高過載下不同材料裝藥緩沖墊性能對比

賈勝錫，黃 萌，張 皓，胡博文，顏 密，張益達

(1 西安現代控制技術研究所，陜西 西安 710065；2 北京理工大學宇航學院，北京 100081)

0 引言

炮射導彈是利用火炮發射獲得較高初動能,在增程段采用固體火箭發動機作為動力,在外彈道末段進行制導的一種遠距離精確打擊武器,具有精度高、靈活性好、低成本等優點。相比于采用常規固體火箭發動機作為單一動力的導彈,炮射導彈在相同射程下可以降低成本,因此受到國內外武器研制單位的普遍關注。

炮射導彈為了獲得較大的炮口初速,減小增程段固體火箭發動機的推力負擔,發射時通常具有非常大的軸向過載。據統計,美國的M712“銅斑蛇”末制導炮彈發射過載達9 000g,俄羅斯的“紅土地”末制導炮彈發射過載達9 500g,而美國的155 mm常規彈型靈巧炮彈發射過載高達17 000g[1]。在炮射導彈上,作為增程動力裝置的固體火箭發動機必須承受發射帶來的高過載。發動機的裝藥在如此高的過載下,其結構完整性受到威脅,而裝藥結構的完整性直接影響整彈的安全性與穩定性。為了提高藥柱的抗過載能力,工程上常在藥柱與彈體之間放置緩沖墊,以降低發射時藥柱內部的應力。常用的緩沖墊材料為毛氈、紙板、橡膠板等。

目前對高過載環境下的裝藥結構完整性研究大多都關注于藥柱本身[2-5],很少關注緩沖墊對裝藥結構完整性的影響,關于這方面的試驗研究更是罕見。緩沖墊材料、構型、厚度等對緩沖墊的緩沖保護性能均有影響。許志峰等[6]采用大型落錘模擬加載系統研究了緩沖裝置對炸藥裝藥抗過載安全性的影響。陳春燕等[7]研究了炸藥裝藥用緩沖材料的制備,并測試了其壓縮性能。李東偉等[8]研究了不同厚度、不同結構形式的退火純鋁、聚乙烯、聚碳酸酯和有機玻璃等緩沖材料對戰斗部裝藥防護效果影響。隋欣等[9]采用有限元方法計算分析了緩沖材料、厚度及載荷持續時間對裝藥內部等效應力的影響。文中針對工程中常用的7種不同材料的緩沖墊,進行了力學性能試驗,通過試驗對比給出了緩沖墊的選用依據。在此基礎上,計算了緩沖墊厚度、間隙、構型對藥柱內應力的影響。

1 試件材料與試驗方法

典型的固體火箭發動機裝藥結構為了減小發射過載在藥柱內部產生的應力,在藥柱底部和發動機后蓋之間放置緩沖墊。調研發現,常用的緩沖墊包括以下幾種材料:工業毛氈,工業紙板,柔性石墨,橡膠材料以及海綿橡膠。將上述材料制成厚度為10 mm的單板或復合板正方形試樣,如圖1所示。

圖1 不同材料緩沖墊試樣Fig.1 Sample of cushion made of different materials

對圖1所示的7種試樣進行力學性能測試,其中圖1(d)中W為一等品,Q為二等品。試驗前,對每種試樣在相互垂直的位置上測量試樣長、寬尺寸和厚度尺寸,分別以平均值計算試樣橫截面積和原始高度,以便后續計算回彈及應力應變等力學參數。試驗時,以110 kN為加載上限,將試樣放在下壓板中心位置,按照6 mm/min速度開始施加載荷,直到載荷壓力達到110 kN后停止施加載荷。若未出現最大載荷點,壓縮形變達到70%時停止施加載荷。試驗中讀取壓縮載荷值及其相應的形變值。每種試樣在相同工況試驗5次,處理數據得到平均值,試驗完成測量試樣的回彈厚度。

2 力學性能試驗

2.1 試驗測量數據

試驗測得每種材料5個工況的壓力-位移曲線,按照試樣初始厚度和初始面積通過折算并取5組數據的平均值,獲得所有7種緩沖材料的應力-應變關系,如圖2所示。

圖2 不同材料緩沖墊的應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curve of cushion with different materials

在乙丙橡膠板和海綿橡膠板的壓力試驗過程中,由于材料彈性過大,在位移超過一定范圍后,試樣在壓頭的擠壓作用下向周圍延展,直到布滿壓頭并被擠出壓頭之外,這一情況下試件的受力面積已不能采用原始測量數據,會導致數據處理精度嚴重降低。因此只得到乙丙橡膠板和海綿橡膠板在受力面積變化不明顯情況下的小范圍試驗結果。

采用游標卡尺測量試件初始厚度,并在每次壓機卸載后測量短時回彈后的厚度,算出回彈率。對5組試驗取平均值,獲得不同材料緩沖墊的回彈率,如圖3所示。

圖3 不同材料緩沖墊的回彈率測量結果Fig.3 Measured recovery of cushion with different materials

2.2 試驗結果分析

通過試驗結果來看,加入紙板的毛氈在相同應變條件下擁有最高的應力水平,3類不同規格的毛氈應力-應變曲線規律相同且數值相差不大,乙丙橡膠板和海綿橡膠板的應力曲線較平直,由于形變能力較強,不會出現壓縮后硬化現象。柔性石墨板應力先上升后保持低模量,在壓縮率超過0.3后應力迅速上升。

從回彈特性分析,毛氈材料隨等級提高,回彈性也相應提高,毛氈/紙板復合材料回彈特性進一步提高,柔性石墨板回彈最少,是所有被試材料中唯一塑性應變能大于彈性應變能的材料,兩種橡膠板幾乎無塑性形變。

