针刺式无污染型爆炸螺栓分离特性及机理研究.pdf
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1、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
2、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(Institut
3、e 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 stud
4、y 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 detona
5、tor 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 incre
6、ases 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 can
7、realize 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;Mechanis
8、m;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
9、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
10、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
11、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
12、,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
13、,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 parameters
14、MAT_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
15、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
16、)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.
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