屈雪蕊
(西安航空學(xué)院 教務(wù)處,西安 710077)
含能材料是指在一定的外界能量刺激下,能自身發(fā)生強(qiáng)烈的氧化還原反應(yīng),同時(shí)可以釋放出大量能量的物質(zhì)。含能材料是許多領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題[1-5]。從軍事用途上來看,一般意義上的含能材料主要包括發(fā)射藥、推進(jìn)劑、猛炸藥、起爆藥等,是武器殺傷力和動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的主要能量來源[6]。近年來,世界軍事技術(shù)迅猛發(fā)展,精確打擊、高效毀傷能力和高生存能力是現(xiàn)代武器裝備追求的目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),作為武器能量載體的含能材料必須滿足高能量密度、低易損性和環(huán)境適應(yīng)性的要求。
通常,含能材料的服役環(huán)境非常復(fù)雜,在生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、發(fā)射、穿靶、破片等意外撞擊時(shí),均處于不同的加載速率、不同的應(yīng)力狀態(tài)和不同的溫度之中,有時(shí)需要承受很高的沖擊載荷,可見,復(fù)雜的服役環(huán)境對(duì)含能材料的安全性要求也越來越高[7]。
含能材料在動(dòng)態(tài)沖擊下的力學(xué)性能響應(yīng)也是軍事領(lǐng)域研究的重要問題之一。通過含能材料在動(dòng)態(tài)沖擊下響應(yīng)的研究有助于了解含能材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和起爆機(jī)理,使之在需要起爆時(shí)能正常起爆,在不需要起爆的時(shí)候不會(huì)因?yàn)橐馔鉀_擊引起爆炸造成嚴(yán)重后果,這對(duì)于指導(dǎo)彈藥設(shè)計(jì),提高彈藥的防護(hù)能力及運(yùn)輸儲(chǔ)存的安全性具有非常重要的意義[8]。本文以常用的Comp.B炸藥為分析對(duì)象,對(duì)其動(dòng)態(tài)沖擊相應(yīng)特性進(jìn)行分析。
實(shí)驗(yàn)采用含能材料沖擊實(shí)驗(yàn)常用的落錘沖擊加載模擬系統(tǒng),其實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要是針對(duì)炸藥裝藥在火炮發(fā)射過程中的受力情況而建立起來的,可以很好地模擬火炮發(fā)射時(shí)的膛內(nèi)加載特性。落錘通過活塞實(shí)現(xiàn)對(duì)炸藥裝藥的應(yīng)力加載,系統(tǒng)中模擬受力的部分由上活塞、下活塞、上墊片、下墊片、藥柱、套筒和底座構(gòu)成。其中:活寒、底座和套筒的材料采用T10鋼;藥柱材料為Comp.B炸藥;墊片材料為聚四氟乙烯,主要是為了吸收沖擊過程中所產(chǎn)生的高頻干擾波。通過支撐臺(tái)內(nèi)的應(yīng)力傳感器測得落錘在指定落高下炸藥未發(fā)生爆炸情況下底部的應(yīng)力曲線。
圖1 落錘沖擊裝置示意圖
Johnson-Cook本構(gòu)模型(簡稱為J-C模型)一般用于描述大應(yīng)變、高應(yīng)變率、高溫環(huán)境下金屬材料的強(qiáng)度極限以及失效過程[9]。在J-C強(qiáng)度模型中,屈服應(yīng)力由應(yīng)變、應(yīng)變率以及溫度決定。通常情況下,一種簡單的經(jīng)驗(yàn)式的本構(gòu)方程可以表示為:
σ=f(ε)g(ε)
(1)
(2)
(3)
式中:σ為應(yīng)力;ε為塑性應(yīng)變;a、b、c、m、n和K為J-C模型與材料有關(guān)的常數(shù)。
由式(1)~式(3)可知,只有當(dāng)應(yīng)變率出現(xiàn)量級(jí)上的變化時(shí),應(yīng)變率對(duì)流動(dòng)應(yīng)力才會(huì)有顯著的影響。在應(yīng)變率比較低或者常應(yīng)變率條件下,材料的強(qiáng)化通常可以用冪函數(shù)強(qiáng)化模型來表示,其表達(dá)式如下:
σ=σ0+kεn
(4)
式中:σ0為屈服強(qiáng)度;k和n為與材料有關(guān)的常數(shù)。
