开发的数值模型与线性扩张管使用AUTODYN爆炸

文摘

烟火装置已用于卫星运载火箭任务,一般结构分离的分离阶段和卫星等子系统。扩大管线性炸药包围一个椭圆形钢管和已广泛用于烟火联合分离系统。提出了一种数值模型的预测正确加载一个扩张管使用非线性动态分析代码,AUTODYN - 2 d和3 d。核心负载,计算合适的数值模型的开放式的钢管和温和的导爆管将高爆炸药的研发与实验结果相比。2 d和3 d计算结果显示与弹道测试结果相关性良好。模型将在扩大管设计提供更多的灵活性,导致经济效益在整个管扩张发展过程。

1。介绍

烟火设备广泛应用于许多空间应用。他们是用于执行释放、切割、增压,点火,切换、和其他机械功启动飞行在太空任务序列,如分离子系统,助推器,三点,阶段,或卫星有效载荷。这样的爆炸分离设备生成一个冲击环境可能产生破坏性影响的结构和硬件,特别是在机电和光学设备。环境是非常复杂的,研究表明,信息几乎没有描述冲击传播的基本机制和预测冲击响应。因此,改进的指导方针,令人眼花缭乱的设计、开发、并在明显需要资格(1- - - - - -3]。

烟火设备一般可以分为点源和线源。典型的点光源包括爆炸螺栓、分离坚果、销车夫和推动者,某些组合的点光源低爆炸驱动。典型的线性来源包括灵活的线性形状的指控,轻度引爆保险丝,超级*邮政烈性炸药驱动(4,5]。

线如图来源的一个例子1。所示的烟火装置是一个high-load-carrying分离系统,必须采取行动没有污染的有效载荷,称为一个扩大管在这项研究。设备是最大的冲击生产国之一,在航空航天系统分离。膨胀管的详细成分也在图表示1组成的一个MDF(轻微的导爆索),支持,和一个扁平的钢管。MDF是炸药的小直径挤压管只包含一个链。它生产的灌装管爆炸材料和挤压管使用传统多模,冷挤压过程(6- - - - - -9]。结构分离MDF点燃时完成。MDF启动时,爆轰传播沿整个长度的线性炸药在视频点播(爆轰速度)6.0和7.5公里/秒,非常高的冲击能量。这个化学反应作为机械负荷,它允许椭圆钢管扩张主要是短轴方向和关节骨折销。因此,扩大管可以根据其设计单独的结构,没有污染(8]。自膨胀管的性能主要是爆炸载荷有关,调查的适当的爆炸载荷对膨胀管失败和结构性破坏它的设计是很重要的。即使扩大管设计必须验证在弹道测试中,增加一个数值模拟步骤之间的扩张管样品制造和其弹道测试可以是一个更有效的方法来适当的爆炸荷载的决心。数值模型可以解释的物理现象,通过求解控制方程描述系统的行为正在考虑。

尽管数值模拟的优势,只有几个数值和实验调查烟火设备可以在文献中找到。Quidot [10)采用LSDYNA模拟一个烟火分离系统。线源由一个扩张管1毫米厚的不锈钢壳,内部合成材料和RDX lead-RDX线与2 g / m。进行了数值模拟装置,如图2。然而,适当的爆炸载荷,这是最重要的因素对真实世界的应用扩大管设计,没有考虑解决的爆轰波传播、断裂机理,实验验证。

在这项研究中,两位和三维数值分析扩大管进行为了发展与高精度数值模型。显式动态代码采用AUTODYN模拟的扩张管和计算合适的核心负载。AUTODYN hydrocode计划,尤其适合解决不同系统结构的相互作用问题,液体和气体在一起,许多研究发现的高爆炸药模拟(11- - - - - -15]。验证的准确性开发模型,数值结果进行了比较实验弹道测试结果对不同爆炸加载条件。

2。弹道测试管扩张

实验进行正确设计一个烟火设备。进行爆炸试验不同核心加载的15日,20、25、30 gr /英国《金融时报》。扩大管是一个开放式的缸,一个MDF充满hexanitrostilbene (hn)爆炸将沿着圆柱的中心轴。MDF连线都是生产直径3毫米,不管各自的爆炸载荷,和护套的壁厚为0.1毫米。图3代表扩张管的截面视图的主要轴20毫米,8毫米的短轴和1毫米的厚度,无论核心负载。测试进行了4或5倍为每个核心的情况下,变形形状和失败了。图4显示弹道测试的结果与炸药核心的15日,20、25、30 gr /英国《金融时报》。扩大管15、20、25 gr /英尺自由扩展没有失败。相比之下,30 gr /英尺扩大管失败的两端的缸,如图4。每个扩张管的尺寸测量,这些测量取平均值。使用这些结果来验证数值模型中,将讨论的部分3。

