火工分離器仿真與實驗研究

邢星星，張 鵬，趙 錚

(1.南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，南京 210094;2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，鄭州 450015)

1 引言

快速分離技術(shù)在軍工行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用極其廣泛，如串聯(lián)戰(zhàn)斗部中前級戰(zhàn)斗部的快速分離和快速隨進(jìn)，以及各種實現(xiàn)快速分離功能的分離裝置。其中火工分離裝置因其做功穩(wěn)定響應(yīng)快結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢廣泛用于各種導(dǎo)彈、火箭的發(fā)射以及級間分離中，主要實現(xiàn)推拉負(fù)載，鎖定機(jī)構(gòu)，釋放機(jī)構(gòu)，操作開關(guān)，彈射艙蓋等功能?；鸸し蛛x裝置是由發(fā)火元件、裝藥和功能機(jī)構(gòu)組成并通過裝藥的爆炸或燃燒反應(yīng)，釋放出較大的、集中的能量來做機(jī)械功的裝置，是一次性作功裝置。

隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，對于火工分離裝置的研究越來越傾向于仿真與實驗相結(jié)合，利用仿真軟件模擬分離做功過程不僅能減少實驗成本節(jié)約研制時間，還能方便直觀地觀察到快速分離的整個動態(tài)過程。如陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所的王通等運用非線性有限元軟件 ANSYS/LS-DYNA模擬了切刀在雷管裝藥爆炸載荷爆轟驅(qū)動作用下切斷金屬桿的非線性瞬態(tài)動力學(xué)過程，并得到了相應(yīng)的各種曲線。北京工業(yè)大學(xué)工程數(shù)值模擬中心的陳敏等也借助于非線性 有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對宇航線式火工分離裝置在條形凝聚態(tài)炸藥接觸爆炸載荷作用下的非線性動態(tài)響應(yīng)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，描述了爆轟物質(zhì)的流動以及金屬圓柱殼的破口形狀、塑性區(qū)域隨時間增加的變化情況，得出了沖擊加速度與爆炸中心距離為近似線性關(guān)系，并預(yù)測了材料在爆轟波沖擊下的非線性動態(tài)響應(yīng)。相對于單純機(jī)械結(jié)構(gòu)做功而言，火工分離裝置具有較大的爆炸沖擊作用，需要通過合理的設(shè)計分離結(jié)構(gòu)使其在最小的沖擊作用下完成分離。陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所的夏冬星等設(shè)計了一種巧妙的彈射型爆炸螺栓結(jié)構(gòu)同時滿足了某型拋蓋裝置的分離速度和高承載要求，并對其作用過程進(jìn)行了分析和數(shù)學(xué)建模，利用 MatLab 編制內(nèi)彈道仿真程序進(jìn)行了輸出參數(shù)求解，準(zhǔn)確地預(yù)測了該型爆炸螺栓作用過程。中國兵器工業(yè)第213研究所的張迎春等針對某無人機(jī)用爆炸螺栓的剪切負(fù)載試驗要求，設(shè)計了分離試驗工裝。該試驗工裝采用杠桿原理，并結(jié)合爆炸螺栓的使用可以在較大剪切負(fù)載條件下完成分離試驗，并可準(zhǔn)確測試分離時間、分離速度。此外南京理工大學(xué)的吳奇等還利用火藥推銷器切割插銷從而實現(xiàn)分離的做法，藥量小至10 mg，減小了對結(jié)構(gòu)的沖擊。并對火藥推銷器推銷過程進(jìn)行理論分析和計算，再運用 ANSYS/LS-DYNA 軟件進(jìn)行數(shù)值仿真，得到了推銷推力、位移、速度和時間的函數(shù)關(guān)系。

本研究利用動力學(xué)仿真軟件LS-DYNA對自行設(shè)計的火工分離器撞擊鋼球的整個過程進(jìn)行了仿真，得到了分離器的動態(tài)做功過程以及做功能力，還得到了鋼球的速度和加速度曲線以及分離器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，同時結(jié)合分離器撞擊鋼球分離實驗驗證了仿真結(jié)果，進(jìn)一步為分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了改善依據(jù)。為此類火工分離裝置提供了方法和思路。