雖然應(yīng)力是一個(gè)二階矢量,但在一些條件下是可以將其看成一個(gè)標(biāo)量,通過下式可將應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)化為“有效”應(yīng)力和“有效”應(yīng)變:
(5)
(6)
式中:σ1、σ2和σ3分別為空間三個(gè)方向上的主應(yīng)力;ε1、ε2和ε3分別為空間三個(gè)方向上的主應(yīng)變。這樣就將復(fù)雜的二維應(yīng)變和應(yīng)變率張量利用簡單的標(biāo)量形式表達(dá)了出來。
實(shí)驗(yàn)研究表明,Comp.B炸藥是一種脆性材料,不過其力學(xué)性能與應(yīng)變率相關(guān),具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)[10]。此外,應(yīng)變速率相關(guān)的J-C模型比較精準(zhǔn)的描述了多種材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性,較好的反映了材料的加工硬化,應(yīng)變率效應(yīng),是一種行之有效并且被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際問題的本構(gòu)模型[11]。據(jù)此,本文采用應(yīng)變速率相關(guān)的J-C模型來分析Comp.B炸藥受到?jīng)_擊時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度之間的關(guān)系,其表達(dá)式如下:
(7)
由式(7)可知應(yīng)力由三部分組成,第一部分反應(yīng)材料的應(yīng)變硬化效應(yīng),第二部分反應(yīng)應(yīng)變率對(duì)材料力學(xué)性能的影響,第三部分反應(yīng)溫度軟化效應(yīng)。當(dāng)溫度T為室溫時(shí),T*=0,則式(7)可以簡化為
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(8)
室溫下分析Comp.B炸藥受到?jīng)_擊時(shí)的情形可采用式(8)進(jìn)行分析。在室溫條件下,采用圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),通過對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析即可擬合出式(8)中的參數(shù)A、B、C和n,在此基礎(chǔ)上,利用數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)室溫下Comp.B炸藥受到?jīng)_擊時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程進(jìn)行分析。
可用于應(yīng)力應(yīng)變分析的軟件有多種。其中,LS-DYNA軟件是功能齊全的幾何非線性、材料非線性并涉及多種接觸類型分析的有效工具,其分析計(jì)算的可靠性已經(jīng)被試驗(yàn)所證明,在工程應(yīng)用領(lǐng)域也是被廣泛認(rèn)可為最佳的分析軟件[12],因此,本文選用LS-DYNA軟件對(duì)Comp.B炸藥受到?jīng)_擊時(shí)響應(yīng)進(jìn)行分析。
圖2所示為有限元分析的幾何模型及網(wǎng)格劃分圖,圖中的網(wǎng)格劃分采用SOLID164單元。SOLID164單元是三維的顯式結(jié)構(gòu)實(shí)體單元,該單元自身為六面體結(jié)構(gòu),由8個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,專門用于顯式動(dòng)力學(xué)分析,支持非線性特性,其支持的材料包括彈塑性流體動(dòng)力材料、彈黏塑性熱力學(xué)材料和Johnson-Cook彈塑性材料等。由于實(shí)體模型為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),劃分網(wǎng)格時(shí)采用映射網(wǎng)格劃分方式。
圖2 有限元分析模型及網(wǎng)格劃分圖
模擬計(jì)算使用的參數(shù)如下:藥筒尺寸為?60 mm×60 mm;實(shí)驗(yàn)中落錘的重量分別為40 kg和400 kg;落高分別為1000 mm和1500 mm。表1中所示為計(jì)算所用的其他物性參數(shù)。
