针刺式无污染型爆炸螺栓分离特性及机理研究.pdf

火工品2023年0 8 月INITIATORS&PYROTECHNICS文章编号：10 0 3-148 0（2 0 2 3）0 4-0 0 0 1-0 62023年第4期针刺式无污染型爆炸螺栓分离特性及机理研究蒋文灿，梁斌，卢永刚（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳，6 2 1999）摘要：为了研究针刺式无污染型爆炸螺栓分离特性及机理，采用LS-DYNA软件的ALE流固耦合算法对爆炸螺栓在不同装药量下的分离机理和分离特性开展数值模拟研究，并通过试验对爆炸螺栓分离性能进行验证。数值模拟计算结果表明，在延期雷管端面设计更大直径的装药能够增加爆炸压力波作用在剪切块上的时间，同时增大爆轰产物气体膨胀与分离结构的有效作用面积，提高爆炸螺栓的分离能力；爆炸螺栓分离速度随着装药量增加先增大后减小，当装药量超过极限装药量时，爆轰波将导致内部结构破坏，产生多余的破片和气体泄漏。验证试验表明0.2 51g装药量的爆炸螺栓能够可靠分离，满足设计要求，分离后的最大径向尺寸与数值模拟计算结果最大误差不超过3%。关键词：爆炸螺栓；无污染；分离特性；机理；针刺中图分类号：TJ45+9Investigation on the Separation Characteristics and Mechanism of Stab Non-contamination Explosive Bolts(Institute of Systems Engineering,China Academy of Engineering Physics,Mianyang,621999)Abstract:In order to study the separation characteristics and mechanism of stab non-contamination explosive bolts,theArbitrary Lagrangian Eulerian(ALE)fluid structure coupling algorithm of LS-DYNA software was used to study the separationmechanism and separation characteristics of explosive bolts with different charge masses,and the tests were carried out to verifythe separation property of explosive bolts.The numerical simulation results show that designing a larger diameter charge to theend face of the delay detonator can increase the time of the explosion pressure wave acting on the shear block,meanwhile,increase the effective area of the detonation product gas expansion and the separation structure,which can improve the separationability of the explosive bolt.The separation speed of the explosive bolt increases first and then decreases with the increase of thecharge mass.When the charge mass exceeds the limit,the detonation wave lead to the destruction of the explosive bolt,whichresult in redundant fragments and gas leakage.The verification test show that the explosive bolt with 0.251g charge mass canrealize the separation reliably and meets the design requirement,the maximum error between the maximum radial size of theexplosive bolt after separation and the numerical simulation calculation result is not more than 3%.Key words:Explosive bolts;Non-contamination;Separation characteristics;Mechanism;Stab文献标识码：AD0I:10.3969/j.issn.1003-1480.2023.04.001JIANG Wen-can,LIANG Bin,LU Yong-gang无污染型爆炸螺栓是一种广泛应用于航天器、卫星以及弹药武器系统执行分离任务的火工分离装置。