铝_不锈钢双金属管爆炸焊接数值模拟.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()安徽省重点研究与开发计划项目()高校优秀青年骨干人才国外访学研修项目()作者简介:缪广红()男博士副教授硕士生导师:.:./.铝/不锈钢双金属管爆炸焊接数值模拟缪广红马秋月胡 昱周大鹏孙志皓刘自伟马宏昊沈兆武(.安徽理工大学 力学与光电物理学院 安徽 淮南.安徽理工大学 土木建筑学院 安徽 淮南.中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司 安徽 淮北.中国科学技术大学 中国科学院材料力学行为和设计重点试验室 合肥)摘要:以铝/不锈钢金属管为研究对象利用/有限元软件结合 耦合法和拉格朗日法对其爆炸焊接过程进行了数值模拟 研究了炸药爆速对复合管结合质量的影响 结果表明:炸药爆速对基复管的塑性变形和复管碰撞速度影响较大塑性变形和复管碰撞速度过小或过大均不能实现良好结合在炸药爆速为 /左右时基复管结合质量较好这与试验所得结论一致拉格朗日法的前期建模较为简洁模拟过程中 耦合法耗时较多拉格朗日法所测得的碰撞速度与理论计算值误差较大且 耦合算法能较好地处理高速爆炸冲击问题关键词:爆炸焊接数值模拟拉格朗日算法 耦合算法本文引用格式:缪广红马秋月胡昱等.铝/不锈钢双金属管爆炸焊接数值模拟.兵器装备工程学报():.:./.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()/(.):/./.:引言金属的爆炸焊接是介于金属物理学、爆炸以及焊接工艺之间的一门交叉学科它的优点是制造大面积的任意组合、任意形状、任意尺寸和多种用途的双金属或多金属复合材料 爆炸焊接除了可以进行板、板之间的焊接外还可以进行各种金属之间的搭接焊、点焊、缝焊以及金属复合棒材、复合管等焊接 双金属爆炸焊接复合管是由 种不同材质和性能的金属管通过爆炸焊接方法复合而成由于其兼具基管和复管材料的各自优势因此具有广阔的应用前景 爆炸焊接制备金属复合管能够制造出耐磨损抗烧蚀的小型装甲车辆用速射炮的内膛承压设备中输送气体的错复合管、核电用内铝 钢复合管、加速器真空箱壁用的大口径的铜 钢复合管等 且生产成本低复合质量高不存在焊缝和电位腐蚀弥补了传统焊接方法的缺点近年来关于金属管材的爆炸复合也有了很多实验研究 等采用水下爆炸焊接工艺制备了铜/钢复合管 等进行了不同爆炸载荷下的爆炸焊接试验获得了/钨合金复合材料棒材 张龄匀等采用套娃式新型爆炸焊接法一次试验高效制备出以 钢为基管、紫铜为覆管的/复合管及以 工业纯铝为覆管、紫铜为基棒的/复合棒各一件 邓伟等通过在粉状乳化炸药中添加不同比例密度调节剂得到不同的炸药爆速进行了铝/不锈钢复合管爆炸焊接实验以确定该复合管合理的炸药爆速范围 但由于爆炸焊接过程具有瞬时性直接对过程进行测试费时费力且具有一定的危险性 而采用数值模拟的方法不仅能直观地反映出爆炸焊接过程中基复管之间的碰撞情况而且还能减少试验次数、有效降低成本不失为研究爆炸焊接过程的一种行之有效的方法目前常用的模拟分析方法基本可分为有网格和无网格类如经典的网格随体坐标移动的拉格朗日法和无网格的光滑粒子流体动力学(法)等拉格朗日法的优点在于结构划分简单对于微小变形的问题能够提供精确的模拟结果但当模拟对象出现大变形情况则网格较容易发生畸变导致计算无法继续进行 