飛片厚度對(duì)沖擊波壓力峰值衰減特性的影響分析

飛片厚度對(duì)沖擊波壓力峰值衰減特性的影響分析趙傳榮;孔德仁;王勝?gòu)?qiáng);楊凡【摘要】Incurrentstudies,theinfluenceofflyer'sthicknessontheattenuationcharacteristicsofshockwave'speakpressureisrarelyconsidered.Aimingatthisproblem,asimulationmodelwasbuilttosimulatetheflyersofdifferentthicknesshittinganoxygenfreecoppertargetboardandwassolvedbythenumericalmethod.Thesimulatedvaluesofpulsewidthattheinterfacebetweenflyerandtargetplatewerecomparedwiththetheoreticalvaluesandthecredibilityofthenumericalsimulationmodelaswellasthesimulationresultswasverified.Processingthesimulationdatawithleastsquaresmethodandestablishingthequantitativemathematicalrelationshipbetweentheflyer'sthicknessandtheattenuationcoefficientoftheexponentialdecaymodelofshockwave'speakpressure,itisshownthattheinfluenceofflyer'sthicknessontheattenuationcharacteristicsofshockwave'speakpressureisobvious,andtherelationshipisapproximatelylinear.Thesmallertheflyer'sthicknessis,thelargertheattenuationcoefficientaswellasthefastertheattenuationrateofshockwave'spressurepeakwillbe.Theresultsprovideatheoreticalreferencetothedesignandanalysisofrelatedexperiments.%針對(duì)現(xiàn)有研究沒(méi)有考慮飛片厚度對(duì)沖擊波壓力峰值衰減特性影響的問(wèn)題，采用數(shù)值仿真的方法，通過(guò)建立不同厚度的飛片撞擊無(wú)氧銅靶板的仿真模型，比較飛片與靶板撞擊面脈沖寬度的仿真值和理論計(jì)算值，驗(yàn)證了數(shù)值仿真模型和仿真結(jié)果的可信度。采用最小二乘法對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立了飛片厚度與沖擊波壓力峰值指數(shù)衰減模型衰減系數(shù)之間的定量數(shù)學(xué)關(guān)系式，結(jié)果表明飛片厚度對(duì)沖擊波壓力峰值衰減特性的影響比較明顯，飛片厚度與衰減系數(shù)近似成線性關(guān)系，飛片厚度越小，衰減系數(shù)越大，沖擊波壓力峰值的衰減速率越快，為相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析提供了理論參考?！酒诳Q(chēng)】《振動(dòng)與沖擊》【年(卷)，期】2016(000)003【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P135-138)【關(guān)鍵詞】沖擊波;壓力峰值;數(shù)值仿真;飛片厚度;衰減特性【作者】趙傳榮;孔德仁;王勝?gòu)?qiáng);楊凡【作者單位】南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京210094;南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京210094;西安近代化學(xué)研究所，西安710065浦京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京210094【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】O385平面沖擊波特性是高能密度材料的合成［1］、炸藥沖擊起爆［2］及材料本構(gòu)特性的獲?。?］等研究中的重要課題。高速飛片撞擊靶板是產(chǎn)生平面沖擊波的有效方法之一。沖擊波壓力峰值和脈沖寬度是表征平面沖擊波強(qiáng)度的兩個(gè)重要參數(shù)。Erkman等［4］研究了平面沖擊波在2024-T351鋁中的衰減特性，結(jié)果表明，右行追趕稀疏波在沒(méi)有追上靶板中右行沖擊波之前，平面沖擊波在靶板中的衰減主要表現(xiàn)為沖擊波脈沖寬度的衰減；當(dāng)追趕稀疏波追上右行沖擊波以后，沖擊波壓力峰值將迅速衰減。湯文輝等［5］應(yīng)用錳銅壓阻計(jì)測(cè)量了峰壓為4.92GPa的沖擊波壓力峰值在LY12-M鋁中的衰減規(guī)律，飛片的厚度為2mm，材料為黃銅。程和法等［6］采用輕氣炮裝置驅(qū)動(dòng)厚度為4mm、直徑為55mm的飛片分別以101m/s和379m/s的速度撞擊靶板，研究了不同沖擊速度下，沖擊波壓力峰值在泡沫鋁材料中的衰減特性，獲得了相應(yīng)的指數(shù)衰減模型。