2 分離器的結(jié)構(gòu)與工作原理

分離器結(jié)構(gòu)如圖1所示，由分離器殼體、推桿、前堵、后堵、膜片、推板組成。為了便于裝配，前堵、后堵與殼體以及推板與推桿之間均采用螺紋連接。推桿與前堵之間可相對滑動，推桿靠近藥室端與分離器殼體之間也可相互滑動。

1.外殼; 2.推桿; 3.前堵; 4.推板; 5.膜片; 6.后堵; 7.底座

分離器工作時，首先通過點火孔點燃發(fā)射藥，發(fā)射藥迅速燃燒產(chǎn)生大量高溫高壓的燃?xì)?，?dāng)燃?xì)鈮毫Υ笥谀て钠颇毫蟊銢_破膜片推動活塞桿做功，活塞在燃?xì)獾某掷m(xù)推動下再向外界做功直到活塞在前堵的攔截下停止。為了加快分離器的響應(yīng)時間，采用多45槍用發(fā)射藥，此火藥的燃速較快，可最大限度加快分離器的響應(yīng)時間。

3 分離器內(nèi)彈道計算及有限元仿真

3.1 內(nèi)彈道基本方程組

內(nèi)彈道基本方程組如式(1)所示。

(1)

式中：為火藥分裂前已燃百分?jǐn)?shù)；為火藥已燃相對厚度；為火藥分裂時已然相對厚度；、、、、為火藥形狀特征量；為燃速系數(shù)；為起始弧厚；為燃速指數(shù)；為壓力；為次要功系數(shù)；為活塞質(zhì)量；為外殼內(nèi)壁的截面積；為彈丸速度；為藥室自由容積縮徑長；為活塞行程；為火藥力；為裝藥質(zhì)量；為比熱比，=-1。

3.2 分離器內(nèi)彈道計算

利用visualstudio軟件結(jié)合內(nèi)彈道方程組編程，將如表1所示的分離器火藥參數(shù)代入程序，并通過四階龍格庫塔法求解得到活塞桿壓力、速度-時間曲線，如圖2、圖3所示，計算結(jié)果表明當(dāng)活塞運動到分離器出口時，速度達(dá)到了121.65 m/s，最大壓力為182 MPa，耗時0.86 ms，其中最大壓力值為分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了重要參考。

表1 多-45火藥特征參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of Duo-45 propellant

圖2 活塞桿內(nèi)彈道速度-時間曲線

圖3 活塞桿底部壓力-時間曲線

3.3 分離器動態(tài)仿真

..仿真模型

對于本文中的分離器裝置，利用動力學(xué)仿真軟件ANSYS/LS-DYNA建立其三維有限元模型并劃分網(wǎng)格如圖4所示。仿真模型將實際中的螺紋連接簡化為固連，將后堵、前堵與殼體視為一體，推板與活塞也視為一體，為縮短計算時間，減少計算量，略去點火孔而將結(jié)構(gòu)簡化為直接點燃底部發(fā)射藥。

圖4 有限元模型及網(wǎng)格圖

由于模型是中心對稱模型，為簡化計算和節(jié)省時間，故利用對稱性采用1/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，同時對對稱面進(jìn)行相應(yīng)的約束。由于本文中的流固耦合屬于強(qiáng)流固耦合作用了。為了滿足數(shù)值模擬計算的要求避免滲漏，網(wǎng)格應(yīng)具有良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和連續(xù)性，相鄰網(wǎng)格尺寸之比不大于2，以使數(shù)值解保持穩(wěn)定。

在此基礎(chǔ)上，為了使耦合更加充分，同時減小網(wǎng)格對仿真結(jié)果的影響，本文中進(jìn)行了流體與固體模型網(wǎng)格配比測試，流固網(wǎng)格配比即為“流體網(wǎng)格尺寸：固體網(wǎng)格尺寸”。將流固網(wǎng)格劃分配比(以流體網(wǎng)格1 mm劃分不變，只改變固體網(wǎng)格)從1∶1到1∶2每隔0.1劃分一次共10次并進(jìn)行計算，同時將流固網(wǎng)格劃分配比(以固體網(wǎng)格1 mm劃分不變，只改變流體網(wǎng)格)從1∶1到2∶1每隔0.1劃分一次共10次并進(jìn)行計算，經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，對于流體網(wǎng)格尺寸小于固體網(wǎng)格尺寸的情況，流體出現(xiàn)大量滲漏，流固耦合作用不明顯。對于流體網(wǎng)格尺寸大于固體網(wǎng)格尺寸的情況，流體則未出現(xiàn)大量滲漏，流固耦合作用明顯。并且對于流固網(wǎng)格比1.4∶1的時候，耦合最為充分，流體未出現(xiàn)滲漏，因此本文以流固網(wǎng)格最佳網(wǎng)格配比1.4∶1進(jìn)行計算。

