一種基于形狀記憶合金的塑性測壓法研究

葉希洋,蘇健軍,姬建榮

(西安近代化學研究所, 西安 710065)

0 引言

炸藥爆炸瞬時能釋放巨大的能量并產生各種效應,但破壞力最強、影響區域最大的是爆炸沖擊波[1]?？己藦椝帉ξ矬w的毀傷效果時,爆炸沖擊波是一個重要考核指標,常見的沖擊波測試方法有等效壓力罐法、生物實驗法、高速攝影法、電測法和塑性測壓法等[2]。

塑性測壓法是利用在一定的約束條件下具有恰當敏感性,并在一定的爆炸沖擊波作用下會產生相應變形的靶板結構,選取爆炸后殘余的最大塑性變形,即最大撓度,對沖擊波壓力進行度量。當彈藥與測壓靶板的距離遠大于靶板的尺寸時,可以將作用在塑性測壓法表面的爆炸載荷近似為均布載荷[3],圖1為簡化的力學模型:直徑為d的靶板在大小為P的均布載荷作用下彎曲變形,靶板中心處的最大撓度為Wmax。建立Wmax與沖擊波壓力的關系模型,對沖擊波壓力進行度量。

圖1 簡化力學模型

塑性測壓法最早出現在庫爾的《水下爆炸》中[4],用于測量水下爆炸壓力,目前在實際測試中已經得到了初步應用。陳昌明等[5]在小當量云爆沖擊實驗中,得到了直徑80 mm,厚度0.5 mm的靶板的變形量與沖擊波壓力的關系。沈飛等[6]設計了一種直徑300 mm,厚度1～3 mm的靶板,其塑性變形可用于反映爆炸載荷的沖量。傅輝剛等[7]設計了一種直徑390 mm,厚2 mm的靶板,并驗證了其在大型戰斗部的爆炸場實驗中的應用可行性。張顯丕等[8]通過對水下近場爆炸作用下塑性靶板的實驗和理論研究,建立了靶板變形模型,初步設計出了基于塑性測壓法的爆炸威力評估實驗方法。

塑性測壓靶作為一種使用方便、成本低廉,對沖擊波敏感,同時能有效避免爆炸過程中寄生效應的影響的裝置,能夠反映沖擊波超壓的毀傷效果,尤其適合于戰斗部破壞力極強,傳統電測系統難以生存的場合,是一種較科學、經濟、有效的爆炸沖擊波毀傷效能測試方法,而測量不確定度過大是限制塑性測壓靶使用的主要因素。

為降低塑性測壓法測量不確定度,主要從其結構和材料兩方面進行改善?，F有塑性測壓法一般采用鋁制靶板,由于使用的一次性,使用后需要重復裝卸,操作復雜。并且由于制備工藝的限制,同一批鋁制靶板之間存在差異,容易帶來測量誤差。

針對現有鋁制塑性測壓靶存在的缺陷和不足,本文擬采用形狀記憶合金作為塑性測壓材料。形狀記憶合金作為一種新型材料,具備形狀記憶效應,經過高溫處理后具有初始形狀的合金在低溫下發生塑性變形,能夠通過加熱到某一臨界溫度之上使其恢復初始形狀。利用形狀記憶合金制作成的塑性測壓靶板在沖擊波作用下產生變形,通過測量其撓度來對沖擊波壓力進行度量,然后對該靶板進行加熱,使其恢復原狀,從而達到可重復使用的目的,為克服現有塑性測壓法缺點,提高測量穩定性和準確性提供一種解決途徑。

1 形狀記憶合金靶板方案設計

1.1 材料的選擇

形狀記憶合金種類眾多,其最基本的合金系在10種以上,將加入了適當元素或者互相組合的合金都算在內,則有數百種,但是得到實際應用的只有鈦基合金、銅基合金、鐵基合金。在所有種類中,鎳鈦合金是發展最早、研究最全面的合金,具有形狀記憶特性好、金屬耐疲勞特性強、穩定性好等優點[9]?？紤]到形狀記憶合金靶板在使用過程中需要重復使用,要求靶板材料形狀記憶特性好,循環壽命長,金屬耐疲勞特性強,記憶處理方式簡單,因此選用鎳鈦合金作為靶板材料。

鎳鈦合金中鎳和鈦的占比不同,其變形后恢復到原狀所需的溫度也不同。考慮到塑性測壓靶實際使用環境以及使用便捷性,選用了鎳鈦合金,密度為6.45 g/cm3,組成成分中鎳占比55.84%,其余為鈦,回復溫度為110 ℃,可通過火焰灼燒恢復變形。