表1 材料的物性參數(shù)
對(duì)落高為1000 mm不同沖擊載荷沖擊作用下藥柱的應(yīng)力進(jìn)行分析以了解藥柱的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能響應(yīng)的基本情況。圖3所示為落錘質(zhì)量為40 kg,落高為1000 mm藥柱的應(yīng)力云圖。由圖3可見,藥柱撞擊面邊緣和撞擊面附近的側(cè)面圓周上應(yīng)力分布不均勻,且最大應(yīng)力和最小應(yīng)力在這些區(qū)域內(nèi)間隔分布。圖4所示為落槌質(zhì)量為400 kg,落高為1000 mm藥柱的應(yīng)力云圖。和圖3相比較而言,圖4所示藥柱中的應(yīng)力分布較為均勻,且最大應(yīng)力出現(xiàn)在藥柱撞擊面邊緣和撞擊面附近的側(cè)面圓周上,應(yīng)力沿徑向從撞擊面邊緣到撞擊面中心逐漸減小,沿軸向從撞擊面附件的圓周到藥柱底部逐漸減小。
圖3 落錘質(zhì)量為40 kg,落高為1000 mm藥柱的應(yīng)力云圖
圖4 落錘質(zhì)量為400 kg,落高為1000 mm藥柱的應(yīng)力云圖
圖5所示為落錘質(zhì)量為40 kg,落高為1000 mm,數(shù)值模擬的有效應(yīng)力隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線。由圖5可見,隨著時(shí)間的增加,應(yīng)力先增大,當(dāng)時(shí)間為0.5 ms時(shí),應(yīng)力達(dá)到最大值41.0 MPa。此后,隨著時(shí)間的增加應(yīng)力開始下降,并在1.2 ms時(shí)達(dá)到最小值12.5 MPa。隨著時(shí)間繼續(xù)增加,應(yīng)力繼續(xù)增大并在1.5 ms時(shí)達(dá)到穩(wěn)定值 25.0 MPa,此后,應(yīng)力基本保持恒定,不再隨時(shí)間發(fā)生變化。藥柱的應(yīng)力-時(shí)間曲線左端波形近似為一個(gè)周期的正弦函數(shù)曲線,其二階導(dǎo)數(shù)為藥柱的加速度方程,其形式仍為一元正弦函數(shù),符號(hào)與圖5中的曲線相反。
圖6所示為落錘質(zhì)量為40 kg,落高為1500 mm,數(shù)值模擬的有效應(yīng)力隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線。由圖6可見,落錘質(zhì)量相同,落高不同時(shí),藥柱的應(yīng)力變化趨勢與圖5的類似:應(yīng)力先增大后減??;達(dá)到最小值后開始增大并隨后趨于穩(wěn)定。由圖6可知,藥柱的應(yīng)力最大值為80.0 MPa,最小值為6.0 MPa,應(yīng)力加載達(dá)到最大值的時(shí)間為0.7 ms,應(yīng)力值為最小時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為1.3 ms。此后,隨著時(shí)間的增加,應(yīng)力增大,并在1.5 ms時(shí)達(dá)到穩(wěn)定值50.0 MPa,此后,應(yīng)力值基本不隨時(shí)間的增加發(fā)生改變。
圖5 落錘質(zhì)量為40 kg,落高為1000 mm沖擊作用下應(yīng)力-時(shí)間曲線
圖6 落錘質(zhì)量為40 kg,落高為1500 mm沖擊作用下應(yīng)力-時(shí)間曲線
為了分析不同沖擊載荷下的應(yīng)力變化規(guī)律,落錘質(zhì)量選定為400 kg,在落高分別為1000 mm和1500 mm條件下下對(duì)藥柱的應(yīng)力隨時(shí)間的變化關(guān)系進(jìn)行仿真計(jì)算,所得的應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系曲線分別如圖7和圖8所示。
