方形爆炸抛撒装置结构优化

李建平; 刘思琪

doi:10.11858/gywlxb.20190835

方形爆炸抛撒装置结构优化

doi: 10.11858/gywlxb.20190835

李建平,
刘思琪^*, ,

北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京　100081

基金项目: 国防重大专项（201820246213）

详细信息

作者简介:
李建平（1963－），男，博士，讲师，主要从事多相爆轰研究. E-mail: ljping@bit.edu.cn

通讯作者:
刘思琪（1995－），女，硕士研究生，主要从事分散控制技术研究. E-mail: 1505445921@qq.com

中图分类号: O389
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2019-09-16
- 修回日期: 2019-10-21
- 刊出日期: 2020-01-25

Structure Optimization of Square Explosive Dispersion Device

LI Jianping,
LIU Siqi^{*
, ,}

State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China

摘要

摘要: 为了研究方形抛撒装置壳体破坏规律及燃料分散特性，开展了抛撒装置外场实验并利用LS-DYNA仿真软件进行了数值模拟，模拟结果与实验结果相吻合。进一步分析装置倒圆角及刻槽深度对壳体破裂效果及燃料分散速度的影响规律，结果表明：倒圆角与增加刻槽深度有利于减小壳体棱边处应力集中的影响，圆角半径增至10 mm或刻槽深度增至1.2 mm时，棱边处不再破裂；同一装置壳体边部和中部位置采用不同深度的刻槽可有效减少壳体破裂不均现象。当边缘处刻槽深度为1.2 mm、中间刻槽为1.6 mm时，壳体均匀破裂；当棱边处倒10 mm圆角，边部刻槽深度为0.8 mm，中部刻槽为1.2 mm时，抛撒装置既能满足壳体均匀开裂，又可提高壳体强度，同时可将燃料分散平均速度差值降低22%，从而有效提高燃料抛撒效率。
- 方形抛撒装置 /
- 燃料分散 /
- LS-DYNA /
- 破裂
Abstract: This paper presents a numerical model of the square dispersing device for simulating the process of shell failure and fuel dispersion by LS-DYNA software. Combined with the results of the field experiments, this model reveals in detail the influence of the fillet angle and groove depth on the shell rupture process and fuel dispersion speed. The results show that the shell edge would no longer rupture when the fillet radius increases to 10 mm or the groove depth increases to 1.2 mm, since different groove depth would effectively reduce the nonuniform shell rupture. And when the depth of edge and middle groove is 1.2 mm and 1.6 mm respectively, the shell is uniformly ruptured. In addition, a special dispersing device with 10 mm fillet angle, 0.8 mm edge groove depth and 1.2 mm middle groove depth, could not only make the shell uniformly ruptured, but also increase the strength of the shell. Meanwhile, it would reduce the average velocity difference of fuel dispersion by 22%, which effectively improve the fuel dispersing efficiency.
- square dispersion device /
- fuel dispersion /
- LS-DYNA /
- crack

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图 1 方形抛撒装置结构

Figure 1. Structure of square dispersing device

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图 2 方形抛撒装置实物

Figure 2. Image of square dispersing device

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图 3 实验过程中不同时刻燃料分散及壳体破裂

Figure 3. Fuel dispersion and shell rupture at different times during the experiment

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图 4 有限元计算模型

Figure 4. Finite element model

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图 5 装置计算模型

Figure 5. Mesh distribution of the device computing model

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图 6 仿真过程中不同时刻燃料分散及壳体破裂结果

Figure 6. Results of fuel dispersion and shell rupture at different time in the simulation process

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图 7 壳体破裂过程的侧视应力云图

Figure 7. Side-view of stress nephogram for the shell rupture process

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图 8 燃料边界水平方向速度随时间的变化

Figure 8. Horizontal velocity versustime at fuel boundary

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图 9 壳体棱边处倒角俯视图

Figure 9. Top view of chamfer at edge of shell

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图 10 400 ${\text{μ}}{\rm s}$ 不同倒角大小时壳体破裂结果（正视图）

Figure 10. Effect of shell rupture under different chamfer sizes at 400 μs (front view)

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图 11 400 ${\text{μ}}{\rm s}$ 刻槽2深度不同时壳体破裂结果（正视图）