1.2 尺寸的選定

靶板尺寸的選定是結構設計中最重要的一步,尺寸的大小決定了塑性測壓靶的測試范圍。為了與現有實驗設備的尺寸相匹配,初步選定靶板的有效載荷直徑為30 mm。為了使鎳鈦合金靶板在沖擊波壓力下具有合適的變形響應,即變形后撓度不能過小,初步選擇了厚度分別為0.1、0.2、0.3 mm的3種規格的鎳鈦合金測壓靶,如圖2所示。

圖2 3種靶板

1.3 模態分析

沖擊波對塑性測壓靶的毀傷不僅與沖擊波壓力特性有關,而且與塑性測壓靶的諧振周期有關。當沖擊波正壓作用時間τ與目標的諧振周期T滿足不同關系時,目標的毀傷準則也不同[10]:τ≤0.25T時,目標的毀傷取決于沖擊波沖量,即沖量準則;τ≥10T時,目標的毀傷取決于沖擊波峰值壓力,即超壓準則;0.25T<τ<10T時,超壓與沖量聯合對目標進行毀傷,即超壓-沖量準則。對塑性測壓靶進行模態分析,結合沖擊波自身特性,可以明確相應塑性測壓靶在爆炸場中的適用范圍。

本文采用基于ANSYS的數值模擬方法對3種尺寸的測壓靶進行模態分析。通過ANSYS本身的前處理器提供的建模功能直接對測壓靶進行建模,建模過程包括定義單元類型、定義單元實常數、定義材料特性、建立幾何模型和劃分網格等。模態分析必須定義材料的彈性模量和密度,本文采用的鎳鈦合金彈性模量E=83 GPa,密度ρ=6.45 g/cm3。建模完成后對測壓靶邊界施加約束,然后進行模態分析,得到如圖3所示的一階振型。模態分析結果如表1所示。

表1 模態分析結果

圖3 一階振型

對于厚度不同的3種規格測壓靶,當沖擊波正壓作用時間τ滿足表1中適用范圍時,可以忽略脈寬對靶板變形的影響,此時塑性測壓靶的變形可直接反映沖擊波超壓幅值。

2 形狀記憶合金靶板力學特性分析

鎳鈦合金靶板在變形后可通過加熱回復,可循環使用,但是根據鎳鈦合金循環變形行為的相關研究可以得到以下結論[11]:如圖4所示,鎳鈦合金每一次循環使用后,其力學性能都會不可避免的產生變化,首次循環使用和末次循環使用的相關力學參數有著明顯的不同。隨著循環次數的增加,鎳鈦合金的相關力學參數變化幅度越來越小,性能逐漸趨于穩定。因此將鎳鈦合金塑性測壓靶用于實際測試之前,必須考慮如下問題:鎳鈦合金靶板需要經過多少次循環使用后才能夠穩定下來?其力學性能能不能繼續穩定保持下去?

圖4 循環變形下應力-應變曲線

針對以上問題,必須對鎳鈦合金靶板進行多次的循環變形實驗,觀察鎳鈦合金力學性能的變化,驗證其作為塑性測壓靶使用的可行性。相比于動態沖擊實驗,準靜壓實驗更加方便且快捷。

2.1 準靜壓實驗裝置

采用一種基于快開閥原理的準靜壓實驗裝置對靶板施加準靜態均布載荷。該準靜壓實驗裝置主體部分膜片室如圖5所示,靶板通過上壓環和壓緊蓋壓緊固定,形成周邊固支約束。通過打開底部的電磁閥開關,使得與之相連的高壓氣瓶里的氮氣充入靶板氣室,從而給靶板施加均布載荷。其產生的階躍壓力上升時間為毫秒量級,階躍壓力在0～3 MPa可調。

圖5 準靜壓實驗裝置膜片室

2.2 形狀記憶合金靶板變形穩定性分析

相同載荷的循環加載下,鎳鈦合金靶板變形回復后殘余變形的變化能夠體現其力學性能的變化。為驗證鎳鈦合金的變形穩定性,實驗過程為:輪流對3種靶板施加2 MPa的準靜態均布載荷,記錄其殘余變形,實驗次數均為20次,實驗結果如圖6所示。

圖6 殘余變形變化曲線

從圖6可以看出,3種靶板的殘余變形的變化趨勢基本相同:在1～7次循環內,殘余變形急劇增加;在7～9次循環內,殘余變形增加速度變緩;在9次循環之后,殘余變形雖然還有變化,但是變化幅值最大時只占殘余變形的1%,可以忽略不計。因此,可以得到結論:3種靶板在9次循環加載后,殘余變形達到穩定狀態,鎳鈦合金本身力學性能也達到穩定,具備作為塑性測壓靶使用的可行性。

