蜂窝结构炸药与双面爆炸复合的研究

发布时间：2017-03-20 14:04

  本文关键词：蜂窝结构炸药与双面爆炸复合的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：爆炸复合材料由于具有工艺简单、成本低廉、性能优良、能源丰富等优点,己成为金属加工中一个非常重要的复合材料。但目前,国内外采用的仍然是原始的大装药量的单面爆炸复合方法,仅利用了炸药一侧的能量,导致大部分的炸药爆炸能量以冲击波的形式释放在空间中,造成了爆炸复合“高噪低效”的特点；目前爆炸复合用炸药大多是粉状炸药,粉状炸药作的密度和均匀性很难控制,这必然导致其爆速不稳定,影响产品质量。还存在工作量大、粉尘污染严重,损害操作人员的身心健康、机械化程度低等问题。针对现行爆炸复合材料中存在的问题,本文提出了一种新型的蜂窝结构炸药用于爆炸复合,同时结合蜂窝结构炸药设计了一种新型的双面爆炸复合方法,一次起爆可同时获得两组复合板。炸药在双面复板的约束下,阻止了侧向稀疏波的入侵,减少了爆轰波能量的损耗,提高了能量利用率,炸药的单耗仅为传统方法的l0～20%。 为了解决爆炸复合装药存在的装药方式落后的问题,设计了由蜂窝铝和乳化炸药制成的爆炸复合用的蜂窝结构炸药,由于蜂窝结构和双面复板的多向约束,使得乳化炸药在厚度为5mm时仍能稳定传爆,改善了装药质量。分别对蜂窝结构炸药的相关爆轰参数进行了测试计算,结果表明：5mm厚度的蜂窝结构乳化炸药爆速为4510m/s,13mm厚的蜂窝结构炸药驱动复板的爆轰压力为808MPa,CJ面上的密度为1.49g/cm3,爆轰产物的速度为1128m/s,爆轰压力为5.7GPa 分别对45号钢/Q235钢、不锈钢/Q235钢双面爆炸复进行了理论计算与实验研究,计算结果表明：45号钢/Q235钢的双面爆炸复合窗口为：222m/sυp716m/s、1045m/sυD;5200m/s;不锈钢/Q235钢双面爆炸复合窗口为：197m/sυp557m/s,851m/sυD5200m/s。针对45号钢/Q235钢、不锈钢/Q235钢进行的双面爆炸复合试验表明：爆炸复合界面的结合形态中均匀细小的波状结合由于缝隙小、空洞少具有较高的结合强度,说明双面爆炸复合切实可行。结合爆炸复合窗口的计算结果,通过Gurney公式、Aziz公式及Deribas公式对45号钢/Q235钢、不锈钢/Q235钢的双面爆炸复合试验结果进行的预测表明,Deribas公式计算所得的碰撞速度与45号钢/Q235钢、不锈钢/Q235钢的双面爆炸复合试验结果非常吻合,可对爆炸复合生产提供理论指导。双面爆炸复合使炸药爆炸产生的能量绝大部分用于材料的复合,对于45号钢与Q235钢的双面爆炸复合,较之于传统的单面爆炸复合在复合相同数量的复合板的情况下,炸药使用量减少了83%；对于不锈钢与Q235钢进行了双面爆炸复合,较之于传统的单面爆炸复合在复合相同数量的复合板的情况下,炸药的使用量减少了77%。解决了爆炸复合生产中存在的“高噪低效”问题,达到了低能、高效、环保的效果。结合界面的形态与质量比有着密切的关系,质量比越大,结合界面获得的结合能量也就越多。实验中使用的炸药并非爆炸复合常用的低爆速炸药(约2000-3000m/s),而是爆速较高的乳化炸药,由试验的结果可以看出,并非不能满足爆炸复合的要求,爆炸复合产生了结合强度较高的微波状结合界面,而且基复板间隙中的空气并没有受到较高爆速的影响而出现排气不畅引起的鼓包,与传统的爆炸复合所用的低爆速炸药相比,爆速高,其所对应的爆轰压力和爆炸产物的能量也就越高,提供给复板的加速度也就越大,为使复板达到与使用低爆速炸药产生相同的碰撞速度,所用的炸药量相对就越少,炸药的利用率就越高。 通过LS-DYNA软件采用无网格的SPH方法对爆炸复合界面波形变化规律进行二维的数值模拟,模拟结果中再现了爆炸复合过程中的射流和波形结合的现象,说明无网格SPH方法用于爆炸复合的有效性。