法具有较强的自适应性能够很好地处理不同介质的交界面并避免极度大变形导致的网格扭曲较为适合用于求解高速冲击碰撞问题缺点是当设置高求解精度时需要较大的计算内存且求解时间极长本研究中主要基于/软件以文献中的试验为基础建立了铝/不锈钢双金属管爆炸焊接模型分别采用 耦合法和拉格朗日法对复合管爆炸焊接过程进行了分析并研究了不同爆速下复合管的复合情况为爆炸焊接过程中炸药爆速的合理选择提供了一种有效方法 爆炸复合窗口对于 种不同金属的爆炸焊接通过实验和理论计算确定的爆炸焊接可焊参数的范围就称为爆炸焊接窗口如图 所示 爆炸焊接参数极限主要有:流动限、声速限、上限以及下限 基于文献中的爆炸焊接试验本研究中爆炸焊接窗口的材料参数如表 所示图 爆炸焊接窗口.缪广红等:铝/不锈钢双金属管爆炸焊接数值模拟表 材料参数 材料/()/()/.流动限流动限是保证射流产生以及撞击点最小的移动速度当撞击点移动的速度达到 时金属表面开始出现射流是使待结合面产生射流的临界撞击点速度当撞击点移动速度小于 时碰撞点压力小于材料动态屈服极限则不能产生射流从而不能实现焊接 因此撞击点移动速度应该大于临界撞击点移动速度 临界撞击点移动速度 采用 提出的公式:(.)()式()中:为基复板中较高一方的屈服强度 为基复板中较小一方的密度/结合表 中的参数可得撞击点最小的移动速度为:/在平行法爆炸焊接中碰撞点的移动速度即为炸药的爆速所以炸药的爆速应大于 /.声速限爆炸焊接的声速限是为了保证形成射流而对基复板最大碰撞速度做出的限制 一般来说碰撞点的移动速度必须小于材料的声速才有可能形成射流因此双金属爆炸的声速限公式为:()式()中:为基复板 种材料中声速的最小值由式()求得 /平行法爆炸焊接中碰撞点移动速度应等于炸药爆速即炸药的爆速应小于 /.下限爆炸焊接下限是对爆炸焊接最小能量的限制也是射流形成的条件 复板相对基板的碰撞速度要达到一定程度形成的高压才能使基复板间产生射流 复板与基板最小的撞击速度叫做爆炸焊接的下限单金属爆炸焊接下限可由以下经验公式求得:()式()中:为材料的维氏硬度 为常数取.该公式作为单金属射流形成条件是比较准确的但公式中只有一种金属的性能参数对于双金属爆炸焊接来说不够准确 双金属爆炸焊接需要使 种材料中较硬的材料产生塑性变形所以在计算双金属爆炸焊接下限时可以先利用式()分别计算出基复板 种金属能够产生射流的最小碰撞速度然后再分别计算出 种金属的最小可焊压力、为:()式()中:为材料声速 为材料的线性系数取两者最大值作为双金属的最小可焊压力表示为:()()再分解求出 种金属的碰撞速度、为:/()()/()()可求得最小碰撞速度为:()可以计算出碰撞速度下限./即复板的碰撞速度必须大于./.上限爆炸焊接常被归类为固相焊 复板与基板撞击速度太大将导致结合界面产生熔化 因此在进行金属板爆炸焊接时界面熔化可能导致在结合界处产生脆性金属间化合物损害界面结合强度 为了避免界面出现熔化复板和基板最大撞击速度 可用以下经验公式确定:()()式()中:、分别为复板和基板的密度/、分别为复板和基板的比热/()、分别为复板和基板的热扩散率/为复板和基板两者中熔点较低值、分别为复板和基板的声速/为理论常数一般取.为反射稀疏波达到界面的最短时间(/)为碰撞点的移动速度/通过计算可以得到 /即复板的碰撞速度必须小于 /计算模型及参数选取.