无污染型爆炸螺栓主要依靠剪切销或者剪切块对结构的薄弱环节进行剪切作用，或者通过爆炸直接对削收稿日期：2 0 2 3-0 1-16作者简介：蒋文灿（1990-），男，在读博士研究生，从事爆炸螺栓研究。通讯作者：卢永刚（197 3-），男，研究员，从事战斗部毁伤技术研究。基金项目：国家自然科学基金（No.11672278）弱槽作用，采用电点火方式完成装药起爆或燃烧。还有一种是在结构中设计钢珠或者楔形块，通过电起爆装药或者火药燃烧推动滑块运动，释放楔形块完成分离。这2 种方式均可以实现螺栓分离后对外无污染。2李燕华等1设计了无污染型剪切销式爆炸螺栓，并对有预紧力、无预紧力、无活塞剪切和仅火药燃烧4种不同状态的爆炸螺栓冲击来源进行了辩识，对多种状态进行了谱分析。王军评等2 对点式火工分离装置冲击载荷作用机制进行了定量分析，分析发现近场区域内爆炸冲击响应占主导地位，而远场区域内撞击相应幅值远高于爆炸和应变能释放机制。刘怀亮等3 采用LS-DYNA分析了星箭连接装置中典型的无污染爆炸螺栓断裂过程，分析发现在切口断裂处裂纹扩展过程蒋文灿等：针刺式无污染型爆炸螺栓分离特性及机理研究2023年第4期期雷管直径4.5mm，根据初始受力（不小于2 0 kN）设计装药直径为11mm，通过调整装药高度调整药量。压力泄放区为装药起爆后，由于击针反向运动将导致爆轰产物压力迅速衰减，这也增加了针刺式爆炸螺栓的设计难度，需要通过数值模拟进一步分析。冲击面卡销密封圈击针火帽支架延期雷管装药壳体STX9IW是剪切断裂和拉伸断裂共同作用的结果，切口处的断裂由局部断裂应变控制。针刺式无污染型爆炸螺栓依靠外部对击针的冲击完成发火和螺栓分离任务，可用作冲击环境下机构的释放。与电起爆方式不同的是针刺式爆炸螺栓起爆后爆炸波作用在剪切块时，剪切块会受到来自击针处稀疏波的作用，而炸药膨胀推动击针的反向运动将使炸药内部爆炸压力迅速衰减，导致剪切块不能成功实现剪切功能。因此，要在螺栓小体积、低分离冲量下实现针刺式爆炸螺栓分离后无污染，相比电起爆式无污染爆炸螺栓设计更加困难，并且爆炸螺栓的分离过程和分离机理可能不同，而目前关于针刺式爆炸螺栓缺乏相关报道。因此，本文结合数值模拟计算和试验开展不同装药量下针刺式无污染型爆炸螺栓的分离特性及机理研究，通过试验对设计结构进行验证，为针刺式无污染型爆炸螺栓设计提供参考。1爆炸螺栓设计本研究采用针刺火帽和延期雷管完成点火与延期功能，设计剪切块实现爆炸螺栓结构分离。工作原理为：当外部结构冲击击针端面后，击针运动并刺激火帽，火帽引爆延期雷管和装药，装药爆炸推动剪切块运动，剪切块沿剪切面剪断壳体，实现结构分离。在爆炸作用完成后，壳体分离成两个部分，壳体头部与外部通过螺纹连接固定，另外部分以低冲量沿轴向反向运动并与头部实现分离，因此爆炸螺栓在分离后并不会产生多余碎片，爆炸螺栓设计示意图见图1。设计爆炸螺栓头部直径2 0 mm，总长7 2 mm。延单位：mm72压力泄放区图1爆炸螺栓设计Fig.1 The design of the explosive bolts2楼数值模拟计算模型数值模拟计算采用LS-DYNA非线性动力学软件。对结构进行简化，延期雷管用塑料和炸药替代，底座与壳体共节点处理，底座端面采用固定方式约束，采用二维轴对称结构进行数值模拟计算。壳体、击针、剪切块以及底座采用拉格朗日网格，装药和塑料采用多物质ALE算法,整个ALE网格置于空气中，数值模拟计算网格尺寸为0.0 5mm，数值模拟计算模型见图2。壳体击针塑料起爆点装药剪切块共节点底座固定约束面图2 数值模拟计算模型Fig.2 Numerical simulation model壳体和剪切块采用30 CrMnSiA材料，装药采用JH-2炸药（包括装药和延期雷管装药），击针采用45钢材料，底座采用铝材料。材料模型及参数如表1 5所示。