约束层对金属柱壳膨胀变形影响的数值模拟

发布时间：2019-07-25 15:07

【摘要】：对金属铝和硬质聚氨酯泡沫组合的约束层对45钢柱壳膨胀断裂性能的影响进行了数值模拟,得到三种约束条件下45钢柱壳在膨胀过程中表面的速度和位移历史剖面,对比分析了在约束层作用下45钢柱壳膨胀变形动态行为。利用高速分幅相机及中能X光机获得了多个时刻45钢柱壳的动态图像和柱壳膨胀后的工程应变,实验结果与数值模拟结果吻合。结果可对爆轰加载下约束层对45钢柱壳膨胀变形的物理规律进行定量认识。
【图文】：

光滑粒子算法是最适合的。带约束层金属柱壳模型如图1所示，包括主炸药、金属柱壳以及约束层(硬质聚氨酯泡沫和LY12铝)。爆轰加载采用一端起爆。主炸药为JOB-9003，尺寸为鄜40mm×120mm，密度1．874g/cm3;金属柱壳为45钢，外径48mm，内径40mm，长140mm，壁厚4mm，密度7．85g/cm3;填充物为硬质聚氨酯泡沫，外径62mm，内径48mm，长140mm，壁厚7mm，密度大约0．72g/cm3;约束金属柱壳为LY12铝，密度2．785g/cm3，内径62mm，长140mm，但壁厚wAl分别选择为1．1、4．0mm。需要注意的是模型中置于45钢柱壳和铝柱壳之间的硬质聚氨酯泡沫在某些工程应用中作为一种重要的缓冲层，该材料具有优良的抗变形力学性能。除此之外，模型还包括只有主炸药及45钢的柱壳结构(无约束情形)。因而，所有模拟考虑多种情形:没有约束层的金属柱壳结构，标记为C0;铝柱壳壁厚wAl=1．1mm，标记为C1;wAl=4．0mm，标记为C2。数值模拟采用二维轴对称模型。Lagrange网格代表着炸药和SPH粒子用于描述45钢、硬质聚氨酯泡沫和LY12铝。炸药与金属柱壳间的相互作用通过该软件的间隙接触算法来实现。考虑到模拟结果的合理性并参考文献［13］，SPH粒子的大小最终选择为0．25mm，生成的SPH粒子数目为26880，La-grange网格数目为11200。图1约束柱壳模型示意图Fig．1Schematicofconstrainedcylindermodel对于爆轰加载下无约束45钢柱壳的膨胀断裂过程，即C0情形，任国武等［13］早前已开展该过程的数值模拟，获得的表面速度或膨胀位移历史都较好地与实验结果吻合，表明该数值模拟中使用的炸药JOB-9003及45钢的状态方程和强度模型比较可靠，详细的参数可引自该文献。接下来将主要列出硬质聚氨酯泡沫和LY12铝的参数。实验结果表明不同密度(密度范围0?

中可以看出，压力在柱壳壁厚沿纵向呈现锯齿特征。注意到由于模型采用的一端起爆，所以爆轰波前沿是中心突出，不同于平面透镜获得垂直于柱体轴向的平面爆轰波。在45钢柱壳外施加一定厚度的约束层(C1、C2)后，如图2(e)、(i)所示。斜入射的冲击波达到45钢柱壳外表面后透射冲击波进入低波阻抗的硬质聚氨酯泡沫，同时反射稀疏波进入45钢柱壳。由于45钢的波阻抗远大于硬质聚氨酯泡沫，因此45钢柱壳的第一起跳速度与无约束层条件下(C0)的比较差异不大。当透射冲击波穿过硬质聚氨酯泡沫和铝柱壳，到达铝柱壳表面后，，铝柱壳表面速度也迅速上升，但由于铝柱壳厚度不同导致达到铝柱壳表面的冲击波强度也不同，壁越厚冲击波强度越小，所以厚壁铝柱壳的上升速度小于壁薄铝柱壳的同时也影响了反射稀疏波的强度，造成了在爆轰产物内的稀疏角度增加，如图2(f)、(j)所示。图3(a)、(b)分别展示了图2(h)、(l)的较大变形位置处的局部放大图，由于硬质聚氨酯泡沫的失效强度低，在爆轰形成三角波的拉伸作用下发生了层裂损伤。图2三种状态条件下不同时刻的柱壳膨胀过程Fig．2Expansionofcylindricalshellatdifferentmoments948爆炸与冲击第37卷
【作者单位】： 中国工程物理研究院流体物理研究所;
【分类号】：O346.1;O38

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本文编号：2519163