计算模型基于文献的基础选取不锈钢管()为基管纯铝管为复管 基复管间隙为 炸药为乳化炸药起爆方式为点起爆起爆位置为炸药端部中心 利用 软件建立爆炸焊接三维模型基复管模型参数如表 所示兵 器 装 备 工 程 学 报:/./耦合模型建模过程中将炸药生成 光滑粒子对基复管均采用有限元网格划分 耦合模型示意图如图 所示 拉格朗日模型建模过程中炸药与基复管材料均选用 实体单元采用更为精准的六面体映射网格对整体进行划分拉格朗日模型示意图如图 所示计算中忽略空气作用考虑到模型的对称性为了提高计算效率只取/模型进行计算模型中单位制为 于模型整体的、边界加设对称边界条件基管外表面施加位移约束表 基复管模型参数 材料长度/内径/厚度/不锈钢.纯铝.图 耦合模型示意图.图 拉格朗日模型示意图.参数选取 种算法在计算过程中各材料的模型参数选取一致炸药采用高能燃烧模型和 状态方程 状态方程的表达式为:()()()式()中:、和 为材料参数 为爆轰产物压力()为初始比内能()为爆轰气体产物的体积比(常数)乳化炸药的 状态参数见表 所示表 乳化炸药的 状态参数 参数/乳化炸药.在数值计算时基、复板均采用 状态方程和 材料模型 材料模型的形式为:()()()()式()中:为有效塑性应变/为有效塑性应变率其中为参考应变率、及 为与材料相关的常数无量纲温度 表示为 ()/()其中为室温为熔点 状态方程的具体计算公式为:()()()()()()式()中:/为金属材料的内能 为 常数为材料密度为对 的一阶修正系数、为 曲线的斜率系数 为 曲线的截距(声速)与 的 材 料 模 型 参 数 和 材料模型参数如表 和表 所示表 材料模型参数 参数/.表 材料模型参数 参数.模拟结果分析炸药爆炸速度是爆炸焊接的重要工艺参数炸药爆速直接影响着金属管爆炸焊接的质量好坏 试验的 种爆速下复合管内表面及剖面图如图 所示 表面出现了缪广红等:铝/不锈钢双金属管爆炸焊接数值模拟大面积破裂和损伤、表面出现部分烧伤、未发现明显缺陷但内表层附有大量爆炸产物、和 试样焊接质量较好复合连接区的焊缝完整这表明铝/不锈钢复合管爆炸焊接的合适爆速为 /但爆速 /时复合管内表面爆炸产物残留过大影响后续使用 本文中对相同条件下的金属管进行模拟来分析爆速对铝/不锈钢复合管结合质量的影响化炸药参数如表 所示模型、和 分别对应、和 图 复合管内表面及剖面图.表 乳化炸药参数 模型炸药爆速/()炸药密度/().模拟过程分析 耦合算法和拉格朗日算法下爆速为 /装药密度./条件下的复合管爆炸焊接过程如图 和图 所示 模拟时 算法的耗时比拉格朗日法久 种算法下基复管的复合情况大致相同:炸药爆炸后驱使复管均匀地向基管撞击复管的运动碰撞状态与流体化的金属材料相似碰撞过程中复管牢牢地结合在基管表面没有出现拉断、碎裂、鼓包等不良现象复合管的结合质量较好拉格朗日法中炸药网格在爆炸焊接过程中会产生较大程度的畸变这是模型在计算过程中产生负体积问题的重要原因之一严重情况下还会导致计算无法继续 而 法中并不存在网格随炸药流动而变形的情况因此能够有效避免负体积问题并能够较为形象的模拟出炸药爆炸的飞散路径图 耦合算法复合管爆炸焊接过程.图 拉格朗日算法复合管爆炸焊接过程.复管碰撞速度分析为了探究炸药爆速对复板碰撞速度的影响在 组模型复管表面的前中后分别选取 个特征单元(、)特征单元选取示意图如图 所示图 特征单元选取示意图.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./并导出不同算法下的特征单元速度时间曲线变化如图 所示 耦合算法和拉格朗日算法下特征单元碰撞速度如表 和表 所示 复管在爆轰作用下发生变形进而产生瞬时峰值与基管碰撞后运动速度快速减小呈现“几”字形 随着炸药爆速的增加复管的碰撞速度不断增大且单元取得最大速度的加速时间逐渐缩短图 不同算法下速度时间曲线.