厚度分別為0.1、0.2、0.3 mm的3種規格鎳鈦合金靶板穩定后的殘余變形分別為1.65、1.01、0.94 mm,在2 MPa壓力作用下的撓度分別為4.58、3.75、3.23 mm。而在選擇最適合用于沖擊波測壓的靶板時,主要從敏感性和適用范圍兩方面考慮,其中敏感性是指靶板在載荷作用下發生變形響應的程度大小,如果敏感性太差,變形撓度太小,會影響靶板測量精度。3種規格靶板中,0.1 mm的靶板敏感性最好,0.2 mm的次之,但是從表1分析結果看,0.1 mm的靶板只適用于測量正壓作用時間大于12 ms的沖擊波。姬建榮[12]對不同當量TNT爆炸下的沖擊波數據進行了處理,發現對于8、20、60和100 kg TNT當量,只有對比距離分別大于16、9、5、4時,其正壓作用時間大于12 ms。由此可知,0.1mm的靶板適用范圍較小。綜合考慮之下,選擇厚度為0.2 mm的靶板作為塑性測壓靶最合適。

2.3 形狀記憶合金靶板變形重復性分析

選定合適靶板后,需要驗證該靶板在相同載荷下變形的重復性。實驗過程為:對厚度為0.2 mm的靶板分別施加1.2、1.4、1.6、1.8 MPa的載荷,記錄其撓度(當次實驗后測到的最大撓度減去實驗前測到的殘余變形),每種載荷加載次數為4次。

其實驗結果如表2所示。

表2 重復載荷下撓度變化

將表2中數據放入同一坐標系,如圖7所示,可以看出該靶板在同一壓力下的變形撓度相差較小,在1.8 MPa壓力下撓度誤差最大,且最大誤差為2.3%。該誤差對于塑性測壓靶而言是足夠小的,可以說明鎳鈦合金靶板在相同載荷下的變形響應具備較好的重復性。

圖7 重復載荷下變形結果

另外,該鎳鈦合金靶板剛達到穩定狀態時的殘余變形為1.01 mm,經過10次的穩定性驗證實驗和16次的重復性驗證實驗后,最終的殘余變形為1.07 mm,兩者相差很小。因此可以認為,該靶板在達到穩定狀態后,至少可以重復使用26次。

3 形狀記憶合金靶板標定

將塑性測壓靶應用于實際沖擊波測試的前提是明確其輸入載荷與輸出結果之間的關系,能夠通過其變形撓度推算出沖擊波壓力。因此,需要對鎳鈦合金靶板進行標定,建立沖擊撓度模型。

3.1 標定過程

鎳鈦合金靶板的標定實驗在激波管上進行,其實驗示意圖如圖8所示。使用前,在激波管左端加上鋁夾片,用螺釘固定,在激波管右端裝上鎳鈦合金靶板(通過循環加載實驗后力學性能已達到穩定狀態),同時在靶板附近安裝壓力傳感器監測端面反射壓力,由于激波管反射端面完全封閉,忽略鋁箔變形對壓力測試影響,則所測壓力即為作用于薄膜之上的載荷。使用時,打開氣瓶出氣口,氣瓶內的氮氣導致激波管高壓段氣壓不斷上升。氣壓上升至一定程度時,鋁夾片破裂,產生一個向右的激波,同時作用于靶板和壓力傳感器。由于氣瓶氣壓有限,該激波管只能產生壓力在2 MPa以下的激波。

圖8 標定系統示意圖

實驗過程中使用的壓力傳感器為美國PCB 113B26型ICP傳感器,量程為3.45 MPa,線性小于1%FS,諧振頻率大于500 kHz,上升時間小于1 μs。數據采集儀采樣率設為2 MHz,采樣長度為1 s。

3.2 標定結果分析

通過調整激波管前端鋁夾片的厚度來調整激波壓力大小,并記錄鎳鈦合金靶板的撓度以及對應的激波壓力大小,從而得到靶板撓度與壓力之間的對應關系,實驗結果如表3所示。

表3 標定數據

靶板撓度與壓力的關系如圖9所示,對其進行擬合,擬合方程為:

圖9 靶板撓度-壓力關系

P=0.9-0.72W+0.19W2

式中:W為靶板撓度;P為激波壓力。

圖9中,撓度與壓力之間的擬合系數為0.995,曲線吻合關系較好,說明可以通過該鎳鈦合金塑性測壓靶對0.14～1.3 MPa范圍內的反射壓進行測量。

4 結論

1) 直徑為30 mm,3種不同厚度的鎳鈦合金靶板中,0.2 mm厚度的靶板作為塑性測壓靶最為合適,適用于正壓作用時間大于5 ms的沖擊波測試;

2) 該鎳鈦合金靶板在進行至少9次的循環訓練后可以獲得穩定的力學性能,變形重復性良好,可以作為塑性測壓靶重復使用,克服了現有塑性測壓靶由于一次性使用帶來的一致性差的缺點;

3) 該鎳鈦合金塑性測壓靶可以用于0.14 ～1.3 MPa反射壓的測量。