柔性導爆索切割過程仿真及試驗研究

戈慶明，渠弘毅，王寅虎，劉榮強，王巨民

（1.北京航天長征飛行器研究所，北京，100076；2.北京理工大學，北京，100081）

0 引 言

分離技術[1]作為航空航天技術中一項必不可少的關鍵技術，越來越受到重視。其中，火工線性分離技術以其火工元件少、結構簡單、可靠性高、快速性好、同步性俱佳等優(yōu)點在分離技術中占有主導地位。目前，國內外對火工分離技術進行了深入細致的研究[2～4]，對分離過程開展了深入的了解，使火工分離技術得到廣泛的應用。

從力學角度[5]看，對一個完整的爆炸分離過程，從下至上了解結構單元以及材料在強動載荷下的快速分離過程（動態(tài)斷裂）對把握爆炸分離機理，設計效率好、可靠性高的爆炸分離裝置有著重要的指導性作用。

通過了解分離靶板和保護罩的受力情況以及材料的變形及破壞特性，進而掌握實現(xiàn)有效分離且不導致保護罩破裂的關鍵力學及材料學控制因素，為分離結構裝置設計和材料選取提供參考性意見。

1 柔性導爆索分離原理

柔性導爆索（Mild Detonating Fuse，MDF）爆炸分離裝置加工相對容易、裝置結構簡單、成本低、可靠性高，適用于分離面較薄的結構，是目前中國廣泛應用的一種火工分離裝置，其結構的平面示意如圖1所示。

圖1 柔性導爆索爆炸分離裝置結構的平面示意Fig.1 Schematic Diagram of the Structure of Mild Detonating Fuse Explosive Separation Device

柔性導爆索屬于線式分離裝置，一般沿分離面安裝于箭體（彈體）內壁上，通過防護蓋板對其安裝定位。防護蓋板一方面起到阻擋爆炸產物進入箭體（彈體）內部、保護內部有效載荷不受損壞的作用，另一方面可在短時間內維持高溫高壓環(huán)境，有利于導爆索對外做功實現(xiàn)切割分離。

柔性導爆索爆炸分離裝置實現(xiàn)分離的原理是：導爆索爆炸產生爆轟波，爆轟波傳入分離板后，在分離板中產生歷時短、應變率高、強度高的沖擊脈沖載荷，從而在預制削弱槽處產生集中應力，在高溫高壓爆轟產物和沖擊波的綜合作用下，使其沿預制削弱槽斷開，從而實現(xiàn)分離。同時，值得注意的是，在柔性導爆索爆炸分離裝置中，保護罩也受到導爆索產生的爆轟波作用，在實現(xiàn)分離時，必須保證保護罩不被破壞。

柔性導爆索爆炸分離的物理過程是結構及材料在爆轟波作用下的一個復雜的高度非線性的瞬態(tài)動力學響應過程，它涉及應力波的傳播和相互作用以及應變率相關的動態(tài)本構行為和失效準則的研究。

本文采用數(shù)值仿真分析和試驗研究柔性導爆索爆炸分離過程中結構及材料的破壞機理及其影響因素。

2 柔性導爆索切割仿真分析

2.1 計算模型

導爆索爆炸分離裝置的圓周半徑相對于結構剖面尺寸來說很大，因此可以近似把問題轉換為平面應變問題，采用二維模型進行計算。保護罩材料為鍛鋁6061T6 材料，分離板材料為ZL114A 材料。炸藥采用JWL 狀態(tài)方程的高能炸藥模型。

材料本構模型參數(shù)見表1。導爆索切割平板的典型結構主要包括導爆索、防護蓋板、平板試驗件、連接螺栓和夾持裝置等。本文應用AUTORYN 軟件[6]，建立典型導爆索切割平板試驗件的二維模型，采用流固耦合算法，裝藥和空氣域為Euler 單元，防護蓋板及平板試驗件為Lagrange 單元。在Euler 網格邊界處設置流出邊界條件，模擬無限大空氣域。在防護蓋板的上側及平板試驗件的下側施加固定約束，模擬螺栓連接；在平板試驗件的兩側施加固定約束，模擬平板試驗件兩端的夾持條件，如圖2 所示。

表1 材料模型參數(shù)Tab.1 Material Model Parameters

圖2 柔性導爆索爆炸分離裝置二維計算模型Fig.2 Schematic Diagram of Two-dimensional Calculation Model of Mild Detonating Fuse Explosive Separation Device

Euler 網格中填充的空氣用理想氣體狀態(tài)方程描述：

式中 γ 為絕熱指數(shù)，對于理想氣體有γ =1.4；ρ 為密度，空氣的初始密度為0.001 225 g/cm3；初始壓力為1 個標準大氣壓；gE 為氣體比內能， 取2.068×10-5kJ/cm3。

平板試驗件及防護蓋板在沖擊波及爆轟產物的共同作用下，表現(xiàn)出大變形、高應變率和高溫等特征。為準確描述平板試驗件及防護蓋板在此狀態(tài)下的響應規(guī)律，采用Johnson-Cook 模型來描述。Johnson-Cook模型常用于模擬金屬材料從低應變率到高應變率的動態(tài)行為，該模型采用變量乘積關系描述了應變率、溫度和應變的影響，本構方程如下：

