间隙对爆轰加载下金属飞片运动特征影响的模拟分析

刘军 孙致远 张凤国 殷建伟

刘军, 孙致远, 张凤国, 殷建伟. 间隙对爆轰加载下金属飞片运动特征影响的模拟分析[J]. 爆炸与冲击, 2023, 43(4): 042201. doi: 10.11883/bzycj-2022-0239
引用本文: 刘军, 孙致远, 张凤国, 殷建伟. 间隙对爆轰加载下金属飞片运动特征影响的模拟分析[J]. 爆炸与冲击, 2023, 43(4): 042201. doi: 10.11883/bzycj-2022-0239
LIU Jun, SUN Zhiyuan, ZHANG Fengguo, YIN Jianwei. Simulation analysis of the effect of clearance on motion characteristic of metal flyer under detonation loading[J]. Explosion And Shock Waves, 2023, 43(4): 042201. doi: 10.11883/bzycj-2022-0239
Citation: LIU Jun, SUN Zhiyuan, ZHANG Fengguo, YIN Jianwei. Simulation analysis of the effect of clearance on motion characteristic of metal flyer under detonation loading[J]. Explosion And Shock Waves, 2023, 43(4): 042201. doi: 10.11883/bzycj-2022-0239

间隙对爆轰加载下金属飞片运动特征影响的模拟分析

doi: 10.11883/bzycj-2022-0239
基金项目: 国家自然科学基金(12101062);于敏基金(TCYM1820-02)
详细信息
    作者简介:

    刘 军(1981- ),男,硕士,副研究员,caepcfd@126.com

  • 中图分类号: O383

Simulation analysis of the effect of clearance on motion characteristic of metal flyer under detonation loading

  • 摘要: 在炸药爆轰驱动含间隙双层钢飞片情况下,两层钢飞片间的间隙会影响外层飞片的首次、二次入射波波形及强度,进而影响外层飞片自由面速度等。为了更好地认识爆轰加载条件下金属飞片的运动特征,需要深入研究间隙对该动力学过程的影响规律。首先,开展了爆轰驱动含初始间隙双层钢飞片的简化建模及数值模拟,通过模拟与实验结果的对比,验证了简化建模的合理性;然后,对该模型的加载动力学过程进行了深入分析,给出了首次、二次加载的来源;最后,开展了不同间隙厚度对该动力学过程影响的模拟分析研究。自由面速度结果表明,随着间隙厚度由0.1 mm增加至1 mm以上,外层飞片自由面的首次起跳速度峰值先逐渐降低后基本保持恒定、二次起跳速度峰值由逐渐增加至基本不变。动力学分析结果表明,可将不同间隙大小的影响分为两个阶段,其分界判据是在爆轰加载后内层金属飞片是否能够在间隙部位发展为脱体层裂片:在间隙较小的情况下,内层飞片在间隙一侧无法发展为层裂片,在此阶段内,随着间隙厚度的增加,外层飞片的首次加载峰值压力降低、二次加载峰值压力增加;在间隙较大的情况下,内层飞片在间隙一侧可以形成厚度不变、速度稳定的层裂片,在此阶段内,随着间隙厚度的增加,外层飞片的首次加载与二次加载的峰值压力均基本不变,但首次与二次加载之间的时间间隔缩短。研究结果对爆轰驱动含间隙飞片的自由面速度曲线的解读具有指导意义,从而能够更好地认识工程实验中由间隙造成的一些非预期物理现象。
  • 图  1  平面爆轰驱动含间隙双层钢飞片实验[1]示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of the plane detonation driven double-layer flyers experiment[1]

    图  2  实验模型的简化建模及含间隙飞片的局部网格划分

    Figure  2.  Simplified modeling result of experiment setup and the mesh generation of flyers with clearance

    图  3  模拟得到的含初始间隙的两层钢飞片在不同时刻的密度图

    Figure  3.  The density of double-layer steel flyer with initial clearance at different times

    图  4  爆轰驱动含间隙双层钢板的自由面速度对比及R=0轴线上的压力随时间变化情况

    Figure  4.  The free surface velocity of the double-layer flyers with clearance driven by detonation and the pressure with time at R = 0

    图  5  不同间隙厚度下爆轰驱动双飞片模型的自由面速度及首次和二次加载自由面速度峰值

    Figure  5.  Free surface velocity and the peak value of free surface velocity under first and second loading with different clearance thickness

    图  6  爆轰驱动双飞片模型在R=0轴线上的压力随时间变化图像

    Figure  6.  Pressure varied with time at R = 0 in the detonation driven double-layer flyer model

    图  7  不同尺度间隙下爆轰驱动双飞片模型自由面速度曲线

    Figure  7.  Free surface velocity of detonation driven double-layer flyer model with different clearance thickness

    表  1  RHT-901炸药JWL参数[18]

