爆炸复合边界效应的数值模拟

缪广红 王章文 李亮 江向阳 刘文震 程扬帆 汪泉 余勇 马宏昊 沈兆武

引用本文:
Citation:

爆炸复合边界效应的数值模拟

    作者简介: 缪广红(1985-), 男, 博士, 讲师, 主要从事含能材料、爆炸复合及爆炸力学相关研究.E-mail:miaogh@mail.ustc.edu.cn;
  • 基金项目: 国家自然科学基金 11602001
    安徽省自然科学基金 1608085QA15

    国家自然科学基金 11502001

  • 中图分类号: O347.1;TG456.6

Numerical Simulation of Boundary Effect in Explosive Cladding

  • CLC number: O347.1;TG456.6

  • 摘要: 借助动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA,运用光滑粒子流体动力学(SPH)方法,对爆炸复合边界效应进行了二维数值模拟。模拟结果再现了爆炸复合过程中的射流现象和边界效应。研究结果表明,爆炸复合边界效应的产生原因并非是边界处的冲击能量过剩,在基-复板碰撞之前,断裂就已经产生。采用SPH方法对爆炸复合边界效应进行模拟研究具有一定的科学价值。
  • 图 1  计算模型

    Figure 1.  Calculation model

    图 2  不同时刻爆炸复合过程中复板的飞行姿态

    Figure 2.  Flight attitudes of flyer plate at different time

    表 1  乳化炸药的JWL状态参数

    Table 1.  JWL equation-of-state parameters of emulsion explosives

    Density/(g/cm3) D/(km/s) A/(GPa) B/(GPa) R1 R2 ω E0/(kJ/cm3)
    1.12 4.51 326.42 5.81 5.80 1.56 0.57 3.32
    下载: 导出CSV