表1装药材料模型及参数3Tab.1 Charge material model and parametersMAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL状态方程plg cm)LD(m s-l)1.6958425R21.35剪切块剪切面Pc/GPaA/GPa29.5854.5Eo/GPaVo0.258.5B/GPa20.4931.0Ri4.62023 年0 8 月表2 剪切块和壳体材料模型及参数4Tab.2Material model and parameters of shear block and shell剪切块MAT_PLASTIC_KINEMATIC参数P材料g:EPRSIGY/GPa/GPacm3)30CrMnSiA7.9壳体MAT_PLASTIC_KINEMATIC参数材料g:PEPRSIGYGPaETANC/s-1/GPa/GPacm)30CrMnSiA7.9表3底座材料模型及参数5-6 Tab.3Base material model and parametersJOHNSON-COOK参数GA材料/GPa/MPa/MPaA128.0P(gcm)2.704Tab.4Stab material model and parametersJOHNSON-COOK参数GA材料/GPa45钢81.9P(gcm)7.8Tab.5Plastic material model and parametersMAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO材料p/g cm)塑料1.196EOS_GRUEISEN状态方程Co/(ms-)Si19333.49表6 空气材料模型及参数9Tab.6Air material model and parametersMATNULLp/gcm)Pc0.001 225-1.0010-10CCs1.01 1060.43数值模拟计算结果及讨论3.1爆炸螺栓分离机理及特性数值模拟首先分析在装药直径为11.0 mm、高度为1.2 mm时（即装药量0.193g）爆炸螺栓分离过程，如图3所示。分析图3发现，爆轰波在0.8 s到达剪切块端面，并在轴线区域形成了很高的压力。1.1s时在区域A出现了较高的压力,但比0.8 s时压力更低。分析1.5s和1.7 s剪切块端面附近压力分布发现，在区域B、火工品区域C远离对称轴线处，由于压力波的叠加作用，压力比对称轴线附近的压力高，且持续时间更长。9.7 sETANBCPFS/GPa/s-12100.272100.27B324114EOS_GRUEISEN状态方程CoS/(m s-l)/(m s-l)52401.40表4击针材料模型及参数7 BC/MPa/MPa507320EOS_GRUEISEN状态方程CoSI/(m s)4530表5塑料材料模型及参数8 G/GPaoy/MPa2.450S2S3-8.29.63时在D处壳体受到爆轰波和剪切块作用发生剪切变形，16.6 s时在剪切面处出现单元变形失效（E点），1.1391.621.1391.62Cmn0.0021.340.42C/(GPa K-)8850.0641.06C./(GPa K-)1.494690.50.540050.3TroomTmelt/K/K3009001.97TromTmeltn/K0.2830017951.23201.0MU2.0 10-8C60.440051.0PFS/K壳体开始断裂，表明结构发生剪切时间在爆炸冲击波之后，即壳体发生的剪切失效是爆炸冲击波和爆轰产物膨胀共同作用。在38.5s时壳体发生完全剪切断裂，并在156.7 us壳体完全分离。通过以上分析发现，爆轰波和爆轰产物膨胀联合作用使剪切块沿剪切面剪断爆炸螺栓，爆炸螺栓结构分离。另外，在壳体被剪断后整个结构并没有其它多余的碎片飞出，因此本设计结构能够满足无污染型爆炸螺栓要求。(a)0.5us(b)0.8usA(c)R(d)1.5us(e)1.7 us图3爆炸螺栓分离过程数值模拟分析结果Fig.3 Numerical simulation analysis results of explosive boltseparation process炸药中压力随时间变化曲线如图4所示，其中A1为槽内压力随时间变化曲线；B1为轴线处靠近剪切块压力随时间变化曲线。B1、A 1(a）采样点0.250.200.150.100.0500图4采样点压力随时间变化曲线Fig.4 Numerical simulation analysis results of explosive boltseparationprocess分析发现，B1处的压力峰值较A1处的更高，且压力峰值更早到达，但在1.1 2.8 s之间时，A1处的压力高于B1，说明压力在槽内发射和叠加，使其对剪切块的作用时间相比轴线附近的时间更长。而对称(f)2.5 us(g)9.7(h)16.6us(i)38.5 us(j)156.7 s二创510t/us（b）压力曲线15204轴线附近的压力（B1）由于受到了来自塑料的稀疏波作用，相比A1压力衰减更快。