杜龙飞，马玉环，陈慧能，杨树彬，夏冬星



爆炸螺栓作用过程的仿真研究

杜龙飞1，马玉环2，陈慧能1，杨树彬1，夏冬星1

（1.陕西应用物理化学研究所，陕西西安，710061；2. 上海航天设备制造总厂，上海，200245）

针对某典型结构的爆炸螺栓，利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA，选用4种具有不同爆速、爆压参数的药剂进行了仿真计算，得到了适用于该典型结构爆炸螺栓的药剂，并对采用该药剂的爆炸螺栓具体作用过程进行了仿真分析研究，计算得到的分离断口、分离速度和分离现象与工程实际基本吻合。

爆炸螺栓；仿真；装药；作用过程

爆炸螺栓是运载火箭助推器级间分离装置和弹箭之间分离装置的关键部件之一[1]。爆炸螺栓的结构形式和内部药剂的爆速、爆压等参数对爆炸螺栓的作用过程有非常重要影响，本研究采用仿真技术模拟爆炸螺栓的作用过程，探索适用爆炸螺栓的结构形式和药剂参数，对爆炸螺栓的设计有重要意义。

1 建立模型

1.1 爆炸螺栓结构分析与简化

选用的爆炸螺栓结构形式如图1所示。图1爆炸螺栓由螺栓本体、装填药剂和活塞杆组成，药剂引爆后，产生高压气体推动活塞向右运动，将预断面剪断完成分离动作。为缩短计算时间，减少计算量，将引爆装置结构简化为与螺栓本体一体的实体圆柱，多级装药按其当量等效简化为由主装药组成的圆柱形装药，同时将外形六方体、螺纹等结构简化成圆柱体。

图1 爆炸螺栓结构示意图

1.2 算法选择

ALE算法非常适用于燃烧爆轰产生大变形的仿真分析，仿真分析的计算精度高[2]，所以本次研究选用ALE算法。

1.3 材料本构关系及状态方程

1.3.1火工药剂的本构关系及状态方程

采用JWL状态方程描述火工药剂性能，凝聚炸药JWL状态方程的形式为：

从JWL状态方程可以导出体积声速的测量值，也可导出试验上观察到的冲击波速度与波后粒子速度的关系：在高压下为线性关系，在低压下偏离线性关系。爆轰产物的JWL状态方程[4]，其形式见式（2）：

（3）

式（3）相当于理想气体的等熵方程。

1.3.2金属壳体的本构关系

本研究中壳体材料性能采用随动塑性(MAT_ PLASTIC_KINEMATIC)本构关系来描述，爆炸螺栓壳体和活塞杆的材料选用不锈钢1Cr18Ni9Ti，其参数见表1[5]。

表1 不锈钢1Cr18Ni9Ti材料基本参数

Tab.1 The parameters of stainless steel

1.4 计算模型

药剂发生作用时，会对螺栓结构和活塞杆产生一定的动态效应，螺栓结构和活塞杆在冲击压力下一般会发生运动、变形或一定程度的破坏。因此，考虑采用流固耦合方法计算炸药对结构的作用。本模型中，药剂、空气两种材料采用欧拉网格建模，单元使用多物质ALE算法，活塞杆和螺栓本体采用拉格朗日网格建模，与药剂和空气之间采用耦合算法。为进一步简化计算，只选取爆炸螺栓的1/4进行计算，建立的计算用模型如图2所示[6]。

图2 爆炸螺栓计算模型

本模型根据需要，采用cm-g-μs单位制。

1.5 划分网格建立有限元模型

本研究中螺栓本体、药剂、活塞杆和空气域均采用SOLID164六面体单元，采用映射划分生成有限元单元。活塞杆、螺栓本体、药剂和空气域各部分网格划分如图3所示。

图3 网格划分结果示意图

1.6 初始条件、约束与边界条件设置

建模完成后，需要设置计算起始条件。根据火工品的结构特点，在药剂的起始发火位置可以设置点、线或面起爆。本次研究中，起爆方式采用点起爆，起爆点设在药剂左端面的中心位置。计算用边界条件为：利用对称性对称面的变形进行约束，计算模型的空气外表面施加无反射边界条件，活塞杆与螺栓本体之间定义为自动接触。