    Table  1.   The JWL parameters of RHT-901[18]

    ρ0/(g·cm−3)pCJ/GPaDCJ/(km·s−1)A/GPaB/GPaR1R2ωE/(kJ·cm−3)
    1.727.07.8755.97513.1754.80.580.348.5
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    表  2  45钢材料模型参数[19-21]

    Table  2.   The material parameters of steel 45[19-21]

    ρ0/(g·cm−3)c0/(km·s−1)S1S2S3γ0λG0/GPaY0/GPaYmax/GPaTm0/K
    7.854.571.49002.170.4381.80.3552.02380
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    表  3  45钢的VG损伤模型参数

    Table  3.   The VG parameters of steel 45

    $ {\alpha }_{0} $$ {\alpha }_{\mathrm{s}}/\mathrm{G}\mathrm{P}\mathrm{a} $$ \eta $/(Pa·s)$ {D}_{\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{t}} $
    1.00010.3100.10
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  • [1] 李涛, 刘明涛, 王晓燕, 等. 装配垫层与间隙对爆轰加载下金属飞片运动特征的影响 [J]. 高压物理学报, 2018, 32(4): 044202. DOI: 10.11858/gywlxb.20170576.

    LI T, LIU M T, WANG X Y, et al. Effects of explosive device with foam cushion and air clearance on kinetic characteristic of steel flyer under detonation loading [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2018, 32(4): 044202. DOI: 10.11858/gywlxb.20170576.
    [2] 贺年丰, 张绍龙, 洪仁楷, 等. 间隙对金属锡爆轰加载过程的影响 [J]. 爆炸与冲击, 2021, 41(1): 012101. DOI: 10.11883/bzycj-2020-0054.

    HE N F, ZHANG S L, HONG R K, et al. Effects of gap on the explosive loading process of tin [J]. Explosion and Shock Waves, 2021, 41(1): 012101. DOI: 10.11883/bzycj-2020-0054.
    [3] 李雪交, 马宏昊, 沈兆武. 铝合金与槽型界面钢板的爆炸焊接 [J]. 爆炸与冲击, 2016, 36(5): 640–647. DOI: 10.11883/1001-1455(2016)05-0640-08.

    LI X J, MA H H, SHEN Z W. Explosive welding of interface between aluminum alloy and steel plate with dovetail grooves [J]. Explosion and Shock Waves, 2016, 36(5): 640–647. DOI: 10.11883/1001-1455(2016)05-0640-08.
    [4] 何长江, 周海兵, 杭义洪. 爆轰驱动金属铝界面不稳定性的数值分析 [J]. 中国科学 G辑: 物理学 力学 天文学, 2010, 53(2): 195–198. DOI: 10.1007/s11433-009-0261-4.

    HE C J, ZHOU H B, HANG Y H. A numerical study on Rayleigh-Taylor instability of aluminum plates driven by detonation [J]. Science China Physics, Mechanics and Astronomy, 2010, 53(2): 195–198. DOI: 10.1007/s11433-009-0261-4.
    [5] 殷建伟, 潘昊, 吴子辉, 等. 爆轰驱动Cu界面的Richtmyer-Meshkov扰动增长稳定性 [J]. 物理学报, 2017, 66(20): 204701. DOI: 10.7498/aps.66.204701.

    YIN J W, PAN H, WU Z H, et al. Stability analysis of interfacial Richtmyer-Meshkov flow of explosion-driven copper interface [J]. Acta Physica Sinica, 2017, 66(20): 204701. DOI: 10.7498/aps.66.204701.
    [6] 刘军, 冯其京, 周海兵. 柱面内爆驱动金属界面不稳定性的数值模拟研究 [J]. 物理学报, 2014, 63(15): 155201. DOI: 10.7498/aps.63.155201.

    LIU J, FENG Q J, ZHOU H B. Simulation study of interface instability in metals driven by cylindrical implosion [J]. Acta Physica Sinica, 2014, 63(15): 155201. DOI: 10.7498/aps.63.155201.
    [7] 张维岩, 叶文华, 吴俊峰, 等. 激光间接驱动聚变内爆流体不稳定性研究 [J]. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2014, 44(1): 1–23. DOI: 10.1360/SSPMA2013-00039.

    ZHANG W Y, YE W H, WU J F, et al. Hydrodynamic instabilities of laser indirect-drive inertial-confinement-fusion implosion [J]. Scientia Sinica Physica, Mechanica & Astronomica, 2014, 44(1): 1–23. DOI: 10.1360/SSPMA2013-00039.
    [8] 王涛, 汪兵, 林健宇, 等. 内爆加载下界面不稳定性和湍流混合数值模拟研究 [J]. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2020, 50(10): 104704. DOI: 10.1360/SSPMA-2019-0420.

