銅切割索切割性能差異性分析

楊紅偉, 王 友, 彭文彬

(四川航天川南火工技術有限公司,四川 瀘州646003)

0 引言

銅切割索是常見的一種利用聚能效應實現線性切割分離的裝置。當銅切割索被起爆后,內裝藥劑爆轟產生高溫高壓氣體,以幾百萬個大氣壓的壓力作用于V型聚能槽,V型聚能槽被迅速壓垮并在對稱面聚合發生碰撞,形成垂直向下的薄片狀的金屬射流。這種金屬射流一般是呈塑性流動狀態的高速金屬流體,金屬射流在運動過程中不斷加速被拉長,頭部以(3 000～5 000)m/s的速度切割靶板,靶板從碰撞點處崩裂,射流在崩裂處產生高溫、高壓、高應變率區域,后續射流對該區域持續切割,射流的能量在切割過程中不斷被消耗,直至射流切割停止[1]。

一種裝藥為黑索今炸藥,裝藥線密度為4.5 g/m的銅切割索進行靶板分離試驗時,出現了從同一根銅切割索兩端分別取樣相同長度的銅切割索(后文以A端、B端區分),經爆速、線密度測試合格且判斷基本一致后,切割分離相同材料、相同厚度的靶板時,卻出現了A端銅切割索順利分離靶板,而B端銅切割索未能分離靶板的現象。

本文參考美國恩賽-貝克福特航天防務公司(EBA&D)標準系列切割索切割能力分析方法,基于AUTODYN仿真分析軟件,對上述現象進行分析,并提出改進建議。

1 存在問題

銅切割索在生產制造時,對已知的影響切割性能的參數進行了控制和測量,如裝藥線密度ρ,V型聚能槽聚能頂角α、聚能槽深度h、總高度H、總寬度L、聚能頂角厚度δ等參數,確保銅切割索參數滿足設計文件要求。

圖1 銅切割索主要型面參數示意圖

試驗所用銅切割索截面如圖2所示,左圖為A端樣本實物型面,右圖為B端樣本實物型面。對比A端和B端銅切割索型面,兩者基本一致。

圖2 銅切割索A、B端型面圖

對A、B兩樣本型面參數進行測量,并以A端樣本型面參數為基準,計算B端與A端樣本型面的差異性,以百分比表示,如表1所示,線密度的差異值為(4.32-4.26)/4.32=1.4%。

表1 A、B端樣本型面參數值

表1可以看出,A、B兩端樣本型面差異性最大的參數為聚能頂角厚度,為5.3%,其次依次是聚能槽深度、總高度和線密度,總寬度差異值僅0.3%。從工程上可以認為A、B兩端的樣本在性能上是相當的,但其試驗結果卻截然不同,什么原因造成這種差異,如何避免這種情況發生,如何提高銅切割索切割性能需要進行研究。

2 仿真模型

為分析聚能頂角厚度δ、聚能槽深度h、總高度H和線密度ρ分別對銅切割索切割性能的影響,利用AUTODYN軟件對這些參數進行仿真分析。

銅切割索工作過程中會產生高溫高壓射流環境,因此將炸藥、銅皮均定義為流體。采用Euler、2D Multi-material算法,模擬炸藥膨脹及金屬射流的形成。在整個平面建立一歐拉域,然后進行材料替換,邊界條件為Flow-Out(Euler)。靶板采用拉格朗日算法,更好地模擬材料被侵蝕的過程[2]。

銅切割索外殼為紫銅,內裝藥劑為黑索今。被分離的靶板材料為2A14-T6鋁板,厚度為6.4 mm。兼顧運算精度與運行速度,銅皮和黑索今均為歐拉網格,最小單元尺寸為0.025 mm,保證了頂角壁厚處至少有6個單元厚度。靶板為拉格朗日網格,最小單元尺寸為0.025 mm。完成仿真計算后,測量金屬射流切開靶板的深度。

外殼為紫銅,采用Shock狀態方程,Steinberg Guina強化模型。仿真主要參數及取值為：密度ρ取值8.93 g/cm3,剪切模量G取值47.7 GPa,抗拉強度σb取值640 MPa,屈服強度σs取值120 MPa。

炸藥為黑索今,采用JWL狀態方程。仿真主要參數及取值：爆速D取值7 450 m/s,體密度ρ取值1 700 kg/m3,化學能C-Jenergy取值8.56 e6kJ/m3,爆壓C-Jpressure取值2.2 e7k Pa,壓力指數A取值625GPa,壓力指數B取值23.29 GPa,多項式系數R1取值5.25,多項式系數R2取值1.6,多項式系數ω取值0.28。

靶板為鋁,采用Shock狀態方程,Steinberg Guina強化模型,Geometric Strain侵蝕模型。仿真主要參數及取值：密度ρ取值2.7 g/cm3,剪切模量G取值27.6 GPa,抗拉強度σb取值680 MPa,屈服強度σs取值290 MPa,侵蝕系數取值2。