式中 σνp為Von Mises 流動應力； ενp為黏塑性應變；A 為屈服強度；B 為材料塑性硬化系數(shù)；C 為黏塑性硬化指數(shù)；n 為應變率敏感指數(shù)；為真實黏塑性應變率；為參考應變率；m 為溫度軟化指數(shù)； T*為無量綱溫度，計算公式為

式中mT 為材料的熔點溫度；rT 為參考溫度，一般取試驗時的室溫；T 為試驗溫度。

JWL 狀態(tài)方程是典型的動力學狀態(tài)方程，是一種不含化學反應、由試驗方法確定的經驗狀態(tài)方程，能夠比較精確地描述爆轟產物的膨脹驅動做功過程。炸藥爆轟產物JWL 狀態(tài)方程的標準形式如下：

式中 p 為爆炸產物的壓力；V 為爆炸產物的相對比容，V = v/v0，為無量綱量；v 為爆轟產物的比容，v=1/ρ；v0為爆炸前炸藥的初始比容；E 為比內能；R1，R2，ω為常數(shù)。

炸藥的JWL 狀態(tài)方程參數(shù)一般采用標準圓筒試驗的方法進行標定，導爆索采用散裝RDX，難以實現(xiàn)大尺寸裝藥結構，無法采用圓筒試驗方法標定其JWL 狀態(tài)方程參數(shù)。本文采用Explo-5 軟件，基于BKW 方程及爆轟靜態(tài)模型的化學平衡，求解反應產物之間的熱力學方程，確定平衡狀態(tài)下的系統(tǒng)組成，從而計算得到爆速、爆壓和爆熱等參數(shù)，并擬合得到爆轟產物JWL狀態(tài)方程參數(shù)：

式中 R 為氣體常數(shù)； xi為第i 種產物在總的爆炸產物中所占的摩爾數(shù)； ki為第i 種爆炸產物的余容因數(shù)；α，β，θ ，k 為經驗常數(shù)。

導爆索的線密度約為2.4 g/m，裝藥直徑約為1.4 mm，計算得到其體密度約為1.75 g/cm3，應用Explo-5 軟件計算得到其爆轟參數(shù)及爆轟產物JWL 狀態(tài)方程參數(shù)見表2。

表2 RDX 的JWL 狀態(tài)方程參數(shù)Tab.2 JWL Equation of State Parameters for RDX

2.2 計算結果

導爆索起爆后，其爆炸作用產生的沖擊波及爆轟產物對平板試驗件的破壞損傷形式以及對防護蓋板的作用是關注的重點，因此，截取從導爆索起爆直至試驗件完全斷裂過程中，不同時刻下平板試驗件的壓力云圖，從而分析導爆索對平板試驗件的切割作用過程，如圖3 所示。

圖3 柔性導爆索爆炸分離裝置爆炸分離過程云圖Fig.3 Cloud Image of Explosive Separation Process of Mild Detonating Fuse Explosive Separation Device

續(xù)圖3

導爆索起爆后，形成沖擊波傳入平板試驗件及防護蓋板中（圖3a、圖3b），沖擊波傳到平板試驗件背面發(fā)生反射，在背面形成拉伸波，并在削弱槽尖端位置產生應力集中（圖3c），之后沖擊波在平板試驗件內不斷震蕩，平板試驗件逐漸發(fā)生彎曲，在兩側的止裂槽尖端產生壓縮應力集中（圖3d、圖3e），最終沿兩側的削弱槽發(fā)生斷裂（圖3f、圖3g）。

3 試驗與結果分析

3.1 試驗方法

分離板采用雙邊夾持固定，單邊雷管起爆方式，導爆索線密度為2.4～2.5 g/m，護罩安裝導爆索部位半徑為1.7 mm，螺釘連接位置距離分離面為23 mm（同仿真模型），如圖4 所示。

圖4 分離試驗示意Fig.4 Diagram of Separation Test

3.2 試驗結果

共進行了3 次平板切割試驗，3 次試驗結果一致性良好，具體試驗結果如下：

a）柔性導爆索可以將鋁平板試驗件可靠切斷，斷面齊整；

b）分離試驗后，用于防護作用的蓋板保持完好，未發(fā)生損壞，固定蓋板用螺釘未出現(xiàn)拉脫現(xiàn)象；

c）平板試驗件在止裂槽位置處發(fā)生破壞分離，并在中間削弱槽位置處斷裂成兩段。

試驗結果與仿真結果吻合度較好。

4 結 論

本文就柔性導爆索爆炸分離裝置切割分離板的動力學過程進行了初步研究，采用數(shù)值模擬的手段分析了爆炸分離裝置在爆炸載荷作用下的破壞過程，從應力波傳播和動態(tài)斷裂力學角度研究了分離板的破壞過程。

a）通過數(shù)值仿真和試驗研究表明，該型柔性導爆索可以將鋁平板試驗件可靠切斷，且防護蓋板完好；

b）柔性導爆索分離裝置中，分離板的破壞包括層裂和拉應力破壞2 個階段，且在削弱槽兩邊的止裂槽處發(fā)生損壞；

c）通過數(shù)值仿真表明，柔性導爆索分離裝置整個分離過程的工作時間在幾十微秒量級。

通過柔性導爆索爆炸分離裝置的切割過程仿真及試驗研究，對分離結構的斷裂機理進行了理論分析及試驗研究，對深入研究爆炸分離裝置的分離過程具有一定的借鑒意義。