半导体桥火工品力学过载下的结构失效研究

刘虎，张蕊，付东晓，李芳，都振华

（陕西应用物理化学研究所 应用物理化学国家级重点实验室，陕西 西安，710061）

针对SCB火工品应用于攻坚、钻地弹药时抗高加速度冲击过载性能的背景，以及火工品本身需承受过载加速度达10万g以上的技术要求，本文利用分离式Hopkinson压杆实验技术[1]对SCB火工品模拟样品进行冲击过载实验，分析火工品受冲击过载后结构失效原因；利用结构有限元软件 ANSYS/AUTODYN分析火工品受冲击过载时各部件的受力损伤状态及应力分布，获得了SCB火工品在受冲击过载过程中的力学行为，为提高SCB火工品的抗高加速度冲击过载性能奠定基础。

1 Hopkinson压杆实验

Hopkinson压杆实验技术用来测量材料的动态应力——应变行为，该实验技术的理论基础是一维应力波理论，通过测量两压杆上的应变来推导试件上的应力——应变关系[2]。

1.1 实验装置及样品

实验装置及设备如图1所示，本文采用的分离式Hopkinson压杆实验装置参数如表1所示。

图1 分离式Hopkinson杆实验装置Fig.1 The diagram of SHPB device

表1 SHPB实验装置参数Tab.1 The parameters of SHPB

实验样品为SCB火工品，以钝感材料代替装药防止样品在大变形情况下意外发火，结构示意见图2。

图2 半导体桥火工品结构示意图Fig.2 The configuration schematic of SCB initiator

1.2 实验方法

图1中通过与高压氮气瓶连接的气压调节装置控制子弹的发射速度，利用测速电路进行子弹速度的测定。将SCB模拟样品夹于输入杆和输出杆之间，样品输出端贴于输入杆的端面。贴于输入杆和输出杆的应变器可以测得应变脉冲信号，经超动态应变仪放大后由瞬态波形存储器采集存储。由于压杆的长径比很大，应力波在细长杆中传播时，可以忽略波的衰减和弥散效应，因此可根据一维应力波理论计算加速度值[3]。本文应用SHPB装置进行了不同子弹速度下的力学过载模拟实验，分析研究了 SCB在不同力学过载环境下的结构失效及各部件的受损情况。

2 实验结果及分析

不同子弹速度下SCB模拟样品的轴向压缩实验结果如图3所示，从图3中可以看出随着子弹速度的增加，样品的直径膨胀比例、长度压缩比例都是逐渐增大的。

图3 SCB火工品模拟样品轴向压缩实验结果Fig.3 The axial compression experimental results of simulated SCB samples

图 4和图 5分别为实验后样品的俯视图及侧视图，图中从左向右样品承受的子弹速度依次增大。从图4～5中可以看出，随着子弹速度的增加，样品输出端的径向膨胀及轴向压缩变形增大，SCB样品输出端的收口处最先出现屈服现象，且收口处呈现喇叭状形变。

图4 实验后样品俯视图Fig.4 The top view of sample after the experiment

图5 实验后样品侧视图Fig.5 The side view of sample after the experiment

由于 SCB样品输入端收口处壳体的轴向厚度较大（约1.5mm），且内部装有陶瓷电极塞，因此SCB模拟样品输入端部分的抗过载能力强，形变较小。当子弹速度达到22.2m/s时，如图4（b）、5（b）所示输入端仍然没有屈服，但输出端盖帽部位已发生剪切现象。

图6为壳体薄弱部位的变形情况，由图6可见，输出端收口处为 SCB样品结构的薄弱部位，此处的壳体厚度仅为0.2mm。当受到高加速度冲击时，此处最先发生变形，当子弹速度进一步增大至 23.8m/s，管壳的中部位置发生剪切，如图4（c）、5（c）所示。此时桥区裸露，显微镜下观察结果如图7所示。从图7中可以看出，虽然壳体在过载实验后严重变形，但桥区并没有出现裂纹等损伤现象，可以推断电极塞及换能元的设计具有较好的抗过载能力。

图6 壳体薄弱环节的变形Fig.6 The deformation of weak part in shell

图7 过载实验后的芯片Fig.7 The chip after overload experiment

3 仿真计算

由于过载实验仅能获得样品的变形情况，无法得到过载实验过程中样品内各部件的受力历程及应力分布情况。因此，本文采用仿真计算的方法，分析结构失效及应力波对SCB火工品各部件的影响。

