發(fā)布時間：2017-03-20 14:04

  本文關(guān)鍵詞：蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥與雙面爆炸復合的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：爆炸復合材料由于具有工藝簡單、成本低廉、性能優(yōu)良、能源豐富等優(yōu)點,己成為金屬加工中一個非常重要的復合材料。但目前,國內(nèi)外采用的仍然是原始的大裝藥量的單面爆炸復合方法,僅利用了炸藥一側(cè)的能量,導致大部分的炸藥爆炸能量以沖擊波的形式釋放在空間中,造成了爆炸復合“高噪低效”的特點；目前爆炸復合用炸藥大多是粉狀炸藥,粉狀炸藥作的密度和均勻性很難控制,這必然導致其爆速不穩(wěn)定,影響產(chǎn)品質(zhì)量。還存在工作量大、粉塵污染嚴重,損害操作人員的身心健康、機械化程度低等問題。針對現(xiàn)行爆炸復合材料中存在的問題,本文提出了一種新型的蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥用于爆炸復合,同時結(jié)合蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥設(shè)計了一種新型的雙面爆炸復合方法,一次起爆可同時獲得兩組復合板。炸藥在雙面復板的約束下,阻止了側(cè)向稀疏波的入侵,減少了爆轟波能量的損耗,提高了能量利用率,炸藥的單耗僅為傳統(tǒng)方法的l0～20%。 為了解決爆炸復合裝藥存在的裝藥方式落后的問題,設(shè)計了由蜂窩鋁和乳化炸藥制成的爆炸復合用的蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥,由于蜂窩結(jié)構(gòu)和雙面復板的多向約束,使得乳化炸藥在厚度為5mm時仍能穩(wěn)定傳爆,改善了裝藥質(zhì)量。分別對蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥的相關(guān)爆轟參數(shù)進行了測試計算,結(jié)果表明：5mm厚度的蜂窩結(jié)構(gòu)乳化炸藥爆速為4510m/s,13mm厚的蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥驅(qū)動復板的爆轟壓力為808MPa,CJ面上的密度為1.49g/cm3,爆轟產(chǎn)物的速度為1128m/s,爆轟壓力為5.7GPa 分別對45號鋼/Q235鋼、不銹鋼/Q235鋼雙面爆炸復進行了理論計算與實驗研究,計算結(jié)果表明：45號鋼/Q235鋼的雙面爆炸復合窗口為：222m/sυp716m/s、1045m/sυD;5200m/s;不銹鋼/Q235鋼雙面爆炸復合窗口為：197m/sυp557m/s,851m/sυD5200m/s。針對45號鋼/Q235鋼、不銹鋼/Q235鋼進行的雙面爆炸復合試驗表明：爆炸復合界面的結(jié)合形態(tài)中均勻細小的波狀結(jié)合由于縫隙小、空洞少具有較高的結(jié)合強度,說明雙面爆炸復合切實可行。結(jié)合爆炸復合窗口的計算結(jié)果,通過Gurney公式、Aziz公式及Deribas公式對45號鋼/Q235鋼、不銹鋼/Q235鋼的雙面爆炸復合試驗結(jié)果進行的預測表明,Deribas公式計算所得的碰撞速度與45號鋼/Q235鋼、不銹鋼/Q235鋼的雙面爆炸復合試驗結(jié)果非常吻合,可對爆炸復合生產(chǎn)提供理論指導。雙面爆炸復合使炸藥爆炸產(chǎn)生的能量絕大部分用于材料的復合,對于45號鋼與Q235鋼的雙面爆炸復合,較之于傳統(tǒng)的單面爆炸復合在復合相同數(shù)量的復合板的情況下,炸藥使用量減少了83%；對于不銹鋼與Q235鋼進行了雙面爆炸復合,較之于傳統(tǒng)的單面爆炸復合在復合相同數(shù)量的復合板的情況下,炸藥的使用量減少了77%。解決了爆炸復合生產(chǎn)中存在的“高噪低效”問題,達到了低能、高效、環(huán)保的效果。結(jié)合界面的形態(tài)與質(zhì)量比有著密切的關(guān)系,質(zhì)量比越大,結(jié)合界面獲得的結(jié)合能量也就越多。實驗中使用的炸藥并非爆炸復合常用的低爆速炸藥(約2000-3000m/s),而是爆速較高的乳化炸藥,由試驗的結(jié)果可以看出,并非不能滿足爆炸復合的要求,爆炸復合產(chǎn)生了結(jié)合強度較高的微波狀結(jié)合界面,而且基復板間隙中的空氣并沒有受到較高爆速的影響而出現(xiàn)排氣不暢引起的鼓包,與傳統(tǒng)的爆炸復合所用的低爆速炸藥相比,爆速高,其所對應的爆轟壓力和爆炸產(chǎn)物的能量也就越高,提供給復板的加速度也就越大,為使復板達到與使用低爆速炸藥產(chǎn)生相同的碰撞速度,所用的炸藥量相對就越少,炸藥的利用率就越高。 