可以推断从弹道测试结果,测试样本的阈值爆炸载荷必须隔25 gr / 30英尺,gr /英国《金融时报》。弹道测试是一个很好的方法来确定一个适当的扩张管爆炸载荷,以及更好地逼近实际情况。然而,这种实验方法有几个缺点,在弹道测试通常需要许多扩大管样品和连接结构,也在测试期间损坏,那种一次性。实验方法也不是灵活的设计变化和昂贵和耗时。此外,很难解释结构和爆轰物理现象的交互。因此,为了缓解这一问题,弹道测试应该是最后确认测试膨胀管的开发过程中,在取代了许多案例样本与一个可靠的数值模型。

3所示。数值模拟

3.1。数值模型

数值模拟进行的所有试验中使用hydrocode AUTODYN - 2 d,分析和数值应力实验扩展行为。二维模型是由钢管、支持、MDF,和周围的空气,如图5。周围的空气被建模为理想气体,面积是400毫米×400毫米。以来的支持层的材料是聚四氟乙烯,它并不影响管明显扩张,也被认为是空气。爆炸材料是接下来的1.65,1.65意味着接下来的密度是1.65克/厘米³。所有情况下的爆炸加载范围从15到30克/英国《金融时报》。接下来的1.65的爆炸性的传播速度是大约7030 m / s,和爆点设置为MDF的中心。

3.2。材料和边界条件描述

固体反应和反应气体的产品,接下来的1.65爆炸特征Jones-Wilkins-Lee状态方程(JWL EOS, (16])。压力在任何阶段定义的体积和内部能源独立的温度 在哪里是相对体积,是内部能量,,,,,经验确定常数取决于炸药的。表1列出了JWL EOS系数用于分析接下来的密度为1.65克/厘米³。

空气的理想气体EOS是显示如下: 在哪里理想气体常数和吗和空气的密度和内能。热力学能在室温下的空气和环境压力是2.068×10⁵kJ。

管和鞘被建模为SS304钢铁和AL6061。与炸药爆炸产生的高压管和鞘进行高应变率建模使用休克状态方程[17和Steinberg-Guinan强度模型18]。•冯•米塞斯屈服强度()和剪切模量()Steinberg-Guinan模型假定被描述为一个函数的压力(),密度()和温度(),在屈服强度的情况下,有效的塑性应变(): 在哪里硬化常数和吗硬化指数。下标0指的参考状态(K,,)。与下标的启动参数和显示参数的导数对压力或温度参考状态。表2总结了Steinberg-Guinan强度参数的数值模型用于钢铁和AL6061 SS304用于目前的分析。

外流条件是适用于所有欧拉网格的边界。这使得材料自由离开网格并阻止救援波产生的横向边界固体,这将减少抗压冲击的整体实力和稀疏波。

3.3。故障模型

散裂(spall-fracture)是一种断裂发生在平面平行于入射平面波分离材料方面的动态拉伸应力组件垂直于这个平面(19]。碎裂强度的拉应力时生成一个稀疏波穿过钢管材料是2.1的绩点。如果管的拉应力超过预定义的碎裂强度,材料被认为是“失败。“稀疏波产生的拉应力是通常显示为负压(14]。

3.4。解决者

AUTODYN提供各种非线性问题的解决者(11,20.,21]。采用拉格朗日和欧拉动力学在这些FSI固耦合模拟。拉格朗日表示使材料在其最初的元素,并且数值网格移动和变形的材料。拉格朗日方法最适合于固体状的结构的描述。欧拉表示允许材料流从细胞到细胞,而网格空间是固定的。欧拉法通常适用于代表液体和气体(20.- - - - - -23]。在这项研究中,钢管和鞘建模使用拉格朗日解算器,而接下来的建模使用欧拉求解器和空气。欧拉和拉格朗日交互也实现考虑流体之间的交互(爆炸和空气)和结构(管和鞘)。这种耦合技术可以让复杂的固耦合问题,包括结构的大变形需要解决在一个单一的数值分析。

4所示。结果与讨论

4.1。二维数值结果

图6显示了不断扩大的二维数值模型管爆炸。细胞的宽度大约是0.16毫米。管模型中元素的个数是1404年,有161504个元素,整个模型。数值模型的描述如表所示3。

说明钢管的扩张过程中随着时间的推移,变形配置15 gr /英尺扩大管是描绘在图7在女士女士,女士0.02,0.07,和0.1 ms。计算开始时间女士和完成女士,可以认为,爆炸已经完成。清楚地看到,管从爆炸点沿径向向外扩展。在女士,在爆炸的早期的小轴管开始扩大,和长轴的长度随时间变得更短。在稍后的时间,管部分的形状变形从椭圆形到圆形,这种形状变化可能独立的联合。