..材料模型

在LS-DYNA中，火藥一般用高能炸藥材料模型關(guān)鍵字MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN來定義，其常用來模擬高速燃燒或爆炸的火炸藥。需要定義材料密度、爆速、爆壓以及CJ壓力。狀態(tài)方程用的是壓力多項式狀態(tài)方程EOS_LINEAR_POLYNOMIAL，其中壓力由下方公式給出：

=++++(++)

式中：為當(dāng)前密度，為參考密度，～為相關(guān)系數(shù)，對比內(nèi)彈道計算結(jié)果準(zhǔn)確調(diào)整火藥材料參數(shù)后具體參數(shù)如表2所示。

空氣狀態(tài)方程同樣用壓力多項式狀態(tài)方程EOS_LINEAR_POLYNOMIAL來描述，具體參數(shù)來源如表3所示。

表2 火藥材料參數(shù)Table 2 Gunpowder material parameters

表3 空氣材料參數(shù)Table 3 Air material parameters

除火藥與空氣流體模型外，分離器整體其余結(jié)構(gòu)材料均采用鋼材，由于分離器工作時所處的高溫高壓環(huán)境不會對鋼性結(jié)構(gòu)造成熔融性破壞，因此材料模型中可忽略狀態(tài)方程。本文中采用典型線彈性模型ELASTIC對鋼材進(jìn)行描述，需定義鋼材的密度、楊氏模量以及泊松比。

..仿真結(jié)果

選取分離器推桿速度時間曲線分析，曲線如圖5所示。

圖5 推桿仿真速度-時間曲線

觀察曲線可知，通過調(diào)整火藥模型參數(shù)得到由LS-DYNA仿真的推桿速度為120.6 m/s，基本與內(nèi)彈道計算的121.65 m/s相一致，其中0.6 ms速度驟減是因為推桿撞到前堵。在此基礎(chǔ)上再去仿真模擬分離器推鋼球的動態(tài)過程，即利用內(nèi)彈道理論的精確性優(yōu)勢結(jié)合LS-DYNA在仿真碰撞領(lǐng)域的優(yōu)勢，會大大提高分離器推鋼球仿真的準(zhǔn)確度。

4 分離器推鋼球仿真及分析

4.1 有限元材料模型

分離器推鋼球仿真模型與第3節(jié)中單個分離器基本一致，僅是在分離器模型基礎(chǔ)上添加了鋼球模型如圖6所示。材料也與單個分離器一樣，鋼球同樣是用的典型線彈性模型ELASTIC進(jìn)行描述。

圖6 有限元模型及網(wǎng)格圖

4.2 分離器推鋼球的仿真動態(tài)分離

分離器推鋼球的動態(tài)分離過程如圖7所示，仿真藥量為3.6 g，從圖7中可以看出火藥點燃后流體密度急劇增大，意味著火藥迅速燃燒產(chǎn)生大量燃?xì)?，之后隨著燃?xì)饬黧w密度不斷增大，活塞底部的壓力越來越大，活塞底部網(wǎng)格與外殼內(nèi)部網(wǎng)格發(fā)生微弱形變，活塞在燃?xì)鈮毫Φ耐苿酉卵剌S向向左運動并與鋼球發(fā)生撞擊，鋼球在活塞推板的撞擊下也向左運動，活塞在撞擊鋼球后瞬間反向運動，之后由于活塞底部燃?xì)鈮毫σ恢贝嬖诓⑶液艽螅钊谌細(xì)鈮毫Φ淖饔孟吕^續(xù)向左運動很快再次追上鋼球并發(fā)生碰撞，一直重復(fù)這個過程直到2 709 μs活塞被前堵阻擋直到最終停止，鋼球與活塞發(fā)生分離。

