铜切割索切割性能差异性分析

2019-11-12杨红伟彭文彬

制导与引信 2019年1期

杨红伟, 王友, 彭文彬

(四川航天川南火工技术有限公司,四川泸州646003)

0 引言

铜切割索是常见的一种利用聚能效应实现线性切割分离的装置。当铜切割索被起爆后,内装药剂爆轰产生高温高压气体,以几百万个大气压的压力作用于V型聚能槽,V型聚能槽被迅速压垮并在对称面聚合发生碰撞,形成垂直向下的薄片状的金属射流。这种金属射流一般是呈塑性流动状态的高速金属流体,金属射流在运动过程中不断加速被拉长,头部以(3 000～5 000)m/s的速度切割靶板,靶板从碰撞点处崩裂,射流在崩裂处产生高温、高压、高应变率区域,后续射流对该区域持续切割,射流的能量在切割过程中不断被消耗,直至射流切割停止[1]。

一种装药为黑索今炸药,装药线密度为4.5 g/m的铜切割索进行靶板分离试验时,出现了从同一根铜切割索两端分别取样相同长度的铜切割索(后文以A端、B端区分),经爆速、线密度测试合格且判断基本一致后,切割分离相同材料、相同厚度的靶板时,却出现了A端铜切割索顺利分离靶板,而B端铜切割索未能分离靶板的现象。

本文参考美国恩赛-贝克福特航天防务公司(EBA&D)标准系列切割索切割能力分析方法,基于AUTODYN仿真分析软件,对上述现象进行分析,并提出改进建议。

1 存在问题

铜切割索在生产制造时,对已知的影响切割性能的参数进行了控制和测量,如装药线密度ρ,V型聚能槽聚能顶角α、聚能槽深度h、总高度H、总宽度L、聚能顶角厚度δ等参数,确保铜切割索参数满足设计文件要求。

图1 铜切割索主要型面参数示意图

试验所用铜切割索截面如图2所示,左图为A端样本实物型面,右图为B端样本实物型面。对比A端和B端铜切割索型面,两者基本一致。

图2 铜切割索A、B端型面图

对A、B两样本型面参数进行测量,并以A端样本型面参数为基准,计算B端与A端样本型面的差异性,以百分比表示,如表1所示,线密度的差异值为(4.32-4.26)/4.32=1.4%。

表1 A、B端样本型面参数值

表1可以看出,A、B两端样本型面差异性最大的参数为聚能顶角厚度,为5.3%,其次依次是聚能槽深度、总高度和线密度,总宽度差异值仅0.3%。从工程上可以认为A、B两端的样本在性能上是相当的,但其试验结果却截然不同,什么原因造成这种差异,如何避免这种情况发生,如何提高铜切割索切割性能需要进行研究。

2 仿真模型

为分析聚能顶角厚度δ、聚能槽深度h、总高度H和线密度ρ分别对铜切割索切割性能的影响,利用AUTODYN软件对这些参数进行仿真分析。

铜切割索工作过程中会产生高温高压射流环境,因此将炸药、铜皮均定义为流体。采用Euler、2D Multi-material算法,模拟炸药膨胀及金属射流的形成。在整个平面建立一欧拉域,然后进行材料替换,边界条件为Flow-Out(Euler)。靶板采用拉格朗日算法,更好地模拟材料被侵蚀的过程[2]。

铜切割索外壳为紫铜,内装药剂为黑索今。被分离的靶板材料为2A14-T6铝板,厚度为6.4 mm。兼顾运算精度与运行速度,铜皮和黑索今均为欧拉网格,最小单元尺寸为0.025 mm,保证了顶角壁厚处至少有6个单元厚度。靶板为拉格朗日网格,最小单元尺寸为0.025 mm。完成仿真计算后,测量金属射流切开靶板的深度。

外壳为紫铜,采用Shock状态方程,Steinberg Guina强化模型。仿真主要参数及取值为：密度ρ取值8.93 g/cm3,剪切模量G取值47.7 GPa,抗拉强度σb取值640 MPa,屈服强度σs取值120 MPa。

炸药为黑索今,采用JWL状态方程。仿真主要参数及取值：爆速D取值7 450 m/s,体密度ρ取值1 700 kg/m3,化学能C-Jenergy取值8.56 e6kJ/m3,爆压C-Jpressure取值2.2 e7k Pa,压力指数A取值625GPa,压力指数B取值23.29 GPa,多项式系数R1取值5.25,多项式系数R2取值1.6,多项式系数ω取值0.28。