2 计算结果

2.1 药剂选型

药剂的爆速、爆压对爆炸螺栓作用过程有着非常重要的影响，为分析研究适用于爆炸螺栓的药剂参数，从材料库中选择HMX、RX-06-AF、HNS1.00、 ANFO4种药剂进行计算。表2介绍了4种药剂的爆速、爆压参数。图4为HMX、RX-06-AF、HNS1.00、 ANFO4种药剂作用效果的应力云图。

表2 药剂爆速、爆压表

Tab.2 The detonation velocity and detonation pressure of composition

图4 4种药剂作用结果应力云图

从图4（a）可知，由于HMX爆速、爆压过高，剧烈的爆炸直接损坏了药剂附近的螺栓本体结构和活塞杆，螺栓本体严重变形，无法完成爆炸螺栓的分离动作。RX-06-AF的爆速、爆压与HMX相近，如图4（b）中计算结果也接近一致，螺栓结构受到了严重破坏，无法完成分离动作。图4（c）中，药剂HNS1.00完成了爆炸螺栓要求的分离动作，但螺栓本体结构受到了一定程度的损毁，说明该药剂的爆速、爆压略高于合理范围。图4（d）中爆炸螺栓在螺栓本体没有明显破坏的情况下很好地完成了分离动作，活塞与螺栓本体的冲击也相对较弱，与爆炸螺栓设计中的“强连接、弱解锁、低冲击”的需求相吻合。

2.2 爆炸螺栓作用过程分析

图5为药剂ANFO作用下爆炸螺栓作用过程的应力云图，分别描述了各个关键阶段爆炸螺栓各部分的应力分布情况。

图5（a）为药剂起爆后快速燃烧和爆轰的瞬态，爆轰波呈球形传播，活塞杆和螺栓本体都有应力产生，应力最大值位于药剂作用前缘。图5（b）为药剂作用后产生气体，在气体压力的推动下，活塞杆开始向右移动，药柱周围本体结构发生轻微变形，活塞前端接触螺栓本体后，活塞杆前端和螺栓本体接触部位应力快速升高，结构应力最大点亦出现在该位置。图5（c）所示为当螺栓本体应力超过螺栓本体材料剪切应力极限后，螺栓本体从设计要求剪断的部位被剪断，由于断口的出现，活塞杆前端和螺栓杆应力急剧下降，同时螺栓杆部分开始向右运动，逐步完成与螺栓本体的分离动作。

图5 爆炸螺栓作用过程应力云图

图5（d）中，螺栓本体已完成分离，活塞杆继续向右运动，活塞杆和螺栓本体右端部分应力已大幅降低，应力最大值位于活塞杆后端部分。图5（e）中，活塞杆在气体压力作用下继续运动，活塞杆后端撞击螺栓本体台阶部分，该处因撞击发生形变，最大应力点也位于该处。螺栓杆完全分离，杆内应力逐步趋于零。图5（f）中，活塞杆后端和螺栓本体撞击完成，活塞杆相对螺栓本体向后弹回，螺栓杆分离部分继续向右运动，结构中应力分布趋于平均，整个分离过程完成。图6为爆炸螺栓腔内压力曲线。

图6 爆炸螺栓腔内压力曲线

如图6所示位置，在爆炸螺栓腔内取A、B、C3个典型位置进行观察，A点由于距离起爆点最近，和药剂相邻，在起爆后压力迅速增加达到第1个峰值，爆轰波反射后达到第2个峰值，略低于第1个峰值。随后在气体压力的推动下活塞杆开始向右运动，B点和C点先后开始受到腔内高压气体的作用，出现峰值，并伴随波动压力逐步减小。观察可知，B、C两点的峰值压力远小于A点，分析其原因：由于高压气体推动活塞杆做功，随着活塞杆动能的增加以及腔内空间的增大，气体压力迅速下降并趋于稳定。

