316L不锈钢_CK22碳钢爆炸焊接管的数值模拟.pdf
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1、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:.:./.不锈钢/碳钢爆炸焊接管的数值模拟缪广红孙志皓周大鹏胡 昱马秋月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:为研究不同炸药量对爆炸焊接不锈钢/碳钢 复合管的影响采用/软件结合 流固耦合
2、算法对不同炸药内径下复合管的爆炸焊接过程进行数值模拟建立/双金属管可焊接窗口利用后处理软件 导出焊接过程中碰撞压力、塑性变形、碰撞速度等动态参数 结果表明:炸药厚度小于.时碰撞速度在可焊接窗口外在复合时发生回弹焊接失败药厚大于.时均能较好复合模拟与实验吻合证明焊接窗口对爆炸焊接实验的较好指导意义模拟碰撞速度与理论值误差在.证明数值模拟爆炸焊接复合管的可靠性关键词:爆炸焊接/复合管/流固耦合本文引用格式:缪广红孙志皓周大鹏等.不锈钢/碳钢爆炸焊接管的数值模拟.兵器装备工程学报():.:./.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()/(.):/.:/引言爆炸焊接是 种被复合的金属在炸药的爆轰
3、作用下实现高速斜碰撞从而在极短的时间内产生 量级的应变速率和 量级的碰撞压力界面材料温度急剧升高使金属间产生射流清理金属复合表面杂质巨大压力使界面产生局部剧烈塑性变形 在高温、高压和塑性变形共同作用下金属结合界面形成由熔化和扩散实现的冶金结合在化学工业和核工业中对双金属复合管都有相当大的需求尤其以钢管最为常见 低碳钢其耐腐蚀性低在表面可以复合铝、钛、不锈钢等材料在腐蚀环境中使用 具有较好耐腐蚀性的不锈钢碳钢复合管有许多优点经济效益高比实心钢管造价便宜复合管机械性能较好又有极高的耐腐蚀性极大减少了灾难性故障的风险例如应力损伤、腐蚀开裂等爆炸焊接工艺可以高效率、低成本的制造不锈钢/碳钢复合管爆炸焊
4、接不需要昂贵的生产设施不同的金属可以快速复合在一起该方法可以制备的复合管强度较高由于爆炸焊接是一瞬间发生人们对其过程的观察有限 为提高人们对爆炸焊接过程的认识采用数值模拟技术结合后处理软件可以导出全过程的焊接图像便于人们观测复板飞行轨迹导出速度压力云图等为研究爆炸焊接提供有效依据 等提出了 算法模拟 冲击焊接证明 算法能较好地模拟爆炸焊接过程 等采用无网格 法建立二维爆炸复合模型研究出热传导对复合界面温度分布的影响结果在复合界面出现融化现象 等采用 粒子模拟爆炸复合界面出现射流、波形的形成的情况对结合界面涡旋的出现进行预测 赵勇等利用 算法分析了添加 中间层对/爆炸焊接质量的影响结果表明添加铝
5、中间层可以提高复合质量吴晓明等重构了动态弯折角 和碰撞速度 的 模型结合 耦合算法对/界面波形进行模拟模拟结果与实验高度吻合本研究中采用/软件对爆炸焊接不锈钢/碳钢复合管过程进行模拟仿真利用 后处理软件收集实验中较难测得的数据观测不锈钢复管在不同炸药厚度下的飞行姿态 将模拟与实验、理论计算对比以讨论炸药质量对不锈钢/碳钢管爆炸焊接质量的影响 为确保模拟的准确性节省计算时间选择较为优越的 流固耦合算法 是任意拉格朗日欧拉算法结合了 和 算法的优点避开其中的缺点 传统的 算法在处理爆炸焊接等大变形问题时易出现网格畸形、误差较大等问题 算法网格总是固定不动的材料在网格流动无法处理结构体比较复杂的单元
6、问题 算法中的空间网格是自由运动的先执行 一个或几个 时间步计算单元网格随着结构材料流动变形后执行 时间步计算保持变形后的物体边界条件对内部单元进行重分网格网格拓扑关系不变将变形网格中的单元变量与节点速度重分给新网格 所以在面对复杂的大变形问题时 算法更加节省时间能确保精度 本研究中炸药、空气选择 算法基、复管采用 算法两者之间通过流固耦合相互作用 计算模型选取不锈钢()为复管碳钢()为基管以文献实验参数为基础采用内爆法建立如图 所示 仿真模型 如图模拟选用密度为./爆速 /的 炸药由外至内依次为 基管、复管、炸药整个模型置于空气域内具体参数见表 所示 为方便计算圆管模型具有对称性故选取/模型
7、计算提高计算效率单位:兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 计算模型.表 焊接模型参数 序号基管外径基管内径复管外径复管内径炸药外径炸药内径空气域半径模型长度.参数选取 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:为相对体积为初始能密度、为实验测得参数 炸药的具体 状态参数见表 所示表 炸药 状态参数 参数/.数值计算中基、复管均采用 状态方程和 材料模型 材料模型和 状态方程的参数见表 所示表 材料模型和 状态方程参数 参数.建立爆炸焊接窗口.流动限()为保证金属管在高速碰撞时产生射流撞击点要满足的最小速度为 复管碰撞时如果撞击点的移动速度小于碰撞区附近压力
8、小于材料的屈服强度不能产生射流导致焊接失败 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 由 公式确定()()式()中:是临界碰撞速度 为维氏硬度 为密度 为雷诺数表 材料参数 材料/()/()/().根据上述公式可计算出 由文献在平行法爆炸焊接时碰撞点的速度等于炸药的速度故炸药爆速要大于.声速限()为了保证射流形成撞击点的速度 还必须保持在材料缪广红等:不锈钢/碳钢爆炸焊接管的数值模拟的体积声速之内 不同材料进行爆炸复合时撞击点的速度要小于 种材料中体积声速较小的值()().复板临界飞行速度 爆炸焊接界面产生塑性变形和射流是爆炸焊接成功的前提因此必须保证复管有足够大的速
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