模拟中并未考虑炸药爆轰产物不断堆集对界面波变化影响,结果中仍出现了爆炸复合实际生产过程中界面波由起爆端至末端波形尺寸缓慢增加的现象,分析原因：由于基板与复板的碰撞,在金属板的待复合区产生了振动能,并随着碰撞点的向前推移,前碰撞点引起的振动能不断叠加,使得待复合金属板的振动不断加强,导致基复板由起爆端至末端的碰撞速度也不断增加。考虑到随着炸药爆轰波的推移,爆炸产物不断堆集,即作用于待复合金属板上的载荷将会增加,基复板的碰撞速度也将增加,再结合基复板碰撞引起的待复合板振动对界面波形变化的影响,认为爆炸复合过程中界面波由金属板的起爆端至末端波形尺寸缓慢增加是由炸药爆轰产物的堆集与基复板碰撞产生的振动能共同作用的结果。 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二维数值模拟研究,以全新的观点揭示了爆炸复合边界效应的产生机理：起爆端的爆轰产物由于受到稀疏波的影响,使得作用于起爆端的压力衰减的较快,导致起爆端的碰撞角为负值,炸药的爆轰产物作用于复板的起爆端的力F可以分为两个部分：F1和F2。F1是使复板向下碰撞的力,即结合力；F2是使复板产生边界效应的力,该力的大小可以表示为：F2=Fsinθ,在一定的角度下,F2可以将复板的起爆端撕裂。末端的爆轰产物同样由于受到稀疏波的影响,使得作用于末端的压力衰减的较快,导致末端的碰撞角比板内部的碰撞角大,炸药的爆轰产物作用于复板末端的力F..可以分为两个部分：F5和F6。F5是使复板向下碰撞的力,即结合力；F6是使复板产生边界效应的力,该力的大小可以表示为：F6=F·sinβ。由于碰撞点处产生射流是爆炸复合的必要条件,且射流产生的条件为：5°β25°,在此角度范围下,F6为力F..的8.72%～42.26%,由于末端的碰撞角大于板内部的碰撞角β1,一定角度下F6可以产生边界效应,即将复板的起爆端撕裂。由于蜂窝结构和双面复板的多向约束有效的降低了稀疏波的对爆轰产物的影响,在不增大装药尺寸和增大复板尺寸的情况下,采用蜂窝结构炸药及双面爆炸复合方法可以使得边界效应得到了有效的控制,使得爆炸复合的有效结合面积更高,不仅节约了成本,而且有利于环保。 为了提高计算效率,利用LS-DYNA软件采用SPH-FEM耦合方法对第三章中的爆炸复合的可行性实验进行了三维的数值模拟,结果表明：10mm药厚与5mm药厚下的复板位移均略大于间隙值6mm,这是由于爆轰载荷作用下,复板有一定的减薄率所致；10mm药厚下复板中部的最大碰撞速度为897m/s,碰撞压力为17.08GPa;5mm药厚下复板中部的最大碰撞速度为565m/s,碰撞压力为l1.25GPa。通过与三种理论公式(Gurney公式、Aziz公式、Deribas公式)下碰撞速度的计算结果比较发现,数值模拟结果与Deribas公式的计算结果较接近,误差较小,与实验结果较吻合,说明了SPH-FEM耦合方法用于双面爆炸复合的有效性,同时Deribas公式与SPH-FEM耦合方法对双面爆炸复合具有较好的指导意义；10mm药厚与5mm药厚下复板的碰撞速度与碰撞压力均出现随着距起爆端距离的增加,该现象是由于爆轰产物不断堆集与前碰撞点在金属板待复合区振动能的不断增加共同作用的结果。
【关键词】：蜂窝结构炸药 双面爆炸复合 能量利用率边界效应 结合界面 数值模拟 光滑粒子—有限元耦合方法
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O38
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-15
• 第1章 绪论15-33
• 1.1 研究背景及意义15-16
• 1.2 国内外研究现状16-23
• 1.2.1 爆炸复合技术16-18
• 1.2.2 爆炸复合用炸药研究18-19
• 1.2.3 爆炸复合的机理研究19-21
• 1.2.4 爆炸复合数值模拟现状21-23
