靶板宽为 300 mm，整体厚度为 21 mm，切割厚度为 7 mm，配重板宽为 100 mm，厚度为 10 mm，压板长宽为 30 mm，厚度为10 mm，受限于计算能力，本文中所建立的有限元模型为单层实体，总网格数为 171 952。1 左配重板;2 压板;3 右配重板;4 靶板;5 切割索图 1平板整体模型Fig 1 Integral model of target plate通过 HyperMesh 进行网格划分得到局部有限元网格模型如图 2 所示(未显示空气域)。平板、压板与配重板采用Lagrange 实体网格，炸药、药型罩与空气域采用 ALE 网格。压板左侧与平板自由搭接，压板右侧与平板通过螺纹连接。仿真模型中通过接触模拟自由搭接，压板右侧与平板通过共节点模拟螺纹连接。在划分网格时，需要对切割槽附近的流体与固体网格进行加密，同时由于本文中的仿真需要采用流固耦合的方法，为了避免计算出现渗漏现象，应尽量满足网格的连续性以保持数值解的稳定性8。图 2局部有限元网格模型Fig 2 Local finite element mesh model1 2材料模型本文中所涉及到的材料有炸药黑索今、铅锑合金药型罩、铝平板、钢配重板与空气。在 LS-DYNA 中，对于常用的炸药如黑索今、泰安等通常选取高能炸药模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BUN 来定义，该模型通过下式确定某一时刻炸药材料单元上的力:P=FPeos(，E)式中:F 为炸药反应的部分;为比体积;E 为每单位初始体积的内能。因此该模型需要一个状态方程来求解，本文中所选用的状态方程为 JWL 方程，此方程能够体现在爆炸驱动过程中的爆轰产物的压力、体积与能量特征:Peos(v，E)=A 1 W1()vexp(1v)+B 1 W2()vexp(2v)+WEv本文中炸药的材料参数如表 1 所示。平板材料与配重板材料采用 Johnson-Cook 模型与 Gruneisen 状态方程共同描述，此模型适用于大应变率的情况。表 2 为平板、压板与配重板的材料参数。铅锑合金药型罩选取 LS-DYNA 中的材料模型*MAT_ELASTIC 描述，这种线弹性材料具有各向同性的特点，其密度为 11 35 g/cm3，杨氏模量为 1 7 GPa，泊松比为 0 42。空气域的材料模型为*MAT_NULL，其与 Gruneisen 状态方程共同定义。92王威，等:聚能切割分离铝平板的仿真与试验研究表 1炸药的材料模型参数Table 1 Material model parameters of explosives/(gcm3)D/(ms1)PCJ/GPaA/GPa1 68 31028850B/GPa12E0/GPa184 61 30 380 1表 2平板、压板与配重板的材料模型参数Table 2 Material model parameters of flat plate，pressure plateand counterweight plate材料/(g cm3)G/GPaA/MPaB/MPaCn铝2 77252952600 000 9 1 65钢7 852038425280 024 0 5871 3仿真结果分析提取右侧平板的 x 轴速度时间数据，得到的平板分离速度曲线如图3 所示。在150 s 内，平板横向分离速度的最大值达到 8 32 m/s，由于压板结构的非对称性导致分离期间压板与左侧平板干涉，因此分离速度在 53 s 处大幅下降，但随后又在爆轰产物的驱动下加速，最终达到峰值。图 3平板分离速度曲线Fig 3 Curve of target plate separation velocity提取平板上方 200 mm 处超压，得到的曲线如图 4 所示。得到的平板上方 200 mm 处超压峰值为 0 032 MPa，与试验中测得超压 0 031 MPa 一致。结合分离速度与超压曲线分析，起爆后在爆轰产物的驱动下平板速度逐渐增大，分离速度在 53 s 处由于干涉大幅下降，此时 200 mm 处冲击波超压达到峰值。此后平板速度持续上升，超压则大幅下降趋于小幅震荡状态。1 4无压板时平板的分离由于爆轰驱动下平板的分离会与压板产生干涉，因此有必要研究压板对平板分离速度的影响。基于以上数值仿真，对无压板的有限元模型进行计算，得到无压板情况下平板的分离速度曲线，分离速度的峰值为 5 2 m/s。如图 5 的无压板时的局部压力云图所示，由于没有压板的存在，部分爆轰产物从上方泄露而未驱动平板做功。高温高压的爆轰产物泄露导致平板的分离速度相较于有压板时下降了约 30%。图 4平板上方 200 mm 处超压曲线Fig 4 Overpressure curve at 200 mm above target plate图 5无压板时的局部压力云图Fig 5 Local pressure cloud image without pressure plate射流切割过程可能会影响平板的分离速度，预先将平板切割槽下部材料去除，模拟平板预切割的情况，消除射流切割过程的影响。最终得到无压板且平板预切割条件下的分离速度峰值为 4 85 m/s。上述 2 种情况得到的无压板与预切割情况下平板的分离速度曲线如图 6 所示。可知在无压板的条件下，聚能射流在短的时间内将平板侵彻使其断裂，射流切割过程对平板的分离速度影响较小。2切割分离试验本次切割分离平板的试验装置图如图 7 所示。平板中部设有外壳为铅锑合金的线性聚能切割索，装药为黑索金，装药密度约为 8 5 g/m。铝制压板与 2 块各重 2 34 kg 的钢制配重板通过螺栓与平板进行连接。切割索端部上方压板的打孔处为电爆管的起爆位置。