    表 2  Q235钢的Johnson-Cook模型参数

    Table 2.  Johnson-Cook parameters of Q235 steel

    Density/(g/cm3) Am/(GPa) Bm/(GPa) Cm n m Tmelt/(K) Troom/(K)
    7.83 0.792 0.510 0.014 0.26 1.03 1 793 294
    下载: 导出CSV
  • [1] 李选明, 焦永刚.TA10合金厚板与钢爆炸焊接边界效应的产生与消除[J].稀有金属快报, 1999(10):5-6.
    [2] 郑远谋.爆炸焊接边界效应的力学能量原理[J].上海有色金属, 2003, 24(1):5-11. doi: 10.3969/j.issn.1005-2046.2003.01.002
    ZHENG Y M.Mechanics-energy principle for boundary effect in explosion welded material [J].Shanghai Nonferrous Metals, 2003, 24(1):5-11. doi: 10.3969/j.issn.1005-2046.2003.01.002
    [3] 朱晓红, 吕新峰, 陈国琦, 等.复合板爆炸焊接的失效分析[J].金属热处理, 2014, 39(1):144-148.
    ZHU X H, LV X F, CHEN G Q, et al.Failure analysis on explosive welded composite plate [J].Heat Treatment of Metals, 2014, 39(1):144-148.
    [4] 邵丙璜, 张凯.爆炸焊接原理及其工程应用[M].大连:大连工学院出版社, 1987.
    SHAO B H, ZHANG K.Principle and practice of explosive welding [M].Dalian:Dalian University of Technology Press, 1987.
    [5] 章冠人, 陈大年.凝聚炸药起爆动力学[M].北京:国防工业出版社, 1991.
    ZHANG G R, CHEN D N.Condensed explosives detonation dynamics [M].Beijing:National Defense Industry Press, 1991.
    [6] 肖定军, 郭学彬, 蒲传金.单孔护壁爆破数值模拟[J].化工矿物与加工, 2008(7):22-24. doi: 10.3969/j.issn.1008-7524.2008.07.007
    XIAO D J, GUO X B, PU C J.Numerical simulation for single hole-unilateral blasting [J].Industrial Minerals & Processing, 2008(7):22-24. doi: 10.3969/j.issn.1008-7524.2008.07.007
    [7] LI Y C, SHI D Y, ZHAO Y.ANSYS 11.0/LS-DYNA basic theory and engineering practice [M].Beijing:China Water Power Press, 2008.
    [8] 宋锦泉.乳化炸药爆轰特性研究[D].北京: 北京科技大学, 2000.
    SONG J Q.Research on detonation characteristics of emulsion explosives [D].Beijing: University of Science and Technology Beijing, 2000.
    [9] LIU G R, LIU M B.光滑粒子流体动力学——一种无网格粒子法[M].韩旭, 杨刚, 强洪夫, 译.长沙: 湖南大学出版社, 2005.
    LIU G R, LIU M B.Smoothed particle hydrodynamics: a meshfree particle method [M].Translated by HAN X, YANG G, QIANG H F.Changsha: Hunan University Press, 2005.
    [10] 程国强, 李守新.金属材料在高应变率下的热粘塑性本构模型[J].弹道学报, 2004, 16(4):18-22. doi: 10.3969/j.issn.1004-499X.2004.04.004
    CHENG G Q, LI S X.A thermo-viscoplastic constitutive model of metallic materials at high strain rates [J].Journal of Ballistics, 2004, 16(4):18-22. doi: 10.3969/j.issn.1004-499X.2004.04.004
    [11] 时党勇, 李裕春, 张胜民.基于ANSYS/LS-DYNA 8.1进行显式动力分析[M].北京:清华大学出版社, 2005.
    SHI D Y, LI Y C, ZHANG S M.Explicit dynamic analysis based on ANSYS/LS-DYNA 8.1 [M].Beijing:Tsinghua University Press, 2005.
    [12] 饶常青.不锈钢/普碳钢厚板坯的爆炸复合[D].南京: 南京理工大学, 2003.
  • [1] 张志春强洪夫高巍然 . 光滑粒子流体动力学有限元法接触算法研究. 高压物理学报, 2011, 25(2): 97-103 . doi: 10.11858/gywlxb.2011.02.001
    [2] 李剑峰邓云飞贾宝惠 . 弹体边界效应对2A12薄靶抗撞击性能影响的数值模拟. 高压物理学报, 2017, 31(1): 42-50. doi: 10.11858/gywlxb.2017.01.007
    [3] 郝莉宁建国王成 . 水中障碍物爆炸毁伤效应的二维数值模拟. 高压物理学报, 2006, 20(1): 39-44 . doi: 10.11858/gywlxb.2006.01.009
    [4] 贾宪振胡毅亭董明荣许学忠刘家骢 . 深水爆炸冲击波作用下圆柱壳动态响应影响因素的数值模拟研究. 高压物理学报, 2008, 22(2): 208-214 . doi: 10.11858/gywlxb.2008.02.016
    [5] 李晓杰莫非闫鸿浩张程娇 . 爆炸焊接斜碰撞过程的数值模拟. 高压物理学报, 2011, 25(2): 173-176 . doi: 10.11858/gywlxb.2011.02.014
    [6] 邓荣兵金先龙陈峻沈建奇陈向东 . 爆炸冲击波对玻璃幕墙破坏作用的多物质ALE有限元模拟. 高压物理学报, 2010, 24(2): 81-87 . doi: 10.11858/gywlxb.2010.02.001
    [7] 姜洋孙承纬李平柏劲松 . 点起爆炸药驱动平板飞片运动的数值模拟研究. 高压物理学报, 2009, 23(4): 261-265 . doi: 10.11858/gywlxb.2009.04.004
    [8] 曹明阳王金相郝春杰宋海平张亚宁周莲周楠唐奎 . 一体式多爆炸成型弹丸的成型及侵彻性能. 高压物理学报, 2017, 31(4): 486-493. doi: 10.11858/gywlxb.2017.04.018
    [9] 付艳恕孙宇新王晓萍张晓立 . 多层非晶薄带爆炸焊接实验设计. 高压物理学报, 2008, 22(4): 364-369 . doi: 10.11858/gywlxb.2008.04.005
    [10] 王治平何智李强高国庆 . 不锈钢/碳钢爆炸复合板消除应力热处理. 高压物理学报, 1998, 12(1): 60-66 . doi: 10.11858/gywlxb.1998.01.010
    [11] 王铁福 . 爆炸焊接参数的计算机辅助设计. 高压物理学报, 2004, 18(3): 245-251 . doi: 10.11858/gywlxb.2004.03.009
    [12] 林加剑任辉启沈兆武 . 尾翼型爆炸成型弹丸的数值模拟及实验研究. 高压物理学报, 2009, 23(3): 215-222 . doi: 10.11858/gywlxb.2009.03.009
    [13] 李长顺刘天生王凤英高永宏 . 伸出式侵彻体攻角侵彻靶板的数值模拟研究. 高压物理学报, 2009, 23(2): 155-160 . doi: 10.11858/gywlxb.2009.02.013
    [14] 徐豫新王树山韩宝成刘永 . 爆炸作用驱动液体抛撒初始阶段数值仿真. 高压物理学报, 2011, 25(1): 73-78 . doi: 10.11858/gywlxb.2011.01.012
    [15] 汪斌张远平王彦平 . 一种水中爆炸气泡脉动实验研究方法. 高压物理学报, 2009, 23(5): 332-337 . doi: 10.11858/gywlxb.2009.05.003
    [16] 冷冰林许金余孙惠香徐杰 . 内部爆炸载荷作用下混凝土动力响应的数值模拟. 高压物理学报, 2009, 23(2): 111-116 . doi: 10.11858/gywlxb.2009.02.006
    [17] 李成兵裴明敬沈兆武 . 高速杆式弹丸三维数值模拟. 高压物理学报, 2007, 21(2): 165-172 . doi: 10.11858/gywlxb.2007.02.008
    [18] 缪广红李亮江向阳刘文震李雪交汪泉余勇沈兆武 . 双面爆炸焊接的数值模拟. 高压物理学报, 2018, 32(4): 045202-1-045202-8. doi: 10.11858/gywlxb.20180513
    [19] 强洪夫孙新亚王广陈福振 . 混凝土薄板侵彻贯穿问题的SPH数值模拟. 高压物理学报, 2019, 33(2): 024101-1-024101-10. doi: 10.11858/gywlxb.20180634
    [20] 曹玉忠卢泽生管怀安张幼平 . 抗爆容器内爆炸流场数值模拟. 高压物理学报, 2001, 15(2): 127-133 . doi: 10.11858/gywlxb.2001.02.009
  • 加载中
图(2)表(2)
计量
  • 文章访问数:  2839
  • 阅读全文浏览量:  678
  • PDF下载量:  100
出版历程
  • 收稿日期:  2016-06-08
  • 录用日期:  2016-08-08
  • 刊出日期:  2017-02-25