表 耦合算法下特征单元碰撞速度 ()特征单元 表 拉格朗日算法下特征单元碰撞速度 ()特征单元 结合前期计算的爆炸焊接窗口 /种 算法都表明:当炸药爆速为 、/时复管上特征单元碰撞速度均不满足条件若要获得结合质量较好的复合管应设置炸药爆速在 /左右这与实验所得结论一致利用 推广公式计算复管的碰撞速度:.()式()中:为炸药比为炸药爆速 为炸药的多方指数求得炸药爆速为 /时的复管碰撞速度为 /由 耦合算法计算的特征单元(、)碰撞速度分别为、/与理论速度之间误差分别为:.、.、.由拉格朗日算法计算的特征单元碰撞速度分别为、/与理论速度之间误差分别为:.、.、.以此推断 种算法中 耦合法所得的动态参数精度较拉格朗日法高.塑性变形分析为了更清楚地观察不同炸药爆速下复合管的结合效果给出 种算法下 时刻基复管的塑性变形云图图 ()图 ()分别对应模型、和 种算法缪广红等:铝/不锈钢双金属管爆炸焊接数值模拟下的基复管塑性变形情况大致相同:复管的塑性变形远大于基管基管的塑形变形只发生在贴近界面的薄层中随着炸药爆速的增加基复管上的塑性变形也在增大 模型由于炸药爆速过小塑性变形小且主要集中在复管的起爆端基复管结合较差 耦合算法下的 模型基复管结合处管壁出现了一处破裂 模型基复管结合处管壁出现了多处破裂这是由于炸药爆速较大爆轰压力过高碰撞速度过大碰撞时产生的强大冲击和快速变形导致基复管来不及形变而产生了破断缺口导致管壁出现破裂如图()所示使得复合管质量不能满足使用的要求因此若要获得结合质量较好的复合管应设置炸药爆速在 /左右这与试验所得结论一致 拉格朗日算法下的 模型由于炸药爆速过大复管变形较大网格畸变严重致使计算提前终止从而无法输出 时刻基复管的塑性变形云图 这表明在处理大变形的高速爆炸冲击问题时 耦合算法较拉格朗日算法更合适图 塑性变形云图.结论)利用/有限元软件结合 耦合法和拉格朗日法对铝/不锈钢双金属管爆炸焊接过程进行爆炸焊接模拟均是合理可靠的)炸药爆速对基复管的塑性变形和复管碰撞速度影响较大塑性变形和复管碰撞速度过小或过大均不能实现良好结合 结合复管的最佳碰撞速度和基复管的塑性变形情况炸药爆速为 /左右时基复管结合质量较好这与试验所得结论一致)拉格朗日法建模快捷且比 算法耗时短拉格朗日法中炸药网格在爆炸焊接过程中会产生较大程度的畸变 法中并不存在网格随炸药流动而变形的情况且能较为形象地模拟出炸药爆炸的飞散路径)种算法下复管特征单元的碰撞速度与理论速度之间存在.的误差 其中 耦合法的误差较小利用 耦合法能够得到最为精确动态参数对于大变形的高速爆炸冲击问题选择 耦合算法较为合适参考文献:郑远谋.爆炸焊接和爆炸复合材料.北京:国防工业出版社:.:./.(/):./.():.:.张龄匀马宏昊沈兆武等.套娃式新型爆炸焊接法及试样焊接质量分析.焊接学报():./兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.():.邓伟陆明田晓洁.爆速对爆炸焊接铝/不锈钢复合管界面及结合性能的影响.爆炸与冲击():./.():.张志春强洪夫高巍然.接触算法在冲击动力学数值计算中的应用.固体力学学报():.():.王宇新李晓杰王小红等.复合轧辊的爆炸焊接技术研制.南京理工大学学报():.():.罗振敏张群王华等.基于 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