Figure 11. Effect of shell rupture under different groove 2 depth at 400 ${\text{μ}}{\rm s}$ (front view)

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图 12 3种方案中燃料的最大速度与最小速度

Figure 12. Maximum and minimum fuel speed in three schemes

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图 13 3种方案中燃料的最大最小速度差

Figure 13. Velocity difference of fuel in three schemes

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表 1 TNT炸药的爆轰性能及JWL状态方程参数

Table 1. Detonation properties and JWL equation-of-state parameters of TNT explosive

ρ₀/(g·cm^–3)	D/(m·s^–1)	p/GPa	A/GPa	B/GPa	R₁	R₂	ω	E/(GJ·m^–3)
1.63	6 930	21	374	7.33	4.2	0.9	0.35	7

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表 2 燃料计算参数

Table 2. Parameters for the computation of fuel

ρ₀/(g·cm^–3)	C	S₁	S₂	S₃	γ₀
1.0	1.65	1.92	–0.096	0	0.35

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表 3 空气计算参数

Table 3. Parameters for the computation of air

ρ₀/(g·cm^–3)	C₀	C₁	C₂	C₃	C₄	C₅	C₆	E/(J·m^–3)	V₀
0.001 25	0	0	0	0	0.4	0.4	0	2.5 × 10⁵	1.0

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表 4 装置结构计算参数

Table 4. Computation parameters of device structure

Structure	Material	ρ₀/（g·cm^–3）	E	ν	F	C_e	P_e
Shell	5A06 Al	2.75	0.68	0.35	0.45	40	5
Plate, central tube and tube cap	2A12 Al	2.78	0.70	0.35	0.35	40	5

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表 5 倒圆角对壳体棱边及刻槽的影响

Table 5. Effect of chamfer on edge and groove of shell

Shell	Position	σ_max/MPa	Crack or not	t_crack/ ${\text{μ}}{\rm s}$
No chamfer	Edge	376	Yes	175
	Groove 1	361	No
	Groove 2	355	No
0.8 cm chamfer	Edge	374	Yes	205
	Groove 1	369	No
	Groove 2	355	No
1.0 cm chamfer	Edge	360	No
	Groove 1	381	Yes	185
	Groove 2	356	No
1.2 cm chamfer	Edge	359	No
	Groove 1	385	Yes	175
	Groove 2	357	No

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表 6 刻槽深度对壳体棱边及刻槽的影响

Table 6. Effect of groove depth on edge and groove of shell

Depth of groove/mm	Position	σ_max/MPa	Crack or not	t_crack/μs
	Edge	376	Yes	175
0.6	Groove 1	361	No
	Groove 2	355	No
	Edge	371	Yes	175
0.8	Groove 1	368	No
	Groove 2	358	No
	Edge	378	Yes	175
1.0	Groove 1	376	Yes	185
	Groove 2	366	No
	Edge	375	No
1.2	Groove 1	378	Yes	165
	Groove 2	366	No
	Edge	369	No
1.6	Groove 1	381	Yes	145
	Groove 2	364	No

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表 7 多深度刻槽条件下增加刻槽2的深度对壳体破裂产生的影响

Table 7. Effect of increasing groove 2 depth on shell rupture under multi-depth grooving conditions

Depth of groove 2/mm	Position	σ_max/MPa	Crack or not	t_crack/μs
1.4	Groove 1	378	Yes	165
1.4	Groove 2	370	No
1.5	Groove 1	382	Yes	165
1.5	Groove 2	373	Yes	175
1.6	Groove 1	380	Yes	165
1.6	Groove 2	377	Yes	165

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表 8 两因素条件下增加刻槽2的深度对壳体破裂效果的影响

Table 8. Effect of increasing groove 2 depth on shell fracture under two factors condition

Depth of groove 2/mm	Position	σ_max/MPa	Crack or not	t_crack/μs
1.0	Groove 1	383	Yes	165
1.0	Groove 2	364	No
1.1	Groove 1	382	Yes	165
1.1	Groove 2	371	Yes	185
1.2	Groove 1	382	Yes	165
1.2	Groove 2	376	Yes	165

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表 9 方案参数

Table 9. Scheme parameters

Plan	Chamfer size/cm	Depth of groove 1/mm	Depth of groove 2/mm
1	0	0.6	0.6
2	0	1.2	1.6
3	1.0	0.8	1.2

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