爆炸复合边界效应的数值模拟

    作者简介:缪广红(1985-), 男, 博士, 讲师, 主要从事含能材料、爆炸复合及爆炸力学相关研究.E-mail:miaogh@mail.ustc.edu.cn
  • 1. 安徽理工大学力学与光电物理学院,安徽淮南 232001
  • 2. 中国科学技术大学近代力学系,安徽合肥 230027
  • 3. 安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南 232001
基金项目:  国家自然科学基金 11602001安徽省自然科学基金 1608085QA15国家自然科学基金 11502001

摘要: 借助动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA,运用光滑粒子流体动力学(SPH)方法,对爆炸复合边界效应进行了二维数值模拟。模拟结果再现了爆炸复合过程中的射流现象和边界效应。研究结果表明,爆炸复合边界效应的产生原因并非是边界处的冲击能量过剩,在基-复板碰撞之前,断裂就已经产生。采用SPH方法对爆炸复合边界效应进行模拟研究具有一定的科学价值。

English Abstract

    • 爆炸复合生产中经常出现复合板起爆端及周边被打伤、打裂的宏观物理现象,被称为爆炸复合的边界效应。边界效应的存在严重影响产品质量,因此受到学者的广泛关注。到目前为止,人们已经对爆炸复合的边界效应进行了大量的实验研究,认为边界效应的产生是由于边界能量过大[1-3],从而导致边界处的基-复板碰撞时出现打伤、打裂现象。鉴于爆炸复合过程的复杂性,爆炸复合边界效应的实验研究具有一定的难度,相关的数值模拟也鲜见报道,为此本研究利用ANSYS/LS-DYNA软件,采用无网格的光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法,对爆炸复合的边界效应进行二维数值模拟研究,探索无网格SPH方法用于爆炸复合研究的有效性。

    • 利用LS-DYNA建立如图 1所示的爆炸复合SPH-2D计算模型。装药选用尺寸为30 mm×10 mm的乳化炸药,其中玻璃微球的质量分数为5%;基板和复板采用Q235钢,尺寸分别为30 mm×16 mm和30 mm×2 mm,基板与复板的间隙为4 mm。起爆方式为点起爆。

      图  1  计算模型

      Figure 1.  Calculation model

      由于爆炸复合过程中基-复板相互碰撞产生的射流厚度约为板厚的2%~4%[4],本计算模型中复板厚度为2 mm,因此复板上产生的射流厚度为40~80 μm。为了再现爆炸复合过程中的射流现象,将粒子的大小Δr取为25 μm,采用cm-g-μs单位制。

    • 乳化炸药采用高能燃烧模型[5-6]和JWL状态方程[7],其中高能燃烧模型的表达式为

      $ {p_{\rm{b}}} = {F_{\rm{b}}}{p_{{\rm{eos}}}}({V_{\rm{b}}}, {e_{{\rm{e, 0}}}}) $

      式中:pbpeos分别为炸药爆轰产生的压力和状态方程压力,Vb为相对体积,ee, 0为单位体积炸药的初始内能。燃烧系数Fb可表示为

      $ {F_{\rm{b}}} = \max ({F_1}, {F_2}) $

      $ {F_1} = \left\{ \begin{array}{l} \frac{{2(t - {t_l})D{A_{\max }}}}{{3{v_{\rm{e}}}}}\;\;\;t > {t_l}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;0\;\;\;\;\;\;\;\;t \le {t_l} \end{array} \right. $

