飛片厚度對沖擊波壓力峰值衰減特性的影響分析

飛片厚度對沖擊波壓力峰值衰減特性的影響分析趙傳榮;孔德仁;王勝強;楊凡【摘要】Incurrentstudies,theinfluenceofflyer'sthicknessontheattenuationcharacteristicsofshockwave'speakpressureisrarelyconsidered.Aimingatthisproblem,asimulationmodelwasbuilttosimulatetheflyersofdifferentthicknesshittinganoxygenfreecoppertargetboardandwassolvedbythenumericalmethod.Thesimulatedvaluesofpulsewidthattheinterfacebetweenflyerandtargetplatewerecomparedwiththetheoreticalvaluesandthecredibilityofthenumericalsimulationmodelaswellasthesimulationresultswasverified.Processingthesimulationdatawithleastsquaresmethodandestablishingthequantitativemathematicalrelationshipbetweentheflyer'sthicknessandtheattenuationcoefficientoftheexponentialdecaymodelofshockwave'speakpressure,itisshownthattheinfluenceofflyer'sthicknessontheattenuationcharacteristicsofshockwave'speakpressureisobvious,andtherelationshipisapproximatelylinear.Thesmallertheflyer'sthicknessis,thelargertheattenuationcoefficientaswellasthefastertheattenuationrateofshockwave'spressurepeakwillbe.Theresultsprovideatheoreticalreferencetothedesignandanalysisofrelatedexperiments.%針對現(xiàn)有研究沒有考慮飛片厚度對沖擊波壓力峰值衰減特性影響的問題，采用數(shù)值仿真的方法，通過建立不同厚度的飛片撞擊無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算值，驗證了數(shù)值仿真模型和仿真結果的可信度。采用最小二乘法對仿真數(shù)據(jù)進行處理，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)學關系式，結果表明飛片厚度對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，為相關實驗設計與分析提供了理論參考。【期刊名稱】《振動與沖擊》【年(卷)，期】2016(000)003【總頁數(shù)】4頁(P135-138)【關鍵詞】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;王勝強;楊凡【作者單位】南京理工大學機械工程學院，南京210094;南京理工大學機械工程學院，南京210094;西安近代化學研究所，西安710065浦京理工大學機械工程學院，南京210094【正文語種】中文【中圖分類】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度的兩個重要參數(shù)。Erkman等［4］研究了平面沖擊波在2024-T351鋁中的衰減特性，結果表明，右行追趕稀疏波在沒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］應用錳銅壓阻計測量了峰壓為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］采用輕氣炮裝置驅動厚度為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，獲得了相應的指數(shù)衰減模型。王永剛等［7］基于輕氣炮裝置驅動厚度為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，沒有考慮飛片厚度的不同對沖擊波壓力峰值衰減特性的影響，目前也沒有這方面的相關報道。由于現(xiàn)有的測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，將測得的飛片撞擊靶板的速度經(jīng)流體力學模型換算得到的壓力作為標準壓力，并與傳感器的輸出電壓或電荷量進行比較，從而實現(xiàn)對傳感器的動態(tài)標定，獲取其動態(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沖擊波壓力峰值衰減特性的影響，將數(shù)值仿真［8-9］結果與理論計算結果進行比較，驗證仿真模型和結果的可信度。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］，將飛片撞擊靶板過程看作為一維平面平行正碰撞，假設飛片直徑遠遠大于飛片的厚度，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。當追趕稀疏波以C1的速度到達飛片與靶板撞擊面時，將以C2的速度繼續(xù)向靶板中傳播，這個波所到之處將會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該處的時間與右行沖擊波達到該處的時間之差，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的計算模型簡化為：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?，飛片厚度L不同，脈沖寬度t0不同，會直接影響沖擊波壓力保持不變的傳播距離x1,這勢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氧銅。為了研究在10GPa峰值壓力下無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，無氧銅材料的Johnson-Cook本構參數(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單元進行劃分，采用面面侵蝕接觸算法，并在飛片與靶板對稱面上施加對稱邊界約束，靶板采用無反射邊界約束?？紤]到飛片與靶板的結構具有對稱性，為了減少計算規(guī)模和計算時間，只取1/4模型進行計算，數(shù)值模型單位采用g-cm-us單位制。2.2仿真結果可信度分析為了驗證數(shù)值仿真模型和仿真結果的可信度，通過適當調整全局彈性剛度、網(wǎng)格尺寸等仿真參數(shù)，采用ANSYS/LS-DYNA專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-時間歷程曲線如圖1所示。平臺峰值壓力均為10GPa，脈沖寬度分別為8.00卜、12.01ps及16.10ps,脈沖寬度是按照95%壓力峰值的標準獲取的。脈沖寬度的仿真值與理論計算值［5］的比較結果如表3所示。由圖1和表3可見，脈沖寬度的仿真值與理論計算結果較吻合，其最大相對誤差優(yōu)于2%，二者隨飛片厚度的變化趨勢也一致，驗證了數(shù)值仿真模型和仿真結果的可信度。2.3仿真結果分析為了研究飛片厚度對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始發(fā)生衰減的沖擊波傳播距離。為了綜合評價在上述不同的沖擊條件下沖擊波壓力峰值在無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)擬合關系曲線如圖2所示。仿真數(shù)據(jù)的擬合結果列于表5中。根據(jù)飛片厚度L和衰減系數(shù)a的一一對應關系，采用最小二乘法對表5中的數(shù)據(jù)進行處理，可以得到其散點圖和擬合曲線圖，如圖3所示。擬合曲線的函數(shù)關系式為：式中，L的單位為cm,a的單位為1,相關系數(shù)為0.9914。由圖2和圖3可見，飛片厚度不同，在相同的撞擊速度下，無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)近似成線性關系。當飛片速度及飛片與靶板的材料一定時，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沖擊波壓力峰值衰減特性的影響，結果表明飛片厚度對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)近似成線性關系，飛片厚度越小，衰減系數(shù)越大，對應的沖擊波壓力峰值衰減速率越快，為相關實驗設計與分析提供了理論參考?！鞠嚓P文獻】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鋁中沖擊波衰減機理的實驗研究[J].高壓物理學報,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,薛國憲，等.沖擊波在泡沫鋁中的傳播和衰減特性[J].材料科學與工程學報,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中傳播衰減規(guī)律的數(shù)值模擬[J].振動與沖擊,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構中引起的沖擊荷載的理論研究[J].振動與沖擊,2013,32(6):132-136.TANGTing,ZHUXi,HOUHai-liang,etal.The