非线性软件auodyn-2d模拟碎片冲击带壳装药和冲击.docx

非线性软件auodyn-2d模拟碎片冲击带壳装药和冲击 摘要：利用非线性软件AUTODYN-2D模拟碎片冲击起爆带铝壳装药, 其中装药为PBX炸药。采用Lee-Tarver点火模型, 通过数值模拟碎片冲击带壳装药和冲击铝板对比验证了带壳装药作为防护结构的有效性和优越性, 同时分析了起爆机理及碎片的尺寸和冲击速度对炸药起爆特性的影响规律。计算结果表明, 随着碎片冲击速度的增大, 容易形成稳定的爆轰;碎片直径的变化会影响临界冲击起爆速度。另外, 考虑带壳装药本身, 得到带壳装药中铝壳厚度变化对其冲击起爆的影响规律。 0 引言空间碎片对航天器的安全造成日益严重的威胁本文以航天器外层反应材料对空间碎片撞击后的主动防护为背景, 采用AUTODYN-2D非线性动力学软件对大尺寸碎片冲击起爆带壳装药进行数值模拟。首先对碎片冲击铝板和带壳装药进行对比和分析, 验证了带壳装药的有效性和优越性, 并对带壳装药的防护性质进行了研究。获得冲击起爆的临界条件, 以及碎片的速度和直径对冲击起爆的影响。1 数值模型1.1 计算模型用AYTODYN非线性动力学软件对碎片冲击起爆带壳装药进行模拟, 建立2D轴对称的计算模型。为了验证装药结构防护的有效性和优越性, 选取航天器常见的防护材料铝, 作为对比材料, 设计了碎片冲击装药结构和碎片冲击铝板的对比模拟。带壳装药由铝板和PBX炸药组成。对比的两种结构具有相同的面积和面密度, 如图1所示。碎片采用铝球破片, 碎片直径为10~100 mm, 冲击速度为3 km/s.碎片冲击的过程属于高速碰撞, 在冲击后会破碎, 即形变量很大。因此, 建模时, 铝壳部分使用SPH方法来描述, 而PBX炸药部分仍采用Lagrange方法描述。1.2 材料参数在计算时, 对铝球破片和铝板都采用冲击状态方程, 选取在高温、高压的情况下金属产生大变形的Johnson-Cook本构模型。PBX炸药在起爆时, 采用改进的Lee-Tarver三项式式中:λ为反应度;ρ为当前密度;ρ用JWL物态方程描述爆轰产物的方程是式中:p为压力;V为压力为p时材料的体积除以未反应炸药的初始体积;I为内能;A、B、R2 两种防护结构数值计算结果对比对比铝球以3 000 m/s的速度冲击起爆带壳装药和等面密度的铝板的计算结果, 得到的碎片速度范围见表2.从表2可以看出, 碎片在冲击起爆带壳装药后, 炸药释放能量使得碎片发生破碎, 产生了具有不同速度的小碎片。虽然也有小碎片的速度超过了3 000 m/s, 但是经过破碎后质量大幅降低, 冲量也相应减小, 可以减小对后面结构的损伤。因此证明了该防护结构可以有效地阻挡来袭碎片, 起到一定防护作用。另外, 冲击起爆后带壳装药产生的小碎片沿着原方向的最大速度要小于铝板作为防护结构产生的小碎片的速度, 小碎片经过铝板后质量较大。且大尺寸碎片的速度和质量差更为明显, 说明带壳装药作为防护结构比铝板作为防护结构更具有优越性。3 带壳装药模拟结果及分析3.1 带壳装药的冲击起爆3.1.1 计算模型和方案用10 mm直径的铝球冲击带有1.5 mm厚铝壳的PBX炸药的模型, 炸药的厚度为25 mm.模拟冲击起爆过程。模型如图2所示, 其中网格的划分要保证算法的收敛性, 分别对铝球和铝板进行了SPH网格划分, 对PBX炸药进行了Lagrange网格划分。在设计仿真方案中, 碎片以500~4 000 m/s不同速度冲击带壳装药。碎片所取的具体速度值如表3所列。3.1.2 判断起爆在PBX炸药上确立26个观测点, 如图2所示。观测点记录了炸药内部压力随着时间变化的曲线。图3给出了在3 000 m/s碎片速度下第1~8号观测点在0~1.5μs时间内的压力曲线。从图3中可以看出, 观测点1~3的压力峰值明显小于观测点4~8的压力峰值, 并且观测点6~8的压力峰值变化不大, 趋于稳定。压力峰值可由软件输出, 具体数值见表4.由表4可知, 从观测点4开始, 压力峰值就大于37 GPa, 该值正好是PBX的CJ压力。当压力大于CJ压力时, 会发生爆轰现象。从观测点4开始, 峰值压力在传播过程中趋于稳定, 形成了稳定爆轰。3.1.3 临界起爆速度对选择方案中编号为1、2、3、4、5、6方案的压力随时间变化曲线进行对比, 如图4所示。由图5中方案3可看出, 碎片速度为1 500 m/s时, 在炸药内部冲击波扫过的位置产生了一个高压力区, 即起爆点。随后由此中心形成了强压力的波阵面, 迅速向炸药层内传播。由图中可以看出, 压力大小达到一定值, 且保持稳定, 形成了稳定的爆轰。而破片速度为500 m/s时, 破片一直稳定侵彻, 炸药并未被