由圖7可知,當(dāng)落錘質(zhì)量為400 kg,落高為1000 mm時(shí),應(yīng)力波動(dòng)比較劇烈。隨著時(shí)間的增加,應(yīng)力曲線有三個(gè)明顯的應(yīng)力上升和下降的階段。第一階段的應(yīng)力上升時(shí)間為1.1 ms,應(yīng)力峰值為90.0 MPa,隨后隨著時(shí)間的增加,應(yīng)力值開始下降,在時(shí)間為1.4 ms時(shí),應(yīng)力值降為5.0 MPa。而后隨著時(shí)間的增加,應(yīng)力響應(yīng)開始進(jìn)入第二個(gè)上升階段,且應(yīng)力增大的速率明顯快于第一階段。在時(shí)間為1.85 ms時(shí),應(yīng)力達(dá)到第二個(gè)峰值,其大小為150.0 MPa。此后,應(yīng)力快速下降,在0.15 ms內(nèi)降為0 MPa后進(jìn)入應(yīng)力上升的第三階段。在第三階段應(yīng)力上升速率先快后慢,并在時(shí)間為4.0 ms時(shí)達(dá)到峰值180.0 MPa,隨著時(shí)間的繼續(xù)增加,應(yīng)力開始下降,且下降的速率逐漸增大。
由圖8可知,當(dāng)落錘質(zhì)量為400 kg,落高為1500 mm時(shí),應(yīng)力隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線仍有三個(gè)上升和下降階段,第二個(gè)階段變得不明顯。和圖7相比較而言,圖8的應(yīng)力-時(shí)間曲線應(yīng)力波動(dòng)范圍大,但應(yīng)力隨時(shí)間的變化沒有圖7中曲線波動(dòng)劇烈。由圖8可見,第一階段的應(yīng)力上升時(shí)間為0.7 ms,應(yīng)力峰值為100.0 MPa,隨后隨著時(shí)間的增加,應(yīng)力值開始快速下降,在時(shí)間為0.75 ms時(shí),應(yīng)力值降為0 MPa。而后隨著時(shí)間的增加,應(yīng)力響應(yīng)開始進(jìn)入第二個(gè)上升階段,且應(yīng)力增大的速率明顯慢于第一階段。在時(shí)間為1.1 ms時(shí),應(yīng)力達(dá)到第二個(gè)峰值,其大小為30.0 MPa。此后,應(yīng)力快速下降,在0.1 ms內(nèi)再次降為0 MPa進(jìn)入應(yīng)力上升的第三階段。在該階段應(yīng)力上升速率先快后慢,并在時(shí)間為3.0 ms時(shí)達(dá)到峰值225.0 MPa,隨著時(shí)間的繼續(xù)增加,應(yīng)力開始下降,且下降的速率逐漸增大。
圖7 落錘質(zhì)量為400 kg,落高為1000 mm沖擊作用下應(yīng)力-時(shí)間曲線
圖8 落錘質(zhì)量為400 kg,落高為1500 mm沖擊作用下應(yīng)力-時(shí)間曲線
綜合圖7和圖8可知,和落錘質(zhì)量為40 kg的情形不同,落錘質(zhì)量為400 kg時(shí),落高增大,藥柱應(yīng)力達(dá)到峰值的時(shí)間縮短。
基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合的應(yīng)變率相關(guān)Johnson-Cook本構(gòu)模型,利用LS-DYNA非線性有限元軟件對(duì)含能材料Comp.B炸藥的落錘沖擊特性進(jìn)行分析。模擬選定的條件為:落錘質(zhì)量為40 kg和400 kg。落高為1000 mm和1500 mm。通過模擬分析得出如下結(jié)論:
(1)當(dāng)落錘質(zhì)量為40 kg而落高不同時(shí),應(yīng)力-時(shí)間曲線的變化趨勢相同:隨著時(shí)間的增加應(yīng)力先增大后減小,再增大直至維持穩(wěn)定。不同之處在于:落高增大,應(yīng)力波動(dòng)范圍變大;落高增大;應(yīng)力增大到最大值所需的時(shí)間增加;落高增大,應(yīng)力-時(shí)間曲線的峰變尖銳。
(2)當(dāng)落錘質(zhì)量為400 kg而落高不同時(shí),應(yīng)力-時(shí)間曲線的變化趨勢也相同:隨著時(shí)間的增加應(yīng)力先后經(jīng)歷三個(gè)先增大后減小的過程。不同之處在于:落高增大,應(yīng)力波動(dòng)范圍變大;落高增大;應(yīng)力增大到最大值所需的時(shí)間減少;落高增大,應(yīng)力-時(shí)間曲線第二階段的增大減小過程變得不明顯。
(3)落錘質(zhì)量相同落高不同時(shí),應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系曲線變化趨勢相似;落高相同落錘質(zhì)量不同時(shí),應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系曲線變化趨勢不同。