《fae装药的落地撞击安全性数值分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《fae装药的落地撞击安全性数值分析（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四届全国计算爆炸力学会议论文集 562 FAE 装药的落地撞击安全性数值分析* 王仲琦 武建国 白春华 李建平 （北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室 北京 100081） 摘 要：摘 要：燃料空气炸药（FAE）的组成成分与高能炸药不同，它的药剂通常是由液态组分和高能金 属粉组成的固液气三相混合物。因此它的力学性能也与常规高能炸药不同。特别是在高应力加 载条件下，药剂的力学行为受初始状态与加载条件的影响特别大。本文提出了冲击载荷作用下 FAE 药剂的三相混合物材料模型。在模型中，FAE 药剂被抽象为具有一定的微观结构，其液体组分及气 体组分填充于金属固相颗粒互相搭结构成的骨架孔洞内。另外
2、，材料模型中引入了气体的孔洞绝热 压缩模型，使得整个模型可以给出在冲击加载条件下药剂中各组分的应力状态及温度场，从而更合 理地判定 FAE 装药的安全性。本文运用内嵌入用户自定义 FAE 三相混合物材料模型子程序的 Autodyn，对某 FAE 战斗部在 20m 高度垂直跌落至钢质地板的撞击进行了数值模拟，分析了 FAE 装 药在这种跌落撞击过程中的应力状态及其温度状态，对其安全性进行了评价。 关键词：关键词：燃料空气炸药，三相模型，数值计算，安全性分析 Numerical analysis on impact safety of Fuel Air Explosive WANG Zhong-q
3、i,WU Jian-guo,BAI Chun-hua，LI Jian-ping (State Key Lab of Explosion Sci three phase mode; numerical calculation; safety analyse 1 引引 言言 弹药的安全性和可靠性一直是武器设计工作者关注的主要问题，对于云爆弹武器中使用的 FAE *基金项目：国家自然科学基金项目资助（10772032） 作者简介：王仲琦（1972） ，男，副教授，工学博士，E-mail: czqwang FAE 装药的落地撞击安全性数值分析 563 药剂的安全性问题，国内已有人开始进行了相关的研究工
4、作。文献1中对 FAE 药剂进行了发射、撞 击高过载作用条件下的实验研究。文献2-6采用数值模拟的方法分析了药剂中固液组分对发射高过 载条件下药剂力学性能的影响，以及药剂中存在的气泡、缝隙对药剂安全性的影响。采用实验的方 法进行药剂安全性研究，一方面实验成本高价格昂贵；另一方面通过实验可获得的物理量也非常有 限，同时实验还具有一定的危险性。而采用数值计算的方法进行药剂高过载条件下的力学性能研究， 传统的方法是把药剂模型简化为一种材料，把药剂中不同组分的材料性能综合到一起，这样处理使 FAE 药剂同其它均质材料没有区别。所得到力学性能只是一个整体结果，不能反映出药剂中不同组 分的各自参量变化特征
5、。 由于 FAE 装药存在固相、液相、气相三种组分。在高应力加载条件下，它的力学行为不应该当 作刚性材料来考虑，而应该对不同相组分单独进行分析。本文基于 Kandaur 多相多孔介质变形分析 理论，建立了 FAE 药剂在冲击加载条件下的三相力学模型。在这个模型中，药剂被当作一个三相系 统，包含金属固体粒子，药剂液体组分和气体组分，固体粒子构成药剂的骨架，气体和液体填充在 固体粒子间的空隙内。固体粒子是可变形的。鉴于冲击载荷作用的瞬时性，没有足够的时间挤压出 孔隙中的气体与液体组分，液气相与骨架的运动不予考虑。药剂在冲击载荷作用下主要有两个变形 机理存在：一个是固体粒子中骨架的变形；另一个就是药
6、剂中各相的变形。另外，材料模型中还引 入了孔洞气体的绝热压缩模型。包含空洞绝热压缩模型的三相材料模型，可以给出在战斗部撞击地 面等冲击条件下药剂中各组分的应力状态及温度场， 从而确定FAE装药安全性。 通过运用内嵌入FAE 三相用户自定义材料模型子程序的用户自定义 AUTODYN 程序，对某战斗部在 20m 高度垂直跌落 至钢质地板的撞击过程进行了数值模拟，对 FAE 装药各相的的应力及温度状态进行了数值分析，对 其安全性进行了评价。 2 药剂在冲击载荷作用下的三相力学模型药剂在冲击载荷作用下的三相力学模型 对于三相多孔介质动力学的发展离也是基于对微观结构的认识与结构中各相间的相互作用基础 上
7、提出的。如图 1 电镜扫描药剂微观结构图与图 2 药剂微观结构三相关系示意图所示，固体颗粒之 间并不是紧密相连的，颗粒之间由于架空作用，总是有许多孔隙存在。天然情况下，这些孔隙内将 被液体和气体所充满。孔隙中液体和气体体积与介质总体积的比例关系可以通过孔隙率n和饱和度 r S描述： 图 1 FAE 药剂微观结构图（扫描电镜） Fig.1 micro-structure of fuel t v V V n = （1） v w r V V S = （2） 第四届全国计算爆炸力学会议论文集 564 图 2 药剂的三相关系示意图 Fig.2 Three-phase relationship of fu