靶板为铝,采用Shock状态方程,Steinberg Guina强化模型,Geometric Strain侵蚀模型。仿真主要参数及取值：密度ρ取值2.7 g/cm3,剪切模量G取值27.6 GPa,抗拉强度σb取值680 MPa,屈服强度σs取值290 MPa,侵蚀系数取值2。

采用单因素和多因素两种方法对铜切割索切割性能差异性进行仿真分析。单因素差异性仿真分析为国内设计和生产过程常用的分析方法,单一因素的改变会导致金属射流速度的变化,进而影响铜切割索的切割性能。多因素差异性仿真分析是一种新的分析方法,通过将多种单因素整合为某种具有代表性的特征值,该特征值影响炸药工作过程中的爆压和爆速、铜切割索V型槽压垮速度、金属射流长度和头部速度等,可以较为准确地模拟多因素差异性对铜切割索切割性能的影响。

以铜切割索A端样本型面为基本仿真模型,采用描点法建模,分别采用单因素和多因素两种方法对铜切割索切割性能差异性进行分析,基本模型如图3所示。

图3 铜切割索基本仿真模型图

3 单因素差异性分析

为了分析聚能顶角厚度δ、聚能槽深度h、总高度H和线密度ρ对铜切割索切割性能的影响,以A、B端样本型面参数为基础建模仿真。首先,按照A端样本型面参数建模仿真得到铜切割索工作后的切割深度为4.35 mm;然后用B端样本型面参数逐项替代A端样本型面参数,再次建模仿真,得到在改变A端样本其中一项型面参数的情况下,铜切割索工作时的切割深度。

表5是将A端样本型面参数的聚能角顶角厚度δ、聚能槽深度h、总高度H和线密度ρ依次替换为B端样本型面参数后建模仿真的数据,四个单因素变化后的切割效果图如图4所示。

表2 铜切割索型面参数值

图4 铜切割索切割靶板结果图

通过改变A端样本型面参数分别得到了切割深度情况：改变聚能顶角厚度后的切割深度为4.25 mm,切割能力下降2.3%;改变聚能槽深度后的切割深度为4.30 mm,切割能力下降1.2%;改变总高度和线密度后,切割能力无变化。表明单因素的参数变化并不是导致铜切割索切割能力下降的主要原因。

从铜切割索研制过程分析,为改变切割性能,一般都是针对单因素逐项调整,需要不同参数经多次调整以后才能达到理想效果。说明单因素分析方法并不适用于铜切割索切割性能分析。

4 多因素差异性分析

EBA&D公司生产的标准系列切割索切割性能差异性分析表明,切割索生产过程中一个参数的改变会导致多个参数随之变动。切割性能变化不是由单因素变量引起,而是多因素变量的综合作用[3]。为了准确描述多因素变量对切割索切割性能的影响,EBA&D采用药芯质心分析法对切割索切割性能进行分析。当切割索药芯质心产生偏移时,切割索聚能顶角壁厚、聚能槽深度、总高度均可能发生变化。EBA&D的分析结果表明：当切割索药芯质心横向偏离0.13 mm时,射流会出现偏转,切割性能下降约40%。

对图2中铜切割索A端和B端型面进行质心测量,以铜切割索中心面为基准,药芯质心横向坐标分别为0.01 mm和0.05 mm。B端型面的药芯质心横向偏离中心面距离大于A端型面。采用药芯质心分析法对A、B两端铜切割索进行仿真分析,由于B端铜切割索质心横向偏移较大,黑索今工作后对V型聚能槽两侧金属壁形成的压力不同,被压塌的速度产生差异而引起射流扭曲偏转。

图5为仿真模拟工作过程中射流形成图。从图5可以看出,B端型面形成的射流偏转较大,射流并不是垂直切割靶板,存在偏转角度,导致射流切割路径增长,能量损耗增大,切割能力下降。

图5 铜切割索切割靶板仿真模拟结果

测量仿真切割深度,A、B端切割深度分别为4.35 mm和3.90 mm,同A端型面铜切割索比较,B端型面铜切割索切割性能下降10.3%。

图6为铜切割索A、B端再次分别取样后的验证试验结果。其中,1#、3#样本为B端取样,2#样本为A端取样。2#样本测试切割深度约4.4 mm,1#样本射流偏转严重,切割深度约3.8 mm;3#样本射流偏转轻微,切割深度约4.1 mm。对比A、B端样本切割深度,B端样本下降了13.6%。试验与仿真结果基本吻合。