銅切割索切割性能差異性分析

楊紅偉, 王 友, 彭文彬

(四川航天川南火工技術(shù)有限公司,四川 瀘州646003)

0 引言

銅切割索是常見的一種利用聚能效應(yīng)實(shí)現(xiàn)線性切割分離的裝置。當(dāng)銅切割索被起爆后,內(nèi)裝藥劑爆轟產(chǎn)生高溫高壓氣體,以幾百萬個(gè)大氣壓的壓力作用于V型聚能槽,V型聚能槽被迅速壓垮并在對稱面聚合發(fā)生碰撞,形成垂直向下的薄片狀的金屬射流。這種金屬射流一般是呈塑性流動(dòng)狀態(tài)的高速金屬流體,金屬射流在運(yùn)動(dòng)過程中不斷加速被拉長,頭部以(3 000～5 000)m/s的速度切割靶板,靶板從碰撞點(diǎn)處崩裂,射流在崩裂處產(chǎn)生高溫、高壓、高應(yīng)變率區(qū)域,后續(xù)射流對該區(qū)域持續(xù)切割,射流的能量在切割過程中不斷被消耗,直至射流切割停止[1]。

一種裝藥為黑索今炸藥,裝藥線密度為4.5 g/m的銅切割索進(jìn)行靶板分離試驗(yàn)時(shí),出現(xiàn)了從同一根銅切割索兩端分別取樣相同長度的銅切割索(后文以A端、B端區(qū)分),經(jīng)爆速、線密度測試合格且判斷基本一致后,切割分離相同材料、相同厚度的靶板時(shí),卻出現(xiàn)了A端銅切割索順利分離靶板,而B端銅切割索未能分離靶板的現(xiàn)象。

本文參考美國恩賽-貝克福特航天防務(wù)公司(EBA&D)標(biāo)準(zhǔn)系列切割索切割能力分析方法,基于AUTODYN仿真分析軟件,對上述現(xiàn)象進(jìn)行分析,并提出改進(jìn)建議。

1 存在問題

銅切割索在生產(chǎn)制造時(shí),對已知的影響切割性能的參數(shù)進(jìn)行了控制和測量,如裝藥線密度ρ,V型聚能槽聚能頂角α、聚能槽深度h、總高度H、總寬度L、聚能頂角厚度δ等參數(shù),確保銅切割索參數(shù)滿足設(shè)計(jì)文件要求。

圖1 銅切割索主要型面參數(shù)示意圖

試驗(yàn)所用銅切割索截面如圖2所示,左圖為A端樣本實(shí)物型面,右圖為B端樣本實(shí)物型面。對比A端和B端銅切割索型面,兩者基本一致。

圖2 銅切割索A、B端型面圖

對A、B兩樣本型面參數(shù)進(jìn)行測量,并以A端樣本型面參數(shù)為基準(zhǔn),計(jì)算B端與A端樣本型面的差異性,以百分比表示,如表1所示,線密度的差異值為(4.32-4.26)/4.32=1.4%。

表1 A、B端樣本型面參數(shù)值

表1可以看出,A、B兩端樣本型面差異性最大的參數(shù)為聚能頂角厚度,為5.3%,其次依次是聚能槽深度、總高度和線密度,總寬度差異值僅0.3%。從工程上可以認(rèn)為A、B兩端的樣本在性能上是相當(dāng)?shù)?但其試驗(yàn)結(jié)果卻截然不同,什么原因造成這種差異,如何避免這種情況發(fā)生,如何提高銅切割索切割性能需要進(jìn)行研究。

2 仿真模型

為分析聚能頂角厚度δ、聚能槽深度h、總高度H和線密度ρ分別對銅切割索切割性能的影響,利用AUTODYN軟件對這些參數(shù)進(jìn)行仿真分析。

銅切割索工作過程中會(huì)產(chǎn)生高溫高壓射流環(huán)境,因此將炸藥、銅皮均定義為流體。采用Euler、2D Multi-material算法,模擬炸藥膨脹及金屬射流的形成。在整個(gè)平面建立一歐拉域,然后進(jìn)行材料替換,邊界條件為Flow-Out(Euler)。靶板采用拉格朗日算法,更好地模擬材料被侵蝕的過程[2]。