圖7 分離器動態(tài)分離過程圖

4.3 仿真結(jié)果分析

選取鋼球部分觀察其速度與加速度時間曲線(如圖8、圖9)分析其運動過程。從圖8中可以看出鋼球速度呈階梯式增長，這是由于鋼球與活塞用的是鋼材，硬度較大，接觸的一瞬間沒有發(fā)生明顯形變，可視為鋼性碰撞，因此活塞與鋼球撞擊后會發(fā)生回彈。鋼球速度的每一次增長即為活塞與鋼球的接觸碰撞產(chǎn)生的，這也與仿真觀察到的動態(tài)過程相符。期間總共經(jīng)歷了8次循環(huán)過程，最終活塞被前堵攔截，鋼球達(dá)到最大速度26.2 m/s。

圖8 速度-時間曲線

圖9 加速度-時間曲線

再觀察活塞桿應(yīng)力云圖如圖10可知在與鋼球碰撞時，活塞桿中心部位會產(chǎn)生很大的應(yīng)力，通過分析此部位的應(yīng)力曲線如圖11，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力值達(dá)到4 GPa以上，同時結(jié)合前期摸索階段的分離器實驗發(fā)現(xiàn)推桿出現(xiàn)嚴(yán)重彎折現(xiàn)象，導(dǎo)致推桿被卡住沒有完全推出，因此在分離器推桿的設(shè)計上加大了其直徑，此問題才得以解決。

圖10 推桿中心部位應(yīng)力云圖

圖11 推桿中心部位應(yīng)力曲線

5 分離器推鋼球?qū)嶒炦^程及結(jié)果

實驗內(nèi)容為火工分離器推4 kg鋼球。實驗裝置如圖12所示，主要有基座、分離器、鋼球、墊塊、鋼尺。將分離器與基座用螺栓連接，基座與地面固定，調(diào)整鋼球的位置使其對準(zhǔn)分離器活塞桿中心，鋼球底部距離地面1.1 m。分離器裝藥為多45發(fā)射藥，通過發(fā)火器引燃發(fā)射藥。

圖12 實驗裝置圖

實驗整個分離過程通過高速錄像記錄下來，經(jīng)過處理后如圖13所示，整個分離過程約為3 ms。

圖13 分離過程圖

實驗數(shù)據(jù)的采集主要通過高速攝像拍攝，同時高速攝像捕捉鋼球初始段的運動軌跡根據(jù)鋼尺的數(shù)字進(jìn)行計算。并且另外架設(shè)一臺普通攝像機(jī)捕捉鋼球遠(yuǎn)處落點并測量落點位置與鋼球初始位置的直線距離，根據(jù)自由落體運動來換算成鋼球的初速。

為了充分驗證分離器做功一致性與穩(wěn)定性，實驗以3.6 g藥量分別進(jìn)行了4次實驗，最終的實驗結(jié)果如表4所示。

實驗結(jié)果表明在4發(fā)3.6 g藥量分離實驗中，鋼球的平均速度為26.53 m/s。并且4發(fā)速度分別為26.8 m/s，25.95 m/s，27 m/s，26.37 m/s，說明分離器做功一致性較好。

表4 分離器做功實驗結(jié)果Table 4 Experimental results of separator doing work

6 結(jié)論

1) 設(shè)計了一種基于火藥燃燒做功的火工分離器，并結(jié)合仿真與實驗說明了其設(shè)計過程中需要注意的問題。

2) 根據(jù)精確的經(jīng)典內(nèi)彈道模型修正得到優(yōu)化后LS-DYNA火藥仿真模型。

3) 利用動力學(xué)仿真軟件LS-DYNA模擬火工分離器3.6 g藥量下的做功能力，4 kg鋼球達(dá)到26.2 m/s的初速，從推桿剛開始運動到被攔截整體作動時間為3 ms左右。

4) 對火工分離器進(jìn)行了4發(fā)3.6 g藥量的分離實驗證明了仿真結(jié)果準(zhǔn)確性和分離器的做功一致性，實驗結(jié)果表明分離器使4 kg鋼球平均初速達(dá)到26.53 m/s，相對誤差為1.26%，做功一致性較好。

5) 驗證了仿真模型在模擬做功方面的準(zhǔn)確性，仿真也為實際分離器的設(shè)計提供了研究設(shè)計思路。