一系列的计算是由不同爆炸加载计算材料的反应管,并给出了变形图8。很明显,管扩张增加随着装药量的增加。压力管的塑性变形机制,灾难性的失败与韧性撕裂或塑料不稳定(19,24,25]。迅速扩张的地区(管)的短轴是伴随着快速丧失stress-carrying由于耗散能力和强烈的加热的塑料工作,和现在破裂的风险(26]。如图8塑性变形区域,计算爆炸加载应力增加比例。因此,30 gr /英尺扩大管显示最大的塑性变形区域,和小轴上的最大的压力是由于能量吸收。然而,30 gr /英尺扩大管扩张没有散裂的2 d模拟,从实验结果明显不同,因此有限元分析仅占径向扩张。这表明管扩张由于爆轰波传播应该考虑开发一个更可靠的数值模型。

图9比较管的宽度和高度的变化三种情况下的有限元分析和实验结果,与15、20日和25 gr /英国《金融时报》。虽然计算结果稍微高估了每个核心负载的实验结果,整个错误的宽度(短轴)和高度(主轴)预测不到10%。

4.2。三维数值结果

图10演示了一个三维的扩张管和爆炸的方向。开放式的钢管是300毫米长,中密度板的320毫米的长度是插入中央孔。其横截面在二维情况下是一样的。爆震是假定为开始的左端管女士,相同实验条件。描述三维爆炸传播,一个圆柱形冲击波生成,然后重新映射在空中。爆轰波传播的压力分布图管呈现在图11,其结构由一个冲击波和反应区,在爆炸变成了高温气体产品。这些反应产品作为一个活塞,允许以恒定的速度传播的冲击波27]。图12显示了数值模型的3 d管扩张。分级网格应用于空气和接下来的1.65节省计算时间。表4总结了三维数值模型的描述。

图13显示每个膨胀管的膨胀行为和物质状态。类似于二维结果,爆炸性的15 - 25管gr /英尺自由扩展,但30 gr /英尺管失败由于塑性变形。如图13,有散裂的130毫米从侧面30 gr /英尺管在扩张ms。这韧性断裂是由于大量的塑性变形在管扩张。这个失败的行为在有限元分析有点不同的实验失败的行为。在实验中,两个失败发生在钢管的左右,而大部分失败被发现在数值模拟。即使第一个散裂可以预测,它可能是不恰当的连续模拟multiple-spallation生成机制。

图14数值模拟和实验结果之间的比较每个扩张管变形。整体误差小于3%,该协议被考虑改进管扩张由于爆轰波传播。

计算一个适当的调入内存,扩展的内部压力钢管的墙是数值计算爆炸加载的15日,20日,25日,27日和30 gr /英国《金融时报》。这三个点显示在图15代表的位置测量内部压力计。数据16,17,18情节的时间历史压力仪表观察到中间的钢管厚度。第一个峰值是由于初始冲击波穿越管。由于自由表面产生的稀疏波相互作用通常表现为负压后第一个峰值,它产生拉应力在管。各自的最大压力仪表范围从130−−520 MPa的各种爆炸载荷。膨胀管的压力历史的15 - 25 gr /英尺波动随着时间的推移,成为稳定。在有限元分析中,27个gr /英尺扩大管能够扩大自由没有失败,和它的最大压力为1.25倍的25 gr /英尺扩大管,这是发现一个合适的爆炸载荷在弹道测试使用扩张管样品。因此,我们可以得出结论,正确的爆炸加载的实验根据数值结果被低估了。爆炸荷载的30 gr /英国《金融时报》的内部压力急剧增加,达到一个值−520 MPa。最大压力钢管与30 gr /英尺负载2.7和2倍高于25 gr /英尺和gr /英国《金融时报》27日负荷,分别。这意味着,自30 gr /英尺爆炸载荷大于失效阈值,散裂发生在实际的膨胀管。

5。结论

数值模型的发展提出了扩大自由膨胀的MDF爆管的使用AUTODYN - 2 d和3 d hydrocode pyro-separation系统。数值模拟进行了四个扩张管爆炸加载情况下作为验证集数值模型,模拟和额外的做是为了表明一个更有效的爆炸载荷。

在二维模型中,自爆轰波传播不能考虑,结果略有高估了膨胀管的形状。提高结果的准确性,3 d模型开发,允许管扩张由于爆轰波传播。发达爆炸性测试结果和模型验证显示总体误差小于3%。从三维数值模拟的结果,斯坦伯格模型应用的失效标准钢管、gr /英国《金融时报》27日适当的爆炸荷载,和30 gr /英尺扩大管失败的爆炸载荷超过了阈值。自从与弹道数值模型验证测试结果允许各种设计变更,可以大大减少开发成本和时间最小化所需的实验测试。因此,建议添加一个数值模型发展一步使用3 d hydrocode烟火管扩张发展的总体过程分离系统。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本研究主要外国支持的研究所招聘计划(2011 - 0030065)和基础科学研究项目(2011 - 0010489)通过韩国国家研究基金会,由教育部、科学和技术。本研究也支持的经济大学韩国航空航天研究所的协作增强项目。

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