銅切割索外殼為紫銅,內(nèi)裝藥劑為黑索今。被分離的靶板材料為2A14-T6鋁板,厚度為6.4 mm。兼顧運(yùn)算精度與運(yùn)行速度,銅皮和黑索今均為歐拉網(wǎng)格,最小單元尺寸為0.025 mm,保證了頂角壁厚處至少有6個(gè)單元厚度。靶板為拉格朗日網(wǎng)格,最小單元尺寸為0.025 mm。完成仿真計(jì)算后,測量金屬射流切開靶板的深度。

外殼為紫銅,采用Shock狀態(tài)方程,Steinberg Guina強(qiáng)化模型。仿真主要參數(shù)及取值為：密度ρ取值8.93 g/cm3,剪切模量G取值47.7 GPa,抗拉強(qiáng)度σb取值640 MPa,屈服強(qiáng)度σs取值120 MPa。

炸藥為黑索今,采用JWL狀態(tài)方程。仿真主要參數(shù)及取值：爆速D取值7 450 m/s,體密度ρ取值1 700 kg/m3,化學(xué)能C-Jenergy取值8.56 e6kJ/m3,爆壓C-Jpressure取值2.2 e7k Pa,壓力指數(shù)A取值625GPa,壓力指數(shù)B取值23.29 GPa,多項(xiàng)式系數(shù)R1取值5.25,多項(xiàng)式系數(shù)R2取值1.6,多項(xiàng)式系數(shù)ω取值0.28。

靶板為鋁,采用Shock狀態(tài)方程,Steinberg Guina強(qiáng)化模型,Geometric Strain侵蝕模型。仿真主要參數(shù)及取值：密度ρ取值2.7 g/cm3,剪切模量G取值27.6 GPa,抗拉強(qiáng)度σb取值680 MPa,屈服強(qiáng)度σs取值290 MPa,侵蝕系數(shù)取值2。

采用單因素和多因素兩種方法對銅切割索切割性能差異性進(jìn)行仿真分析。單因素差異性仿真分析為國內(nèi)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程常用的分析方法,單一因素的改變會(huì)導(dǎo)致金屬射流速度的變化,進(jìn)而影響銅切割索的切割性能。多因素差異性仿真分析是一種新的分析方法,通過將多種單因素整合為某種具有代表性的特征值,該特征值影響炸藥工作過程中的爆壓和爆速、銅切割索V型槽壓垮速度、金屬射流長度和頭部速度等,可以較為準(zhǔn)確地模擬多因素差異性對銅切割索切割性能的影響。

以銅切割索A端樣本型面為基本仿真模型,采用描點(diǎn)法建模,分別采用單因素和多因素兩種方法對銅切割索切割性能差異性進(jìn)行分析,基本模型如圖3所示。

圖3 銅切割索基本仿真模型圖

3 單因素差異性分析

為了分析聚能頂角厚度δ、聚能槽深度h、總高度H和線密度ρ對銅切割索切割性能的影響,以A、B端樣本型面參數(shù)為基礎(chǔ)建模仿真。首先,按照A端樣本型面參數(shù)建模仿真得到銅切割索工作后的切割深度為4.35 mm;然后用B端樣本型面參數(shù)逐項(xiàng)替代A端樣本型面參數(shù),再次建模仿真,得到在改變A端樣本其中一項(xiàng)型面參數(shù)的情況下,銅切割索工作時(shí)的切割深度。

表5是將A端樣本型面參數(shù)的聚能角頂角厚度δ、聚能槽深度h、總高度H和線密度ρ依次替換為B端樣本型面參數(shù)后建模仿真的數(shù)據(jù),四個(gè)單因素變化后的切割效果圖如圖4所示。