    WANG T, WANG B, LIN J Y, et al. Numerical investigations of interface instability and turbulent mixing driven by implosion [J]. Scientia Sinica Physica, Mechanica & Astronomica, 2020, 50(10): 104704. DOI: 10.1360/SSPMA-2019-0420.
    [9] 曾翔宇, 李晓杰, 曹景祥, 等. 材料强度对爆炸焊接结合界面的影响 [J]. 爆炸与冲击, 2019, 39(5): 137–143. DOI: 10.11883/bzycj-2018-0400.

    ZENG X Y, LI X J, CAO J X, et al. Interface characteristics of explosive welding for different strength plates [J]. Explosion and Shock Waves, 2019, 39(5): 137–143. DOI: 10.11883/bzycj-2018-0400.
    [10] 张登霞, 李国豪, 周之洪, 等. 材料强度在爆炸焊接界面波形成过程中的作用 [J]. 力学学报, 1984, 16(1): 73–80.

    ZHANG D X, LI G H, ZHOU Z H, et al. Effect of material strength on forming process of explosive welding interface wave [J]. Acta Mechanica Sinica, 1984, 16(1): 73–80.
    [11] 虞德水, 赵锋, 谭多望, 等. JOB-9003和JB-9014炸药平面爆轰驱动飞片的对比研究 [J]. 爆炸与冲击, 2006, 26(2): 140–144. DOI: 10.11883/1001-1455(2006)02-0140-05.

    YU D S, ZHAO F, TAN D W, et al. Experimental studies on detonation driving behaviorof JOB-9003 and JB-9014 slab explosives [J]. Explosion and Shock Waves, 2006, 26(2): 140–144. DOI: 10.11883/1001-1455(2006)02-0140-05.
    [12] WHIRLEY R G, ENGELMANN B E. DYNA2D: a nonlinear, explicit, two-dimensional finite element code for solid mechanics: user manual: UCRL-MA-110630 [R]. Washington: Lawrence Livermore National Laboratory, 1992.
    [13] 袁帅, 周显明, 李平. 液体炸药-惰性材料组合式平面波透镜数值模拟 [J]. 兵工学报, 2010, 31(S1): 159–161.

    YUAN S, ZHOU X M, LI P. Simulation of plane wave lens with the combinition of liquid explosive and inert material [J]. Acta Armamentarii, 2010, 31(S1): 159–161.
    [14] 韩勇, 魏智勇, 黄毅民, 等. 平面波透镜实验与数值模拟 [J]. 含能材料, 2007, 15(5): 471–473. DOI: 10.3969/j.issn.1006-9941.2007.05.008.

    HAN Y, WEI Z Y, HUANG Y M, et al. Experiment and numerical simulation of plane wave lens [J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2007, 15(5): 471–473. DOI: 10.3969/j.issn.1006-9941.2007.05.008.
    [15] 孙承纬. 炸药平面波透镜的有效药量 [C]//爆轰研究论文集, 第3卷. 绵阳: 中国工程物理研究院流体物理研究所, 1998: 307-316.
    [16] 林文洲, 林忠, 刘全. 非结构多边形网格滑移线开穴算法 [J]. 计算物理, 2017, 34(3): 273–282. DOI: 10.3969/j.issn.1001-246X.2017.03.004.

    LIN W Z, LI Z, LIU Q. An open void method of slide line on unstructured N-polygon grids [J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2017, 34(3): 273–282. DOI: 10.3969/j.issn.1001-246X.2017.03.004.
    [17] JOHNSON JN. Dynamic fracture and spallation in ductile solids [J]. Journal of Applied Physics, 1981, 52(4): 2812–2825. DOI: 10.1063/1.329011.
    [18] 董海山, 周芬芬. 高能炸药及相关物性能[M]. 北京: 科学出版社, 1989.
    [19] STEINBERG D J. Equation of state and strength properties of selected materials: UCRL-MA-106439 [R]. Washington: Lawrence Livermore National Laboratory, 1996.
    [20] 张林, 张祖根, 秦晓云, 等. D6A、921和45钢的动态破坏与低压冲击特性 [J]. 高压物理学报, 2003, 17(4): 305–310. DOI: 10.11858/gywlxb.2003.04.011.

    ZHANG L, ZHANG Z G, QIN X Y, et al. Dynamic fracture and mechanical property of D6A, 921 and 45 steels under low shock pressure [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2003, 17(4): 305–310. DOI: 10.11858/gywlxb.2003.04.011.
    [21] 胡昌明, 贺红亮, 胡时胜. 45号钢的动态力学性能研究 [J]. 爆炸与冲击, 2003, 23(2): 188–192.

    HU C M, HE H L, HU S S. A study on dynamic mechancial behaviors of 45 steel [J]. Explosion and Shock Waves, 2003, 23(2): 188–192.
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-31
  • 修回日期:  2022-08-25
  • 网络出版日期:  2022-09-09
  • 刊出日期:  2023-04-05

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