王永剛等［7］基于輕氣炮裝置驅(qū)動(dòng)厚度為10mm的LY12鋁飛片以670m/s的速度撞擊厚度為5mm的LY12鋁靶板，研究了沖擊波壓力峰值在C30混凝土中的衰減特性。然而，這些衰減模型或特性均是在特定的沖擊條件下獲得的，沒(méi)有考慮飛片厚度的不同對(duì)沖擊波壓力峰值衰減特性的影響，目前也沒(méi)有這方面的相關(guān)報(bào)道。由于現(xiàn)有的測(cè)量超高壓力用傳感器，如錳銅傳感器或PVDF傳感器，在10GPa左右的量程下，均是采用高速飛片撞擊靶板，將測(cè)得的飛片撞擊靶板的速度經(jīng)流體力學(xué)模型換算得到的壓力作為標(biāo)準(zhǔn)壓力，并與傳感器的輸出電壓或電荷量進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定，獲取其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，如壓阻系數(shù)或壓電系數(shù)。因此，本論文采用數(shù)值仿真方法探討飛片厚度對(duì)沖擊波壓力峰值衰減特性的影響，將數(shù)值仿真［8-9］結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證仿真模型和結(jié)果的可信度。根據(jù)飛片與靶板撞擊面沖擊波壓力的流體彈塑性模型［5］，將飛片撞擊靶板過(guò)程看作為一維平面平行正碰撞，假設(shè)飛片直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于飛片的厚度，則靶板撞擊面中心處沖擊波的壓力峰值p0和脈沖寬度T0的理論計(jì)算模型為：式中，L是飛片的厚度，p01為飛片材料在零壓下的密度，US1為飛片中沖擊波速度，UP1為飛片中的粒子速度，C1為飛片材料在高壓下的彈性聲速，p1為飛片材料在P0下的密度。當(dāng)追趕稀疏波以C1的速度到達(dá)飛片與靶板撞擊面時(shí)，將以C2的速度繼續(xù)向靶板中傳播，這個(gè)波所到之處將會(huì)使該處的沖擊波壓力迅速衰減。故在靶板中傳播距離X處沖擊波脈沖寬度TX即是追趕稀疏波到達(dá)該處的時(shí)間與右行沖擊波達(dá)到該處的時(shí)間之差，即：式中：p02為靶板材料在零壓下的密度，p2為靶板材料在P0下的密度，C2為靶板材料在高壓下的彈性聲速，US2為靶板中沖擊波速度。根據(jù)式(1)和式(2)，可將tx的計(jì)算模型簡(jiǎn)化為：式(3)中。令tx=0,則沖擊波壓力峰值保持不變的傳播距離x1=t0/K?？梢?jiàn)，飛片厚度L不同，脈沖寬度t0不同，會(huì)直接影響沖擊波壓力保持不變的傳播距離x1,這勢(shì)必將影響沖擊波壓力峰值的衰減。2.1飛片撞擊靶板仿真模型的建立基于ANSYS/LS-DYNA軟件分別建立厚度為2cm、3cm及4cm、直徑為120cm的圓柱形平頭飛片，撞擊直徑為120cm、厚度為60cm的靶板，飛片與靶板材料均為無(wú)氧銅。為了研究在10GPa峰值壓力下無(wú)氧銅材料中沖擊波的衰減特性，飛片的速度取520m/s。為了較好的反映靶板在撞擊條件下的應(yīng)力變化，飛片與靶板均采用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程，無(wú)氧銅材料的Johnson-Cook本構(gòu)參數(shù)和Gruneisen狀態(tài)方程參數(shù)分別如表1和表2所列。采用Lagrange算法，用Solidl64單元進(jìn)行劃分，采用面面侵蝕接觸算法，并在飛片與靶板對(duì)稱(chēng)面上施加對(duì)稱(chēng)邊界約束，靶板采用無(wú)反射邊界約束?？紤]到飛片與靶板的結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)性，為了減少計(jì)算規(guī)模和計(jì)算時(shí)間，只取1/4模型進(jìn)行計(jì)算，數(shù)值模型單位采用g-cm-us單位制。2.2仿真結(jié)果可信度分析為了驗(yàn)證數(shù)值仿真模型和仿真結(jié)果的可信度，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整全局彈性剛度、網(wǎng)格尺寸等仿真參數(shù)，采用ANSYS/LS-DYNA專(zhuān)用后處理軟件分別提取2cm、3cm及4cm厚飛片撞擊靶板后，靶板撞擊面中心處單元壓力-時(shí)間歷程曲線如圖1所示。平臺(tái)峰值壓力均為10GPa，脈沖寬度分別為8.00卜、12.01ps及16.10ps,脈沖寬度是按照95%壓力峰值的標(biāo)準(zhǔn)獲取的。脈沖寬度的仿真值與理論計(jì)算值［5］的比較結(jié)果如表3所示。由圖1和表3可見(jiàn)，脈沖寬度的仿真值與理論計(jì)算結(jié)果較吻合，其最大相對(duì)誤差優(yōu)于2%，二者隨飛片厚度的變化趨勢(shì)也一致，驗(yàn)證了數(shù)值仿真模型和仿真結(jié)果的可信度。2.3仿真結(jié)果分析為了研究飛片厚度對(duì)沖擊波壓力峰值衰減特性的影響，提取不同飛片厚度L下距靶板撞擊面x處的沖擊波壓力峰值如表4所示。假設(shè)Px為距靶板撞擊面x處沖擊波壓力峰值，則沖擊波壓力峰值隨傳播距離的衰減可表示為：式中，P0為靶板撞擊面沖擊波壓力峰值；a為衰減系數(shù)，它體現(xiàn)了沖擊波壓力峰值的衰減速率；x1為沖擊波壓力峰值開(kāi)始發(fā)生衰減的沖擊波傳播距離。