表2 銅切割索型面參數(shù)值

圖4 銅切割索切割靶板結(jié)果圖

通過改變A端樣本型面參數(shù)分別得到了切割深度情況：改變聚能頂角厚度后的切割深度為4.25 mm,切割能力下降2.3%;改變聚能槽深度后的切割深度為4.30 mm,切割能力下降1.2%;改變總高度和線密度后,切割能力無變化。表明單因素的參數(shù)變化并不是導(dǎo)致銅切割索切割能力下降的主要原因。

從銅切割索研制過程分析,為改變切割性能,一般都是針對單因素逐項(xiàng)調(diào)整,需要不同參數(shù)經(jīng)多次調(diào)整以后才能達(dá)到理想效果。說明單因素分析方法并不適用于銅切割索切割性能分析。

4 多因素差異性分析

EBA&D公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)系列切割索切割性能差異性分析表明,切割索生產(chǎn)過程中一個(gè)參數(shù)的改變會(huì)導(dǎo)致多個(gè)參數(shù)隨之變動(dòng)。切割性能變化不是由單因素變量引起,而是多因素變量的綜合作用[3]。為了準(zhǔn)確描述多因素變量對切割索切割性能的影響,EBA&D采用藥芯質(zhì)心分析法對切割索切割性能進(jìn)行分析。當(dāng)切割索藥芯質(zhì)心產(chǎn)生偏移時(shí),切割索聚能頂角壁厚、聚能槽深度、總高度均可能發(fā)生變化。EBA&D的分析結(jié)果表明：當(dāng)切割索藥芯質(zhì)心橫向偏離0.13 mm時(shí),射流會(huì)出現(xiàn)偏轉(zhuǎn),切割性能下降約40%。

對圖2中銅切割索A端和B端型面進(jìn)行質(zhì)心測量,以銅切割索中心面為基準(zhǔn),藥芯質(zhì)心橫向坐標(biāo)分別為0.01 mm和0.05 mm。B端型面的藥芯質(zhì)心橫向偏離中心面距離大于A端型面。采用藥芯質(zhì)心分析法對A、B兩端銅切割索進(jìn)行仿真分析,由于B端銅切割索質(zhì)心橫向偏移較大,黑索今工作后對V型聚能槽兩側(cè)金屬壁形成的壓力不同,被壓塌的速度產(chǎn)生差異而引起射流扭曲偏轉(zhuǎn)。

圖5為仿真模擬工作過程中射流形成圖。從圖5可以看出,B端型面形成的射流偏轉(zhuǎn)較大,射流并不是垂直切割靶板,存在偏轉(zhuǎn)角度,導(dǎo)致射流切割路徑增長,能量損耗增大,切割能力下降。

圖5 銅切割索切割靶板仿真模擬結(jié)果

測量仿真切割深度,A、B端切割深度分別為4.35 mm和3.90 mm,同A端型面銅切割索比較,B端型面銅切割索切割性能下降10.3%。

圖6為銅切割索A、B端再次分別取樣后的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果。其中,1#、3#樣本為B端取樣,2#樣本為A端取樣。2#樣本測試切割深度約4.4 mm,1#樣本射流偏轉(zhuǎn)嚴(yán)重,切割深度約3.8 mm;3#樣本射流偏轉(zhuǎn)輕微,切割深度約4.1 mm。對比A、B端樣本切割深度,B端樣本下降了13.6%。試驗(yàn)與仿真結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)論

銅切割索聚能頂角厚度、聚能槽深度、總高度和線密度等單因素對切割性能影響小,仿真分析時(shí)采用單因素分析法并不能確定其切割性能差異的根本原因。

圖6 銅切割索切割靶板試驗(yàn)圖

EBA&D公司提出的藥芯質(zhì)心分析法將多因素影響整合為單一質(zhì)心影響,利用質(zhì)心測量結(jié)果,綜合評(píng)估切割索切割性能,該方法試驗(yàn)和仿真結(jié)果基本吻合,為開展銅切割索型面優(yōu)化提供了支撐,也為生產(chǎn)中控制銅切割索型面,保證切割索性能提供檢測方法。