图7为爆炸螺栓预断面应力曲线。在爆炸螺栓预断面上沿轴向依次取A、B、C3点，随着活塞杆从左向右运动，接触螺栓本体后A、B、C依次出现应力的急剧增加，达到屈服极限后发生剪切作用；螺栓杆从预断面与螺栓本体分离，随后应力下降，伴随着活塞杆与剪切面的接触、碰撞、摩擦，压力在数次波动后逐步减弱趋于稳定状态。

图8为螺栓杆速度曲线。选取螺栓杆上A、B、C3点，起爆后10μs左右，A、B、C3点先后开始运动，在活塞杆的推动下螺栓杆开始向右运动，伴随预断面的剪切过程，速度发生小幅波动，剪切完成后速度继续增加，分离平均速度为70m/s左右，局部位置最大分离速度达85 m/s，并在摩擦阻力的影响下小幅波动。

图7 爆炸螺栓预断面应力曲线

图8 螺栓杆速度曲线

3 实验验证

为验证仿真结果，根据图9所示的实验原理对爆炸螺栓的分离速度进行测量。

图9 螺栓分离速度实验示意图

如图9所示，螺栓杆分离完成后从右向左运动，依次碰撞间距为的挡片1和挡片2，记录碰撞的时间1和2，则螺栓杆的平均速度为/(2-1)。通过对15个样品的实验测量，得到该型号爆炸螺栓实验中的平均分离速度为55~67m/s，实验分离速度与仿真计算结果基本吻合。通过以上分析，该药剂很好地完成了爆炸螺栓的分离做功过程，满足爆炸螺栓设计需求。

4 结语

本次研究利用仿真技术模拟了爆炸螺栓作用全过程，通过计算分析不同爆速、爆压的药剂对爆炸螺栓作用过程的影响，得出了适用于该结构形式爆炸螺栓使用的药剂。计算结果与工程实际基本吻合。此项研究采用了模拟仿真新技术，为爆炸螺栓结构及药剂的优化设计摸索出了一个经济实用的新方法，探索了将仿真技术应用于火工品设计的新途径。

[1] 何春全,严楠,叶耀坤.导弹级间火工分离装置综述[J].航天返回与遥感,2009,30(3):70-77.

[2] 汪玉,刘云龙,张阿漫,田昭丽.基于ANSYS/LS-DYNA的多层舷结构抗空中接触爆炸防护性能研究[J].舰船科学技术,2013(7):25-31.

[3] 薛再清.爆轰产物状态方程及含铝炸药的爆炸过程[D].北京:北京理工大学机电工程学院,1998.

[4] LS-DYNA Keyword Users Manual-Version 971[Z]. Livermore Software Technology Corporation, Livermore, CA, 2007.

[5] 李静.点火管作用过程模拟仿真[D].西安:陕西应用物理化学研究所,2010.

[6] 陈慧能,杨树彬等.点火管作用过程模拟仿真技术研究[C]//第七届中国系统建模与仿真技术高层论坛论文集.北京:中国计算机用户协会仿真应用分会,2012.

The Simulation of Action Procedure of Explosive Bolt

DU Long-fei1, MA Yu-huan2, CHEN Hui-neng1, YANG Shu-bin1，XIA Dong-xing1

(1. Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061; 2. Shanghai Aerospace Equipment Manufacturing Factory, Shanghai, 200245)

Aimed at some typical type of explosive bolt, four compositions with different detonation velocity and detonation pressure were selected and calculated by ANSYS/LS-DYNA software, and the optimal composition was obtained. The action procedure simulation of explosive bolt charged the optimal composition was carried out, which was accordant to the test result well.

Explosive bolt；Simulation；Charge；Action procedure

1003-1480（2015）03-0029-04

TJ450.2

A

2014-12-16

杜龙飞（1986-），男，在读硕士研究生，从事火工品设计仿真研究。