• 1.3 本文的主要研究内容23-25
• 参考文献25-33
• 第2章 爆炸复合专用结构炸药研究33-49
• 2.1 引言33
• 2.2 爆轰理论发展史33-37
• 2.2.1 C-J 理念33-35
• 2.2.2 ZND模型35-36
• 2.2.3 W-K理论36-37
• 2.3 炸药爆轰的尺寸效应37-38
• 2.4 蜂窝结构炸药的制备38-39
• 2.5 蜂窝结构炸药的爆轰参数测试及计算39-46
• 2.5.1 蜂窝结构炸药临界厚度的测试39-40
• 2.5.2 蜂窝结构炸药爆速测试40-41
• 2.5.3 蜂窝结构炸药驱动复板爆轰压力的测量41-45
• 2.5.4 其它爆轰参数的计算45-46
• 2.6 本章小结46-47
• 参考文献47-49
• 第3章 双面爆炸复合的实验研究49-71
• 3.1 引言49
• 3.2 双面爆炸复合可行性研究49-58
• 3.2.1 炸药爆炸的能量利用率50-51
• 3.2.2 双面爆炸复合窗口的理论计算51-53
• 3.2.3 45号钢/Q235钢的双面爆炸复合实验结果预测53-55
• 3.2.4 45号钢/Q235钢的双面爆炸复合实验55-58
• 3.3 不锈钢/Q235钢的双面爆炸复合研究58-66
• 3.3.1 不锈钢/Q235钢双面爆炸复合窗口的理论计算59-60
• 3.3.2 不锈钢/Q235钢双面爆炸复合实验结果预测60-62
• 3.3.3 不锈钢/Q235钢的双面爆炸复合实验62-66
• 3.4 本章小结66-69
• 参考文献69-71
• 第4章 爆炸复合界面波形变化规律的数值模拟71-83
• 4.1 引言71
• 4.2 数值模拟方法的选择71-73
• 4.2.1 数值计算方法的对比分析71-72
• 4.2.2 SPH 方法72-73
• 4.3 爆炸复合结合界面波形参数变化规律的数值模拟73-75
• 4.3.1 计算模型73-74
• 4.3.2 材料模型及参数设定74-75
• 4.4 模拟结果与分析75-79
• 4.4.1 模拟结果75-78
• 4.4.2 分析与讨论78-79
• 4.5 本章小结79-81
• 参考文献81-83
• 第5章 基于SPH方法的爆炸复合边界效应的数值模拟83-95
• 5.1 引言83
• 5.2 计算模型及参数选取83-86
• 5.2.1 计算模型83-84
• 5.2.2 材料模型及参数设定84-86
• 5.3 模拟结果与分析86-90
• 5.3.1 模拟结果86-88
• 5.3.2 分析与讨论88-90
• 5.4 本章小结90-93
• 参考文献93-95
• 第6章 双面爆炸复合的数值模拟95-113
• 6.1 引言95
• 6.2 计算模型及参数选取95-98
• 6.2.1 计算模型95-96
• 6.2.2 材料模型及参数设定96-98
• 6.3 模拟结果与分析98-109
• 6.3.1 10mm药厚下的模拟结果98-103
• 6.3.2 5mm药厚下的模拟结果103-108
• 6.3.3 分析与讨论108-109
• 6.4 本章小结109-111
• 参考文献111-113
• 第7章 全文总结113-117
• 7.1 全文总结113-115
• 7.2 主要创新点115-116
• 7.3 未来工作展望116-117
• 致谢117-119
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果119-120

【参考文献】

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  本文关键词：蜂窝结构炸药与双面爆炸复合的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：257884