剪切块、分离的壳体以及击针的速度曲线如图5所示。由图5可见，剪切块在2 s时形成了很高的轴向速度，最大速度达到145m/s，但很快速度下降，主要原因为初始爆轰波在对称轴附近形成了很高的压力并推动剪切块运动，但由于作用时间较短，很快剪切块速度下降，并在随后的炸药膨胀过程中运动并剪切壳体。分析发现，最终剪切块、壳体和击针形成稳定且相近的速度，稳定后速度为36.8 m/s。击针壳体剪切块(a)分离前150r10050s.w)/0-50-1000图5采样点速度随时间变化曲线Fig.5 The velocity of the sampling point根据最终分离的结构速度和质量计算炸药作用在结构上的冲量，根据冲量定理：Ft=MMni-1式（1）中：F为爆炸作用力；t为炸药作用时间；Mi为分离的第i个结构的质量；vi为分离的第i个结构的速度。根据分离结构最终速度，计算得到炸药作用在爆炸螺栓上的冲量为6.4NS。3.2装药量对爆炸螺栓分离特性的影响采用数值模拟计算研究不同装药量对爆炸螺栓分离过程的影响。由于初始状态结构受到较高的轴向拉力（超过30 kN），因此炸药的径向尺寸受到限制，固定装药直径为11.0 mm（经计算满足结构抗拉强度要求），通过调整炸药高度来获得不同的装药量。首先分析只有雷管装药时，即没有直径11.0 mm装药时的爆炸螺栓分离过程，如图6 所示。分析图6发现，在0.6 s时爆轰波到达剪切块端面并推动剪切块运动，在1.8 s时，爆轰波受到剪切块端面作用发蒋文灿等：针刺式无污染型爆炸螺栓分离特性及机理研究(a)0.6 s(b)1.8 s(c)5.8 s(d)379.0 s图6 装药直径11.0 mm、装药高度0 mm时爆炸螺栓的分离过程(b)分离后Fig.6 Separation process of explosive bolt with diameter of11.0 mm and the height of 0 mm charge剪切块壳体击针100200.300400t/us(c)速度曲线2023 年第 4 期生反射，并在5.8 us时反向推动击针运动；在37 9.0 s时爆炸螺栓没有分离，剪切块并没有使剪切面发生剪切效应。为了进一步分析增大装药直径对于爆炸螺栓分离的影响,在剪切块中设计直径4.5mm、高度2.5mm的装药进行对比，即将雷管端面直接插人剪切块中2.5mm，安装方式为只安装雷管而不在剪切块中安装500更大直径的装药，分离过程如图7 所示。(a)1.0 s(b)2.0 s(1)(c)6.0 s(d)222.0 s图7 装药直径4.0 mm、装药高度2.5mm时爆炸螺栓的分离过程Fig.7 Separation process of explosive bolt with diameter of4.0 mm and height of 2.5mm charge分析图7 发现，装药起爆后，同样出现了侧向没有压力波叠加以及击针运动导致爆轰产物压力迅速衰减的情况，最终剪切块并没有沿剪切面剪断壳体。进一步增大装药直径，剪切块上设计直径11.0 mm、装药高度为0.5mm的装药时（装药量0.0 8 1g），爆炸螺栓分离过程如图8 所示。分析图8 可知爆炸螺栓出现了分离，表明在剪切块里设计更大直径的装药，能够使侧面的冲击波压力反射和叠加，进而增加爆轰压力作用时间，并且直径更大的装药能够增大爆轰产物膨胀时与壳体的接触面，使壳体端面受到的剪切力更2023年0 8 月大，更容易实现螺栓分离。(a)57.0 s火工品装药量。采用4阶函数对装药量和螺栓轴向速度关系进行拟合，得到如下关系：v=1.296+418.227Q-1718.821Q+2995.188Q3-1934.653Q450Q0.564g（2)4爆炸螺栓分离试验(b)182.0 s图8 装药直径11.0 mm、装药高度0.5mm时爆炸螺栓的分离过程Fig.8 Separation process of explosive bolts with diameter of11.0 mm and height of 0.5 mm charge当装药量再一步增加，装药高度变为4mm时（装药量0.6 44g），爆炸螺栓分离过程如图9所示。分析图9发现虽然爆炸螺栓能够分离，但在17 3.0 us时剪切块发生断裂，分离过程产生了多余的破片，不能实现爆炸螺栓分离后无污染功能。(a)55.0s(b)99.0 s 断裂(c)173.0 s图9装药直径11.0 mm、装药高度4mm时爆炸螺栓的分离过程Fig.9 Separation process of explosion bolt with diameter of11.0 mm and the height of 4mm charge不同装药量下螺栓分离的稳定速度如图10 所示。