采用單因素和多因素兩種方法對銅切割索切割性能差異性進行仿真分析。單因素差異性仿真分析為國內設計和生產過程常用的分析方法,單一因素的改變會導致金屬射流速度的變化,進而影響銅切割索的切割性能。多因素差異性仿真分析是一種新的分析方法,通過將多種單因素整合為某種具有代表性的特征值,該特征值影響炸藥工作過程中的爆壓和爆速、銅切割索V型槽壓垮速度、金屬射流長度和頭部速度等,可以較為準確地模擬多因素差異性對銅切割索切割性能的影響。

以銅切割索A端樣本型面為基本仿真模型,采用描點法建模,分別采用單因素和多因素兩種方法對銅切割索切割性能差異性進行分析,基本模型如圖3所示。

圖3 銅切割索基本仿真模型圖

3 單因素差異性分析

為了分析聚能頂角厚度δ、聚能槽深度h、總高度H和線密度ρ對銅切割索切割性能的影響,以A、B端樣本型面參數為基礎建模仿真。首先,按照A端樣本型面參數建模仿真得到銅切割索工作后的切割深度為4.35 mm;然后用B端樣本型面參數逐項替代A端樣本型面參數,再次建模仿真,得到在改變A端樣本其中一項型面參數的情況下,銅切割索工作時的切割深度。

表5是將A端樣本型面參數的聚能角頂角厚度δ、聚能槽深度h、總高度H和線密度ρ依次替換為B端樣本型面參數后建模仿真的數據,四個單因素變化后的切割效果圖如圖4所示。

表2 銅切割索型面參數值

圖4 銅切割索切割靶板結果圖

通過改變A端樣本型面參數分別得到了切割深度情況：改變聚能頂角厚度后的切割深度為4.25 mm,切割能力下降2.3%;改變聚能槽深度后的切割深度為4.30 mm,切割能力下降1.2%;改變總高度和線密度后,切割能力無變化。表明單因素的參數變化并不是導致銅切割索切割能力下降的主要原因。

從銅切割索研制過程分析,為改變切割性能,一般都是針對單因素逐項調整,需要不同參數經多次調整以后才能達到理想效果。說明單因素分析方法并不適用于銅切割索切割性能分析。

4 多因素差異性分析

EBA&D公司生產的標準系列切割索切割性能差異性分析表明,切割索生產過程中一個參數的改變會導致多個參數隨之變動。切割性能變化不是由單因素變量引起,而是多因素變量的綜合作用[3]。為了準確描述多因素變量對切割索切割性能的影響,EBA&D采用藥芯質心分析法對切割索切割性能進行分析。當切割索藥芯質心產生偏移時,切割索聚能頂角壁厚、聚能槽深度、總高度均可能發生變化。EBA&D的分析結果表明：當切割索藥芯質心橫向偏離0.13 mm時,射流會出現偏轉,切割性能下降約40%。

對圖2中銅切割索A端和B端型面進行質心測量,以銅切割索中心面為基準,藥芯質心橫向坐標分別為0.01 mm和0.05 mm。B端型面的藥芯質心橫向偏離中心面距離大于A端型面。采用藥芯質心分析法對A、B兩端銅切割索進行仿真分析,由于B端銅切割索質心橫向偏移較大,黑索今工作后對V型聚能槽兩側金屬壁形成的壓力不同,被壓塌的速度產生差異而引起射流扭曲偏轉。

圖5為仿真模擬工作過程中射流形成圖。從圖5可以看出,B端型面形成的射流偏轉較大,射流并不是垂直切割靶板,存在偏轉角度,導致射流切割路徑增長,能量損耗增大,切割能力下降。

圖5 銅切割索切割靶板仿真模擬結果

測量仿真切割深度,A、B端切割深度分別為4.35 mm和3.90 mm,同A端型面銅切割索比較,B端型面銅切割索切割性能下降10.3%。

圖6為銅切割索A、B端再次分別取樣后的驗證試驗結果。其中,1#、3#樣本為B端取樣,2#樣本為A端取樣。2#樣本測試切割深度約4.4 mm,1#樣本射流偏轉嚴重,切割深度約3.8 mm;3#樣本射流偏轉輕微,切割深度約4.1 mm。對比A、B端樣本切割深度,B端樣本下降了13.6%。試驗與仿真結果基本吻合。

5 結論

銅切割索聚能頂角厚度、聚能槽深度、總高度和線密度等單因素對切割性能影響小,仿真分析時采用單因素分析法并不能確定其切割性能差異的根本原因。

圖6 銅切割索切割靶板試驗圖

EBA&D公司提出的藥芯質心分析法將多因素影響整合為單一質心影響,利用質心測量結果,綜合評估切割索切割性能,該方法試驗和仿真結果基本吻合,為開展銅切割索型面優化提供了支撐,也為生產中控制銅切割索型面,保證切割索性能提供檢測方法。