通過LS-DYNA軟件采用無網(wǎng)格的SPH方法對爆炸復合界面波形變化規(guī)律進行二維的數(shù)值模擬,模擬結(jié)果中再現(xiàn)了爆炸復合過程中的射流和波形結(jié)合的現(xiàn)象,說明無網(wǎng)格SPH方法用于爆炸復合的有效性。模擬中并未考慮炸藥爆轟產(chǎn)物不斷堆集對界面波變化影響,結(jié)果中仍出現(xiàn)了爆炸復合實際生產(chǎn)過程中界面波由起爆端至末端波形尺寸緩慢增加的現(xiàn)象,分析原因：由于基板與復板的碰撞,在金屬板的待復合區(qū)產(chǎn)生了振動能,并隨著碰撞點的向前推移,前碰撞點引起的振動能不斷疊加,使得待復合金屬板的振動不斷加強,導致基復板由起爆端至末端的碰撞速度也不斷增加�？紤]到隨著炸藥爆轟波的推移,爆炸產(chǎn)物不斷堆集,即作用于待復合金屬板上的載荷將會增加,基復板的碰撞速度也將增加,再結(jié)合基復板碰撞引起的待復合板振動對界面波形變化的影響,認為爆炸復合過程中界面波由金屬板的起爆端至末端波形尺寸緩慢增加是由炸藥爆轟產(chǎn)物的堆集與基復板碰撞產(chǎn)生的振動能共同作用的結(jié)果。 利用LS-DYNA軟件采用無網(wǎng)格的SPH方法對爆炸復合的邊界效應進行二維數(shù)值模擬研究,以全新的觀點揭示了爆炸復合邊界效應的產(chǎn)生機理：起爆端的爆轟產(chǎn)物由于受到稀疏波的影響,使得作用于起爆端的壓力衰減的較快,導致起爆端的碰撞角為負值,炸藥的爆轟產(chǎn)物作用于復板的起爆端的力F可以分為兩個部分：F1和F2。F1是使復板向下碰撞的力,即結(jié)合力；F2是使復板產(chǎn)生邊界效應的力,該力的大小可以表示為：F2=Fsinθ,在一定的角度下,F2可以將復板的起爆端撕裂。末端的爆轟產(chǎn)物同樣由于受到稀疏波的影響,使得作用于末端的壓力衰減的較快,導致末端的碰撞角比板內(nèi)部的碰撞角大,炸藥的爆轟產(chǎn)物作用于復板末端的力F..可以分為兩個部分：F5和F6。F5是使復板向下碰撞的力,即結(jié)合力；F6是使復板產(chǎn)生邊界效應的力,該力的大小可以表示為：F6=F·sinβ。由于碰撞點處產(chǎn)生射流是爆炸復合的必要條件,且射流產(chǎn)生的條件為：5°β25°,在此角度范圍下,F6為力F..的8.72%～42.26%,由于末端的碰撞角大于板內(nèi)部的碰撞角β1,一定角度下F6可以產(chǎn)生邊界效應,即將復板的起爆端撕裂。由于蜂窩結(jié)構(gòu)和雙面復板的多向約束有效的降低了稀疏波的對爆轟產(chǎn)物的影響,在不增大裝藥尺寸和增大復板尺寸的情況下,采用蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥及雙面爆炸復合方法可以使得邊界效應得到了有效的控制,使得爆炸復合的有效結(jié)合面積更高,不僅節(jié)約了成本,而且有利于環(huán)保。 為了提高計算效率,利用LS-DYNA軟件采用SPH-FEM耦合方法對第三章中的爆炸復合的可行性實驗進行了三維的數(shù)值模擬,結(jié)果表明：10mm藥厚與5mm藥厚下的復板位移均略大于間隙值6mm,這是由于爆轟載荷作用下,復板有一定的減薄率所致；10mm藥厚下復板中部的最大碰撞速度為897m/s,碰撞壓力為17.08GPa;5mm藥厚下復板中部的最大碰撞速度為565m/s,碰撞壓力為l1.25GPa。通過與三種理論公式(Gurney公式、Aziz公式、Deribas公式)下碰撞速度的計算結(jié)果比較發(fā)現(xiàn),數(shù)值模擬結(jié)果與Deribas公式的計算結(jié)果較接近,誤差較小,與實驗結(jié)果較吻合,說明了SPH-FEM耦合方法用于雙面爆炸復合的有效性,同時Deribas公式與SPH-FEM耦合方法對雙面爆炸復合具有較好的指導意義；10mm藥厚與5mm藥厚下復板的碰撞速度與碰撞壓力均出現(xiàn)隨著距起爆端距離的增加,該現(xiàn)象是由于爆轟產(chǎn)物不斷堆集與前碰撞點在金屬板待復合區(qū)振動能的不斷增加共同作用的結(jié)果。
【關(guān)鍵詞】：蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥 雙面爆炸復合 能量利用率邊界效應 結(jié)合界面 數(shù)值模擬 光滑粒子—有限元耦合方法
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O38
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-15
• 第1章 緒論15-33
• 1.1 研究背景及意義15-16
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-23
• 1.2.1 爆炸復合技術(shù)16-18
• 1.2.2 爆炸復合用炸藥研究18-19
