特殊玻璃的数学形状于炸裂切削作用的探讨

特殊玻璃的数学形状于炸裂切削作用的探讨 文章来源：中国切割机网

　
　　1引言
　　爆炸切割在常规机械手段（如锯切、磨削、车削、气割等）无法实施的特殊复杂行业有重要的应用背景，如高空运行火箭的星箭分离、水下的石油井架、海底沉船打捞、核设施的拆除等。常见的有聚能切割和层裂切割。聚能切割利用金属药型罩在炸药作用下产生的高速片状射流切割目标物，在这方面已有大量的研究成果。但在一些特殊服役环境中，要求对非金属材料的切割深度可控。如战斗机在紧急情况下，飞行员启动弹射装置脱离飞机前，必须先用微爆索爆炸切割驾驶舱，以削弱其强度，要求切割形成的破坏部分应尽量在放置微爆索的背面，这样既可保证切割效果，又能避免因切割产生的碎片而对飞行员造成伤害，因此层裂切割在这些领域有重要的应用前景。
　　目前，利用层裂切割原理对微爆索线性切割航空有机玻璃（PMMA）的研究甚少。为了完善现有的航空弹射救生系统，本工作利用微爆索线性切割技术，对有机玻璃平板元件、航空舱盖的切割过程进行了数值计算分析，对比了有机玻璃的几何形状对微爆索切割深度的影响，验证了有机玻璃平板切割实验对航空舱盖切割实验具有一定的指导意义，研究结果也可为微爆索线性切割航空舱盖的实验设计提供依据。
　　2微爆索层裂切割有机玻璃（PMMA）原理微爆索主要由金属药型罩和炸药组成，如图1所示，考虑到在航空救生系统应用中的安全要求，药型罩材料需有较好的韧性，且在爆炸切割过程中不汽化，不易形成污染。对比几种不同材质的药型罩爆炸切割的实验结果后，选择铅作为药型罩材料，加工后测得：L　187196mm，H　087109mm，d1016026mm，d2016030mm，其几何形状。
　　利用微爆索爆炸切割航空用有机玻璃（PMMA），要求切割后的破坏部分应在放置微爆索的背面，这样既可保证切割效果，又可避免因切割产生碎片而对飞行员造成伤害。微爆索起爆后，爆轰波由高阻抗介质（炸药）向低阻抗介质（PMMA）传播，界面上的反射波（传向炸药）为稀疏波，透射波（传向PMMA）为短历时、高强度冲击波，当其到达PMMA自由表面后反射形成拉应力，与入射压缩波相向而行，在PMMA内某一层产生应力波的叠加，引起较大的拉伸应力。当某截面处PMMA的拉应力大于其动态拉伸强度时，材料会发生断裂，从而在其背面产生层裂。层裂发生的位置又成为新的自由面，入射冲击波再次被反射成为拉伸波，当拉伸应力仍然大于材料动态拉伸强度时，材料会再次发生层裂。如此反复，直到拉伸应力小于材料动态拉伸强度，如图3所示。从而，可通过控制微爆索的炸药当量来产生所需求的层裂深度。
　　3数值模拟3.1有限元模型对PMMA平板、航空舱盖以及炸药和铅外壳划分网格，PMMA平板、航空舱盖的厚度均为7mm，其它两个方向的尺寸均大于厚度方向两个量级，以消除波传播的影响。有机玻璃([url=http://www.51frp.com/ypnew_view.asp?id=29]玻璃钢工艺管道的概述[/url])选择拉格朗日实体全积分单元。为了模拟层裂现象，单元尺寸应尽可能小，其厚度方向的尺寸为046mm.水平方向的单元尺寸由微爆索作用区域到远离区域逐渐增大。炸药选择ALE实体单元，大小均匀，尺寸为035mm.铅外壳选择默认的壳单元。采用参数分配法，定义滑移接触来模拟炸药和PMMA之间的流固耦合作用，其余选择自动面对面接触。边界处采用固定约束来模拟边缘压紧。
　　3.2材料模型PMMA平板和舱盖选用LSDYNA中的105号材料（MAT_DAMAGE_2）本构模型，该模型使粘性效应的弹塑性与连续损伤力学相结合，利用等效应力等效塑性应变曲线来反映弹粘塑性特性。
　　对于连续损伤力学模型，损伤应力~定义为/（1-D）（1）式中：D是损伤变量，是名义应力。损伤演化过程为D0Yr/（S（1-D）r　rDr>rD且1>0（2）式中：rD是损伤阈值；S是应变能释放率，为正的材料常数；1是大主应力。Y是应变能密度，炸药采用LSDYNA提供的高能炸药材料模型（MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN）和JWL状态方程进行描述，其爆炸压力与相对体积V和初始内能E的关系为p　A1-　R1Ve-R1V B1-R2Ve-R2V ？EV（5）式中：A、B、R1和R2是输入参数，给出了不同类型炸药的相应参数，对于本工作应用的六硝基芪炸药，其参数为A　5409，B0094，R146，R2135，　035，E01，V10.此外，模型还需输入炸药的爆轰速度、质量密度和pCJ压力。铅外壳采用带破坏的弹塑性强化模型（MAT_PLASTIC_KINEMATIC）进行描述。
　　3.3模拟结果及分析考虑到爆轰过程所需时间极短，在计算分析中单位采用#s、cm、g量级，由于在模拟爆炸切割真实航空舱盖的过程中，微爆索长度较大，炸药起爆后因其膨胀而产生较大变形，导致计算时间步长在不断变小，甚至无法继续计算。因而在对其模拟分析中采用多点起爆方式。
　　给出了微爆索药量为08g/m时，不同时刻PMMA板的层裂过程，当微爆索在爆炸时形成的冲击波传播到有机玻璃自由表面时，压缩波在自由表面反射后形成拉伸波，当其强度达到或超过有机玻璃的破坏强度时可引起层裂，形成新的自由表面，波在其中连续反射，从而形成多次层裂。从图中可以清晰地看到有机玻璃板的层裂现象，其正面基本保持完整，存在较小的凹坑。
　　给出了药量为08g/m的微爆索切割真实舱盖层裂部分的外貌。从图中可以看出，切割区域发生在舱盖中央附近区域，具有一定的切割深度，并且也能够看到在舱盖的外表面发生了层裂现象。当装药量分别为06g/m、08g/m和09g/m时，座舱盖与炸药布置长度方向垂直的截面的切割变形图通过计算舱盖厚度方向破坏单元的数量可知，其切割深度分别为61mm、665mm和69mm.与有机玻璃平板结果对比可知，在研究的装药量范围内，几何形状对微爆索切割深度的影响较小，可以利用微爆索切割平板有机玻璃的实验来替代真实舱盖的相关实验，从而可为这类工程问题节省大量经费。此外，本研究也可为微爆索切割飞机舱盖的实验设计提供一定的依据。
　　4结论通过对六硝基芪微爆索切割有机玻璃平板、飞机舱盖的数值模拟研究，发现有机玻璃的几何形状对微爆索的切割深度影响较小，从而证实了平板切割实验对飞机舱盖破裂实验具有重要的指导意义。此外，本研究也可为不同药量下微爆索切割飞机舱盖的实验设计提供一定的依据。　
　

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