      $ {F_2} = (1 - {V_{\rm{b}}})/(1 - {V_{{\rm{CJ}}}}) $

      式中:D为炸药爆速,tl为炸药单元的起爆时间,t为当前时间,ve为单元体积,Amax为单元最大横截面积,VCJ为Chapman-Jouguet相对体积。

      JWL状态方程的表达式为

      $ p = A\left( {1 - \frac{\omega }{{{R_1}V}}} \right){{\rm{e}}^{ - {R_1}V}} + B\left( {1 - \frac{\omega }{{{R_2}V}}} \right){{\rm{e}}^{ - {R_2}V}} + \frac{{\omega {E_0}}}{V} $

      式中:ABR1R2ω为材料系数,E0为初始比内能,V为爆轰气体产物的相对比容。炸药的相关参数[8]列于表 1

      Density/(g/cm3) D/(km/s) A/(GPa) B/(GPa) R1 R2 ω E0/(kJ/cm3)
      1.12 4.51 326.42 5.81 5.80 1.56 0.57 3.32

      表 1  乳化炸药的JWL状态参数

      Table 1.  JWL equation-of-state parameters of emulsion explosives

      Q235钢采用Mie-Grüneisen状态方程[9]和Johnson-Cook材料模型[10]。Mie-Grüneisen状态方程可表示为

      $ 压缩状态下\;\;\;\;\;\;p = \frac{{{\rho _0}{C^2}\mu \left[ {1 + \left( {1 - \frac{{{\gamma _0}}}{2}} \right)\mu - \frac{a}{2}{\mu ^2}} \right]}}{{{{\left[ {1 - ({S_1} - 1)\mu - {S_2}\frac{{{\mu ^2}}}{{\mu + 1}} - {S_3}\frac{{{\mu ^3}}}{{{{\left( {\mu + 1} \right)}^2}}}} \right]}^2}}} + ({\gamma _0} + a\mu ){e_0} $

      $ 膨胀状态下\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;p = {\rho _0}{C^2}\mu + \left( {{\gamma _0} + a\mu } \right){e_0} $

      式中:ρ0为材料的初始密度,C为冲击波波速-波后质点粒子速度(vs-vp)曲线截距,S1S2S3vs-vp曲线斜率的调控系数,e0为单位体积内能,γ0为Grüneisen系数,a为Grüneisen方程的修正系数,μ为体积变化率(压缩状态下,μ>0;膨胀状态下,μ<0)。

      Johnson-Cook材料模型的形式如下

      $ \sigma = ({A_{\rm{m}}} + {B_{\rm{m}}}\varepsilon _{\rm{p}}^n)(1 + {C_{\rm{m}}}\ln \dot \varepsilon _{\rm{p}}^*)(1 - {T^{*m}}) $

      式中:σ为应力,εp为等效塑性应变,$ \dot \varepsilon _{\rm{p}}^*$为等效塑性应变率;AmBmCmmn是与材料相关的常数;T*为无量纲温度,T*=(T-Troom)/(Tmelt-Troom),其中Troom为室温,Tmelt为熔化温度。Q235钢的Johnson-Cook材料模型参数[11]表 2所示。

      Density/(g/cm3) Am/(GPa) Bm/(GPa) Cm n m Tmelt/(K) Troom/(K)
      7.83 0.792 0.510 0.014 0.26 1.03 1 793 294

      表 2  Q235钢的Johnson-Cook模型参数

      Table 2.  Johnson-Cook parameters of Q235 steel

    • 数值模拟得到6.3、9.3、12.5和14.1 μs时复板的变形情况,如图 2所示。模拟结果再现了爆炸复合过程中的射流现象和边界效应(见图 2(d)),复板飞行姿态与饶常青[12]通过实验和理论计算得到的复板飞行姿态一致。

      图  2  不同时刻爆炸复合过程中复板的飞行姿态

      Figure 2.  Flight attitudes of flyer plate at different time

      图 2可知,复板断裂发生在基-复板碰撞之前,即复板在加速过程中已发生断裂。由此可以得到:爆炸复合边界效应的产生原因并非是边界冲击能量过剩而导致的基-复板碰撞时边界处的打伤、打裂,在基-复板碰撞之前,断裂已经产生。

    • 利用LS-DYNA软件,采用无网格的SPH方法,对爆炸复合的边界效应进行了二维数值模拟。模拟结果再现了爆炸复合过程中的射流现象和边界效应。爆炸复合边界效应的产生原因并非是边界冲击能量过剩而导致的基-复板碰撞时边界处的打伤、打裂,在基-复板碰撞之前,断裂已经形成。基于SPH方法的数值模拟有助于研究难以观测的爆炸复合过程及爆炸复合机理,具有一定的科学价值。

参考文献 (12)

目录

    /

    返回文章
    返回