• 1.2.3 爆炸復合的機理研究19-21
• 1.2.4 爆炸復合數(shù)值模擬現(xiàn)狀21-23
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容23-25
• 參考文獻25-33
• 第2章 爆炸復合專用結(jié)構(gòu)炸藥研究33-49
• 2.1 引言33
• 2.2 爆轟理論發(fā)展史33-37
• 2.2.1 C-J 理念33-35
• 2.2.2 ZND模型35-36
• 2.2.3 W-K理論36-37
• 2.3 炸藥爆轟的尺寸效應37-38
• 2.4 蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥的制備38-39
• 2.5 蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥的爆轟參數(shù)測試及計算39-46
• 2.5.1 蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥臨界厚度的測試39-40
• 2.5.2 蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥爆速測試40-41
• 2.5.3 蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥驅(qū)動復板爆轟壓力的測量41-45
• 2.5.4 其它爆轟參數(shù)的計算45-46
• 2.6 本章小結(jié)46-47
• 參考文獻47-49
• 第3章 雙面爆炸復合的實驗研究49-71
• 3.1 引言49
• 3.2 雙面爆炸復合可行性研究49-58
• 3.2.1 炸藥爆炸的能量利用率50-51
• 3.2.2 雙面爆炸復合窗口的理論計算51-53
• 3.2.3 45號鋼/Q235鋼的雙面爆炸復合實驗結(jié)果預測53-55
• 3.2.4 45號鋼/Q235鋼的雙面爆炸復合實驗55-58
• 3.3 不銹鋼/Q235鋼的雙面爆炸復合研究58-66
• 3.3.1 不銹鋼/Q235鋼雙面爆炸復合窗口的理論計算59-60
• 3.3.2 不銹鋼/Q235鋼雙面爆炸復合實驗結(jié)果預測60-62
• 3.3.3 不銹鋼/Q235鋼的雙面爆炸復合實驗62-66
• 3.4 本章小結(jié)66-69
• 參考文獻69-71
• 第4章 爆炸復合界面波形變化規(guī)律的數(shù)值模擬71-83
• 4.1 引言71
• 4.2 數(shù)值模擬方法的選擇71-73
• 4.2.1 數(shù)值計算方法的對比分析71-72
• 4.2.2 SPH 方法72-73
• 4.3 爆炸復合結(jié)合界面波形參數(shù)變化規(guī)律的數(shù)值模擬73-75
• 4.3.1 計算模型73-74
• 4.3.2 材料模型及參數(shù)設(shè)定74-75
• 4.4 模擬結(jié)果與分析75-79
• 4.4.1 模擬結(jié)果75-78
• 4.4.2 分析與討論78-79
• 4.5 本章小結(jié)79-81
• 參考文獻81-83
• 第5章 基于SPH方法的爆炸復合邊界效應的數(shù)值模擬83-95
• 5.1 引言83
• 5.2 計算模型及參數(shù)選取83-86
• 5.2.1 計算模型83-84
• 5.2.2 材料模型及參數(shù)設(shè)定84-86
• 5.3 模擬結(jié)果與分析86-90
• 5.3.1 模擬結(jié)果86-88
• 5.3.2 分析與討論88-90
• 5.4 本章小結(jié)90-93
• 參考文獻93-95
• 第6章 雙面爆炸復合的數(shù)值模擬95-113
• 6.1 引言95
• 6.2 計算模型及參數(shù)選取95-98
• 6.2.1 計算模型95-96
• 6.2.2 材料模型及參數(shù)設(shè)定96-98
• 6.3 模擬結(jié)果與分析98-109
• 6.3.1 10mm藥厚下的模擬結(jié)果98-103
• 6.3.2 5mm藥厚下的模擬結(jié)果103-108
• 6.3.3 分析與討論108-109
• 6.4 本章小結(jié)109-111
• 參考文獻111-113
• 第7章 全文總結(jié)113-117
• 7.1 全文總結(jié)113-115
• 7.2 主要創(chuàng)新點115-116
• 7.3 未來工作展望116-117
• 致謝117-119
• 在讀期間發(fā)表的學術(shù)論文與取得的其他研究成果119-120

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

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本文編號：257884