试验时，待切割分离平板倒置于试验架上，靶板中部距离试验架两侧距离为 300 mm，试03兵 器 装 备 工 程 学 报http:/bzxb cqut edu cn/验架中部开口，距压板下方 200 mm 处安装有压电式超压传感器，其中传感器量程为 2 MPa，传感器的灵敏度为 2 500mv/MPa。图 6无压板与预切割情况下平板的分离速度曲线Fig 6 Curve of the separation velocity of the target plateunder the condition of unpressed plate and pre-separation图 7试验装置图Fig 7 Picture of test device整个试验过程通过高速录像全程记录，高速录像帧频设置为 1 000 fps，拍摄时采用后触发的触发方式，最多可录制 5s 的视频内容。通过视频后处理软件将原视频按每帧截取为图片，则得到的每张图片间隔为 1 ms。最终得到平板分离运动轨迹，结合已知的几何尺寸计算即可得到平板分离的速度。截取后得到的平板分离过程图如图 8 所示，通过图片可以看到，起爆后 40 ms 时平板向两侧各分离 300 mm，可以得到平板的平均分离速度约为 7 5 m/s。数值模拟得到的分离速度峰值 8 32m/s 与试验测得的平均分离速度之间差异在10%以内，符合工程实际需求。试验所得压板下方 200 mm 处的超压曲线如图 9 所示。测得的超压峰值为 0 031 MPa，与仿真计算得到的超压峰值0 032 MPa 一致。通过上述数值模拟与试验结果对比可知，本文中有限元模型的精度能够满足需求，可以用于线性聚能切割索切割分离平板的数值仿真。图 8平板分离过程图Fig 8 Diagram of plate separation process图 9压板 200 mm 处超压曲线Fig 9 Overpressure curve at 200 mm of the pressure plate3结论通过线性聚能切割索切割分离平板的数值仿真与试验结果分析，得到如下结论:1)切割分离过程中平板分离速度和冲击波超压的数值仿真与试验结果基本一致，表明仿真模型的精确度较高，可开展聚能切割分离平板的仿真研究。2)在切割分离过程中，压板能够限制爆轰产物的泄露从而提高平板的分离速度。无压板时平板的分离速度相较于有压板时下降了约 30%，平板射流切割过程对平板的分离影响较小。参考文献:1 高滨 火工驱动分离装置的应用 J 航天返回与遥感，2004(1):55 59GAO Bin Application of pyroelectric drive separation de-vice J Spacecraft ecovery emote Sensing，2004(1):13王威，等:聚能切割分离铝平板的仿真与试验研究55 59 2 何春全，严楠，叶耀坤 导弹级间火工分离装置综述 J 航天返回与遥感，2009，30(3):70 77HE Chunquan，YAN Nan，YE Yaokun Study of stage sepa-ration device for missile J Spacecraft ecovery emoteSensing，2009，30(3):70 77 3 成伟，杜成光，李家家 聚能切割索切割平板的数值仿真系统 J 火工品，2010(1):18 20CHENG Wei，DU Chengguang，LI Jiajia Numerical simula-tion system of shaped sharge cutting cable cutting plate J Initiators and Pyrotechnics，2010(1):18 20 4 何志杰，王猛，赵康 聚能切割碳纤维增强复合材料层合板的研究 J 火工品，2021(3):20 23HE Zhijie，WANG Meng，ZHAO Kang Study on shaped cut-ting carbon fiber reinforced composite laminates J Initia-tors and 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8 韩梦妍，黄炎焱 面向装甲类目标的火力打击方案毁伤评估方法 J 火力与指挥控制，2022，47(9):66 72HAN Mengyan，HUANG Yanyan A method for damage e-valuation of fire attack schemes for armored targets J FireControl Command Control，2022，47(9):66 72 9 黄正祥 聚能装药理论与实践 M 北京:北京理工大学出版社，2014:311 316HUANG Zhengxiang Theory and practice of shaped charge M Beijing:Beijing Institute of Technology Press，2014:311 316 10 胡昌明，贺红亮，胡时胜 45#钢的动态力学性能研究 J 爆炸与冲击，2003(2):188 192HU Changmign，HE Hongliang，HU Shisheng A study ondynamic mechancial behaviors of 45#steelJ Explosionand Shock Waves，2003(2):188 19科学编辑杨继森 博士(重庆理工大学教授)责任编辑胡君德23兵 器 装 备 工 程 学 报http:/bzxb cqut edu cn/