聚能切割分离铝平板的仿真与试验研究_王威.pdf
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1、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
2、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
3、 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
4、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 li
5、near 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
6、 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 abilit
7、y 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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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 explosiv
14、es/(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
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