383634(-s.w)/323028262400.10.20.3 0.4 0.50.6Q/g图10 爆炸螺栓沿Y轴分离速度随装药量变化Fig.10The separation speed of explosive bolt along Y-axisvaries with the charge mass分析图10 发现，装药量Q为0 0.56 4g时，爆炸螺栓的稳定分离速度随装药量增加迅速增大，并在0.251g时达到最大稳定分离速度（37.7 m/s）；而当装药量进一步增加时，稳定分离速度随着装药量增加而缓慢减小。因此，爆炸螺栓的分离稳定速度存在最佳4.1试验原理为使爆炸螺栓分离时不产生多余碎片和气体泄漏且达到最大分离速度，采用0.2 51g装药量进行试验。试验原理为：将爆炸螺栓通过底座固定，底座安装在摆臂上，摆臂通过钢丝和橡皮筋拉紧，通过初始状态卡环固定。当拔掉卡环后，摆臂在橡皮筋拉力下旋转，使击针冲击激发撞针座，试验原理及现场情况如图 11 所示。环氧涂抹橡皮筋底面板激发撞针座(a)试验原理(b)试验现场图11试验原理及现场情况Fig.11 Test principle and layout4.2试验结果及分析试验结果如图12 所示。(a)图12 试验结果Fig.12The results of test由图12 可知在0.2 51g装药量下爆炸螺栓能够可靠分离，剪切块能够实现剪切壳体端面的功能。同时钢丝抗爆箱试样初始状态卡环初始状态固定座轴承座(b)6对比分析了壳体最大径向膨胀直径的数值模拟计算结果(2 0.2 0 mm）以及3发试样试验结果(2 0.8 0,2 0.7 5,20.81mm，平均值2 0.7 8 mm），分析发现两者最大误差2.8%，满足工程设计误差要求。5结论本研究采用数值模拟计算研究了针刺式无污染型爆炸螺栓分离过程及机制，并通过试验对设计的爆炸螺栓进行验证，得到以下结论：（1）通过对针刺式爆炸螺栓分离过程进行数值模拟计算研究，得到设计的爆炸螺栓分离速度最大为37.7 m/s；通过设计摆锤式冲击试验装置进行验证，结果表明螺栓分离后的最大径向尺寸与试验结果最大偏差为2.8%，满足工程设计要求。数值模拟计算和试验均表明设计的爆炸螺栓满足分离后无污染要求；（2）研究不同药量装药下爆炸螺栓分离过程可知，在雷管端面增加更大直径的装药，可以明显提高爆炸螺栓的分离能力，增大直径的装药增加了侧面爆炸压力波作用时间以及爆轰产物气体膨胀与分离结构的有效作用面积，当装药量超过0.6 44g后，螺栓分离后会产生多余飞片和气体泄漏，不能实现爆炸螺栓分离后无污染功能；（3）增加装药量会明显提高爆炸螺栓分离速度，但在装药量达到0.2 51g后，随着装药量增加分离速度逐渐减小。蒋文灿等：针刺式无污染型爆炸螺栓分离特性及机理研究会论文集.宜昌,2 0 0 9.5 Sridhar Pappu.Hydrocode and microstructural analysis ofexplosively formed penetratorsD.ELPASO,USAL:Univer-sity ofTexas,2000.6Timothy J Holmquist,Douglas W Templeton,Krishan DBishnoi.Constitutive modeling of aluminum nitride for largestain,high-stain rate,and high pressure applications.Inter-national Journal of Impact Engineering,2001(25):211-231.7陈刚.A3钢钝头弹撞击45 钢板破坏模式的数值分析.爆炸与冲击,2 0 0 7,2 7(5):390-396.8叶小军。数值模拟分析在选取战斗部缓冲材料时的应用微电子学与计算机,2 0 0 9,2 6(4):2 2 6-2 2 9.9 Frank Mrs,Mike Heiges.Soil modeling for mine blastsimulationCJ/13th International LS-DYNAConference.Dearborn,2014.2023年第4期参考文献：1李燕华,温玉全,李元,等.剪切式爆炸螺栓火工冲击作用解耦试验及特性.含能材料,2 0 17,2 5(10):8 53-8 59.2】王军评，毛勇建，黄含军，点式火工分离装置冲击载荷作用机制的数值模拟研究 .振动与冲击,2 0 13,32(2):9-13.3 刘怀亮,崔德林,阎绍泽.无污染爆炸螺栓动态断裂特性的数值模拟.清华大学学报（自然科学版),2 0 15,55(3):2 92-2 97.4杨宝良,罗健,侯云辉.准球形 EFP 成形及侵彻的数值模拟和试验研究C/第十一届全国战斗部与毁伤技术学术交流