3.1 仿真模型及参数

根据SHPB实验的环境，考虑计算时间及精度，建立了二维轴对称的几何模型，如图8所示。有限元模型材料定义：输入杆和输出杆使用线弹性材料，弹性模量和泊松比分别为 207GPa和 0.3，密度为7.8g/cm3。子弹长为300mm，输入杆和输出杆均为1 000mm，SCB火工品材料参数及模型如表2所示。

图8 SHPB及SCB火工品2D轴对称模型网格Fig.8 The grid of SHPB and 2D axial symmetric model ofSCB initiator

表2 SCB火工品各部件状态方程及强度模型Tab.2 The state equation and strength model of SCB initiator parts

3.2 力学过载环境下的仿真计算结果及分析

在不考虑药剂挤压过程中发生化学反应的情况下，采用Mises应力分析样品的受力情况。当子弹速度为20m/s、时间为0.91×10-4s时，应力波前沿到达SCB火工品，此前试件上的Mises应力为零，输入杆及样品的Mises应力分布如图9所示。

图9 应力波前沿到达试件时的Mises应力(t=0.91×10-4s)Fig.9 The Mises stress distribution when the head of force wave arrived (t=0.91×10-4s)

图10为t=1.11×10-4s时，应力波导致SCB火工品输出端盖帽的微弱形变情况。由于壳体输出端收口处厚度仅为0.2mm，此处最先发生屈服，压迫盖帽导致其发生变形，致使盖帽与入射杆接触。从图10（b）中Mises应力分布云图（左侧数值从下至上逐渐增大）来看，样品收口处的Mises应力最大，这也是样品从输出端收口处最先发生屈服变形的原因。

随着应力波的持续加载，SCB火工品输出端收口处出现屈服现象。这是由于在屈服过程中，壳体承受3.979e+05 3.482e+05 2.984e+05 2.487e+05 1.990e+05 1.492e+05 9.948e+05 4.974e+05 0.000e+051.2GPa以上的流动应力，由于壳体材料本身的屈服强度为1 184MPa，因此壳体中最薄部位输出端收口处首先发生屈服，薄壁随之也发生屈服；随着屈服的加大，盖帽与输入杆端面接触，内部药柱受到挤压，SCB壳体与药剂连接部分随着应力波的持续加载发生更大的屈服。在屈服过程中壳体吸收大部分应力波能量，从而使SCB火工品换能元芯片承受的Mises应力相对较小，在t=1.34×10-4s时刻，芯片上的Mises应力值最大为250MPa，仍小于其芯片碎裂强度300MPa[4]。因此，在与壳体承受同样的过载条件下，芯片不会发生结构失效。

图10 各部件形变情况及Mises应力分布(t=1.11×10-4s)Fig.10 The deformation of sample and distribution of Mises stress(t=1.11×10-4s)

图11 SCB火工品屈服状态(t =1.97×10-4s)Fig.11 The yield state of SCB initiator (t=1.97×10-4s)

图11为t=1.97×104s时SCB火工品屈服状态。从图11中可以看到壳体头部出现了剪切现象，剪切发生后 SCB火工品内部各部件所承受的应力变大，这将会直接导致内部部件发生结构失效。仿真计算结果与SHPB实验结果相比，变形均是试件输出端呈现喇叭状，其剪切位置也与实验结果得到的部位相同。

由此可见，SCB火工品受到应力波作用后，使其发生屈服的应力与壳体在高应变率下的屈服强度相近，即 SCB火工品壳体的结构直接影响其抗力学过载环境下的性能，一旦壳体发生剪切现象，其内部各部件将受到非常大的损害，甚至导致其失效。因此，在抗结构失效中，对壳体进行尺寸改变及材料替换是最直接有效的加固方法。

4 结论

（1）通过SCB火工品结构失效的SHPB实验研究可知，实验用样品的薄弱位置为输出端的收口处。当应力波持续峰值大于其屈服强度（1 184MPa），收口处出现屈服现象。当屈服达到一定程度时，其收口处会出现剪切现象。

（2）通过仿真计算，获得了SCB模拟样品的变形情况，计算结果与实验现象吻合。SCB火工品的输出端收口处Mises应力集中，进一步验证了实验结果，同时也验证了本文所建立的计算模型是正确的。

[1]王娜,沈瑞琪,叶迎华.霍普金森杆测量火工品过载情况的研究与数值模拟[J].火工品,2004(1):43-47.

[2]王娜.冲击波加载过程中火工品的受力分析[D].南京：硕南京理工大学,2004.

[3]王礼立，王永刚.应力波在用SHPB研究材料动态本构特性中的重要作用[J].爆炸与冲击,2005(1):17-25.

[4]W.D.Fahey Quantico Industries,Inc.Hollister,Ca.An improved ignition device the reactive semiconductor bridge[R].Fahey Quantico Industries, 2001.