不同光窗激光点火器耐压性能模拟及发火试验研究.docx

? ? 不同光窗激光点火器耐压性能模拟及发火试验研究 ? ? 张志新,王 端,王庆华,付世斌,李 焱,郭 晋,姬宇飞,李 帅,高一隆 (1.中北大学 环境与安全工程学院， 太原 030051； 2.驻太原地区第三军代室， 太原 030018； 3.长峰机电研究所, 西安 710000) 1 引言 随着战场电磁环境和武器系统内部电磁兼容环境的恶化，要求火工品具有抗强电磁干扰能力。为了提高火工品的安全性，火工品技术从敏感火工品技术向钝感火工品技术方向发展。在激光点火元件中，因使用低损耗光纤替代导线，进而避免了药剂与电系统的直接接触。激光点火技术是利用激光能量转化为热能引燃药剂，相较于电点火技术具有良好的抗电磁、抗静电干扰能力和安全性。采用激光作为激发源研究含能材料的点火性能具有输出能量高、点火时间和能量可控、不受环境因素限制、可实现多点点火等优点，此外，Nam-Su Jang等开发了一种可远程操作、低功率的光学点火器，内置聚合物透镜极大提高光功率密度。由激光器、点火元件、全电子保险和解保装置可直接改造为直列式点火系统，使该系统存在固有的安全性。激光点火器一般采用透镜等玻璃器件作为其能量耦合窗口，合理的结构设计可降低发火阈值。 激光点火器结构通常采用光纤尾式结构和光学窗口式结构。光纤尾式结构是先将激光器的纤尾直接密封进壳体，后再压药。光学窗口式结构是将强度和透光性能的较好的材料作为窗口封装进点火器，激光器的尾纤通过连接器与其连接，这种结构相对简单易于操作，光窗的作用既密封药剂，同时也保护光纤不受损伤。光窗材料主要有蓝宝石、K9玻璃、石英玻璃、云母片等。N.V.Pletnev等用焦距25 mm透镜，通过蓝宝石和石英窗将辐射聚焦，对燃烧室内的推进剂进行点火。湛赞等研究了K9玻璃作为光窗材料激光点火的耐压性能和输出特性。目前，关于不同光窗材料激光点火器特性的对比研究报道较少。 本文选用蓝宝石、石英玻璃和K9玻璃作为激光点火器光窗材料开展静力学仿真与发火功率试验研究。利用ANSYS仿真软件建立光学窗口式激光点火器模型，研究3种材料在不同光窗厚度下光窗受力的影响。同时搭建由半导体激光器、光纤、激光点火器和防爆箱组成的激光点火系统进行点火试验，测得其发火功率。 2 3种光窗材料不同厚度耐压性能仿真研究 半导体激光器产生激光经过光纤传输，通过聚焦透镜有效减少光斑的发散，起到提高激光换能效率的作用，再透过光窗将激光作用到药剂表面。窗口要选用强度高、透光性能好的材料置于激光点火器中，保证在收口压力作用下窗口材料不破损，既保护光纤头不受药剂发火带来损伤，又能保证有高的透光率。本文研究所用光学窗口式激光点火器结构如图1所示。 图1 光学窗口式激光点火器结构示意图 选用的蓝宝石、石英玻璃和K9玻璃主要物理参数如表1所示。 表1 蓝宝石、石英玻璃和K9玻璃的主要物理参数 采用 ANSYS 中 Static Structural 结构静力学模块对不同光窗材料激光点火器收口过程受力情况进行仿真。光窗受力主要是光窗上表面受到收口时竖直向下200 kg 平压，光窗直径为8 mm，上表面所受压强近似等于40 MPa。因此，忽略点火器壳体对光窗受力的影响，简化其模型如图2所示。对光窗施加垂直向下的40 MPa压力，设置激光点火器壳体表面为固定约束条件，激光点火器壳体为不锈钢材料。在 Design Modeler 模块对光窗和激光点火器壳体进行建模，二者都采用六面体网格进行划分，对网格质量查看显示节点数为 602 785，单元数为 140 454，网格大小为0.08 mm×0.08 mm×0.08 mm，平均质量为0.94。 分别对3种不同光窗材料厚度从0.8 mm开始，以0.2 mm步长递增来模拟40 MPa收口压力下，对光窗应力和应变的影响。共得到30组数据，这里只给出厚度为0.8 mm的蓝宝石、石英玻璃和K9玻璃应力与应变分布云图，具体如图3～图5所示。 图2 光窗受力简化模型示意图 图3 厚度0.8 mm的蓝宝石应力与应变云图 图4 厚度0.8 mm的石英玻璃应力与应变云图 仿真结果显示，在40 MPa收口压力下，厚度为0.8 mm的蓝宝石最大应力为182.94 MPa，最大应变为0.000 92 mm；厚度为0.8 mm的石英玻璃最大应力为253.04 MPa，最大应变为0.005 0 mm；厚度为0.8 mm的K9玻璃最大应力为232.59 MPa，最大应变为0.004 0 mm；此外，3种光窗下表面在与壳体接触的位置都出现应力集中的现象，分析其原因为：一方面在该处进行有限元仿真时采用刚性壳体，此处结构变化急剧，应力出现集中；另一方面，二者之间的接触问题使该处的应力增大使受力情况变得复杂；3种光窗材料最大应力都小于各自的抗压强度，其中蓝宝石、石英玻璃和