8、el gas solid liquid 式中， v V为介质中孔隙体积， w V为孔隙中液体的体积， t V为介质 总体积。基于这种多相多孔混合物介质的微观结构,引入 Kandaur 7 的 三相多孔介质理论模型（如图 3） 。在这个模型中，固体粒子被简化为六 面体，它形成介质的骨架。在六面体骨架间的空隙由气体和液体充填， 六面体的端点是弹脆性联结。在载荷作用时，整个介质的的变形由两部 分形成，一个是固态六面体弹脆性联结的变形，另一部分是固体粒子与 充满液体与气体的空隙的变形。依据这个理论模型，一个力学模型可以 给出如图：在图中 A、B、C 分别对应着药剂中的固体、液体、气体组 分，D、E 分
9、别表示不同固体粒子之间连接的摩擦力和阻尼，不同固体 粒子之间的连接用细丝代替。这个模型可以分成两个主要部分，分别是 状态方程和强度模型。 在图中 A、B、C 分别对应着药剂中的固体、液体、气体组分，D、E 分别表示不同固体粒子之 间连接的摩擦力和阻尼，不同固体粒子之间的连接用细丝代替。这个模型可以分成两个主要部分， 分别是状态方程和强度模型。 图 3 冲击载荷作用下药剂的三相力学模型 Fig.3 Three-phase fuel model for shock loading 2.1 状态方程状态方程 药剂中固体、液体、气体的体积份额分别用 1 、 2 、 3 表示，下面是药剂的三相力学模型的
10、 状态方程： 为满足连续性的需要，这个多相系统的总体积变化率必须和他们每个组分的体积变化率相等。 即下式： 0000 V V V V V V V V g sl + + = （3） 在式中V即固体单元的体积，V0为整个单元的初始体积，Vl表示液体组分的体积，Vs表示固体 组分的体积，Vg表示气体组分的体积。如果用 Vp表示空间体积，则 Vp=Vg+Vl，因而 V=Vs+Vp。在压 力加载作用下会导致各相态组分的变形以及不同固体粒子之间的摩擦力和不同固体粒子间连接的变 形。摩擦力和连接力全部被施加在固相组分上。该平衡方程为： 0 1 = + + + p c p a b g b ls V p V p
11、 p V p V dp p V dVdp （4） FAE 装药的落地撞击安全性数值分析 565 式中p是总的静水压力，ps表示施加在固相组分上的压力，pa表示固体粒子间的摩擦力，pb表 示液体和气体压力或者称为气泡压力，pc表示固体粒子间连接压力。pe表示固体骨架承载的压力， 相当于 pa和 pc之和。 在上式中就用到的 p Vs ， b g p V ， b l p V ， p a V p ， p c V p 能够被独立的应力应变状态方程求得。 液相组分的状态方程如下式： +=1 0 2 00 0 kl l l l wl ll k c pp （5） 在式中 l p， 0l p分别表示即时液压与
12、初始液压； 0l c为液态组分的初始声速， 0l 为液态组分的 初始密度， l 为即时密度； l k为常数。 对于固体粒子，一个简单的状态方程被使用，如下式： +=1 0 2 00 0 s k s s s ss ss k c pp （6） 当压力波在药剂中被传播时，气泡被突然压缩，因而对一个多方气体状态方程被用 g k g g gg pp = 0 0 （7） 在式中 pg0表示空气的初始压力；w0表示在初始压力下空气的初始密度；g是空气在压力 pg 下的密度；kg是气体的等熵指数。 在药剂的骨架中，固体粒子间的摩擦力是依赖于固体粒子的法向应力的，通常它能被描述为药 剂骨架变形的比值，即： pp
13、a VfKp= （8） 在式中 f 是固体粒子的摩擦系数，Vp是药剂中空间体积的增量，Vp=Vp-Vp0，其中 Vp和 Vp0 分别是药剂空间的即时体积和初始体积。 在固体粒子之间的连接，可以描述为一系列的弹脆性丝。每个丝线的阻尼应力在断裂前遵循 Hook 定律。引进破坏参量 D，为式： () p p c V V DEp =1 0 （9） 在式中 0 E为连接的初始模量。用以上的定义与初始条件() 00 pVp=，在任何时刻p都可求到。 2.2 药剂的损伤模型药剂的损伤模型 连续损伤模型被用来描述药剂骨架的破坏，基于药剂中的丝断裂模型，损伤可定义为： () = eff bD 1 exp1 （1
14、0） 在式中b，是与药剂属性有关的系数。b是常数， eff 是有效应变。 第四届全国计算爆炸力学会议论文集 566 ()()() 2 1 2 13 2 32 2 21 3 2 += eff （11） 2.3 药剂的强度模型药剂的强度模型 在药剂模型中，液体和气体的粘性被忽略，这样模型中的剪应力就完全被药剂模型中的固体粒 子所承载。为了计入药剂剪切阻尼中的静水压力作用，修正的von Mises 屈服准则被使用，如下式： 0 12 =kIJf （12） 在式中和k是与材料摩擦力与内聚强度有关的常数；1I和 2 J分别为第一应力不变量与第二偏 应力不变量。 在冲击加载过程中，应变率对药剂的强度起着非常重要的作用。考虑到应变率效应，屈服函数 修正为 ()0ln1 0 12 = += 38. 0;58. 0 321 =。 计算中中采用的药剂材料各相比例与参数见表 1。 表表 1 数值计算采用的药剂中各相组分的比例及参数数值计算采用的药剂中各相组分的比例及参数 Tab.1 Parameters used in the simulation 药剂/相态 材料参数 药剂 10. 0;42. 0;48.