為了綜合評(píng)價(jià)在上述不同的沖擊條件下沖擊波壓力峰值在無(wú)氧銅靶板中的衰減特性，將表4中的數(shù)據(jù)作歸一化處理，可獲得指數(shù)擬合關(guān)系曲線如圖2所示。仿真數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果列于表5中。根據(jù)飛片厚度L和衰減系數(shù)a的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用最小二乘法對(duì)表5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到其散點(diǎn)圖和擬合曲線圖，如圖3所示。擬合曲線的函數(shù)關(guān)系式為：式中，L的單位為cm,a的單位為1,相關(guān)系數(shù)為0.9914。由圖2和圖3可見(jiàn)，飛片厚度不同，在相同的撞擊速度下，無(wú)氧銅中沖擊波壓力峰值衰減特性的差異較大，飛片厚度與衰減系數(shù)近似成線性關(guān)系。當(dāng)飛片速度及飛片與靶板的材料一定時(shí)，飛片厚度越小，衰減系數(shù)越大，沖擊波壓力峰值在靶板中衰減速率越快。采用數(shù)值仿真的方法分析了飛片厚度對(duì)沖擊波壓力峰值衰減特性的影響，結(jié)果表明飛片厚度對(duì)沖擊波壓力峰值衰減特性的影響比較明顯，飛片厚度與衰減系數(shù)近似成線性關(guān)系，飛片厚度越小，衰減系數(shù)越大，對(duì)應(yīng)的沖擊波壓力峰值衰減速率越快，為相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析提供了理論參考?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】FibbianiFP,PulhamCR.High-pressurestudiesofpharmaceuticalcompoundsandenergeticmaterials[J].ChemSocRev,2006,35(10):932-942.KimM,YooCS.HighlyrepulsiveinteractioninnovelinclusionD2-N2compoundathighpressure:Ramanandx-rayevidence[J].J.Chem.Phys,2011,134(4):44-51.PavlenkoAV,BalabinSI,KozelkovOE,etal.Aone-stagelightgasgunforstudyingdynamicpropertiesofstructuralmaterialsinarangeupto40GPa[J].InstrumentsandExperimentalTechniques,2013,56⑷：482-484.ErkmanJO,ChristensenAB.AttenuationofShockWavesinAluminum[J].JournalofAppliedPhysics,1967,38(13):5395-5403.湯文輝，張若棋,陳雪芳.LY12-M鋁中沖擊波衰減機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究[J].高壓物理學(xué)報(bào),1988,2(3):218-226.TANGWen-hui,ZHANGRuo-qi,CHENXue-fang.ExperimentalstudiesontheattenuationofshockwavesinLY12-Maluminum[J].ChineseJournalofHighPressurePhysics,1988,2(3):218-226.程和法，黃笑梅,薛國(guó)憲，等.沖擊波在泡沫鋁中的傳播和衰減特性[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,22(1):78-81.CHENGHe-fa,HUANGXiao-mei,XUEGuo-xian,etal.Propagationandattenuationcharacteristicofshockwaveinaluminumfoam[J].JournalofMaterialsScienceandEngineering,2004,22(1):78-81.王永剛，王禮立.平板撞擊下C30混凝土中沖擊波的傳播特性[J].爆炸與沖擊,2010,30(2):119-124.WANGYong-gang,WANGLili.ShockwavepropagationcharacteristicsinC30concreteunderplateimpactloading[J].ExplosionandShockWaves,2010,30(2):119-124.李順波，東兆星,齊燕軍，等.爆炸沖擊波在不同介質(zhì)中傳播衰減規(guī)律的數(shù)值模擬[J].振動(dòng)與沖擊,2009,28(7):115-117.LIShun-bo,DONGZhao-xing,QIYan-jun,etal.Numericalsimulationforspreaddecayofblastingshockwaveindifferentmedia[J].JournalofVibrationandShock,2009,28(7):115-117.唐廷,朱錫,侯海量，等.高速破片在防雷艙結(jié)構(gòu)中引起的沖擊荷載的理論研究[J].振動(dòng)與沖擊,2013,32(6):132-136.TANGTing,ZHUXi,HOUHai-liang,etal.The