將7種被試件的應力曲線通過微分處理為模量-應變曲線,如圖4所示。從圖中可以清楚看到“毛氈+紙板”復合緩沖墊模量最大,柔性石墨板次之,3種純毛氈的模量較低且幾乎重合,兩類橡膠板模量最低,且幾乎不隨應變增大。

圖4 不同材料緩沖墊的模量-應變曲線Fig.4 Modulus strain curves of cushion with different materials

用于炮射導彈裝藥的緩沖墊應具備以下特性:

1)輕質:在固體發動機中,非含能材料質量越小,越能提高發動機能量輸出特性。

2)易燒蝕:緩沖墊通常位于裝藥尾部,且為了緩沖效果需要,盡量占據較大面積,在發動機工作時容易阻塞流道,材料易于燒蝕則能降低發動機工作過程中大塊殘渣阻塞流道造成安全隱患的概率。

3)吸能:較高的模量可以在有限形變條件下盡可能多將沖擊雜波吸收掉,并將沖擊相對平順地傳遞到裝藥表面,提高發動機零部件運動同步性。

4)高回彈性:高回彈性可以確保裝藥前后端面在經歷發射過載后仍處于壓緊狀態,降低出膛瞬間裝藥在燃燒室內由于反向過載發生二次沖擊損傷的概率,并且使得裝藥在點火沖擊下得到有效保護。

按照以上原則考量7種緩沖材料,112毛氈和柔性石墨板的回彈率太低,不到50%;乙丙橡膠和海綿橡膠的應變范圍太窄,無法承受大應變。因此,最適合用作炮射導彈裝藥緩沖墊的材料為T112毛氈和“毛氈+紙板”復合材料。

材料受壓時,單位體積內的應變能為[10]:

(1)

其中,σ為應力;ε為應變。

根據式(1),對應力-應變曲線積分,即可得材料的應變能密度。圖5所示對比了T112毛氈和“毛氈+紙板”材料的應變能密度。從圖中可以看出,在整個應變范圍內“毛氈+紙板”復合材料應變能密度高于T112毛氈材料。從能量吸收的角度而言,“毛氈+紙板”復合材料更加能吸收發射帶來的高過載。文獻[11]從應力波衰減的角度研究了墊片的抗沖擊能力,結果發現使用不同材料的兩層墊片優于同厚度的單一材質墊片,由于使用兩種材料增加了材料波阻抗。

圖5 T112和“毛氈+紙板”的應變能對比Fig.5 Comparison of strain energy between T112 and felt+cardboard

3 緩沖墊厚度及間隙對裝藥應力影響

3.1 數值仿真模型

依據試驗的分析結果,選擇“毛氈+紙板”材料為緩沖墊,通過有限元仿真對固體火箭發動機裝藥結構抗高過載能力進行分析。計算模型中,各部件的材料及其力學性能如表1所示。

表1 各部件材料和特性Table 1 Materials and characteristics of each component

HTPB復合推進劑為粘彈性材料,其松弛模量采用Prony級數表示[12],松弛模量表達式為:

(2)

其中:E∞為平衡模量;Ei為Prony級數;t為松弛時間;θi為應變率。

由于高過載工況下,藥柱發生變形時的應變率范圍集中在低中應變率范圍內,根據低中應變率下某推進劑實測曲線擬合得到E(t)的參數,如表2所示。

表2 耐高過載復合推進劑的E(t)參數Table 2 E(t) of composite propellant with high overload resistant

根據圖4的測量曲線,將緩沖墊力學性能制作成差值表,在有限元仿真中通過UDF調用。

包覆層與藥柱的接觸面采用綁定約束,其余接觸面采用面面接觸。包覆層外表面與殼體內壁設置為面面接觸。載荷和邊界條件施加方式如圖6所示,將殼體下底面完全固定,同時對整體施加圖7所示的實測過載加速度載荷。

圖6 載荷和邊界條件施加Fig.6 Load and boundary condition application

圖7 某實測過載曲線Fig.7 Measured overload curve

3.2 緩沖墊厚度的影響

圖8為加載過程中藥柱的變形情況和內部應力。從圖中可以看出,在過載施加的過程中,由于緩沖墊模量較大,藥柱產生壓縮變形,部分藥柱被擠壓到緩沖墊的內孔中,后將內孔完全填滿,之后由于過載值減小為0,藥柱與緩沖墊存在回彈現象,由于彈性模量不同,回彈過程中,藥柱與緩沖墊分離。因而藥柱的危險點在藥柱底面與緩沖墊內徑接觸的位置。同時由于藥柱底面中心處不易變形,也會產生較大的應力,因而底面上的兩個位置也為危險點,3個危險點位置如圖9所示。

圖8 藥柱變形過程Fig.8 Deformation process of grain

圖9 藥柱下端危險點位置Fig.9 Dangerous points location of the lower end on the grain

改變緩沖墊厚度,研究緩沖墊厚度對藥柱應力的影響。將緩沖墊厚度設置為0 mm,5 mm,10 mm,輸出的觀察點的應力響應,分析緩沖墊厚度對藥柱危險點處應力大小的影響。圖10為不同緩沖墊厚度下,3個危險點處應力時間曲線。

圖10 不同厚度緩沖墊藥柱應力曲線Fig.10 Stress curve of cushion and grain with different thicknesses

表3為不同緩沖墊厚度藥柱最大應力值。結合圖10的曲線,可以看出,藥柱在緩沖墊厚度為10 mm時,藥柱A處危險點的最大應力值最小,大小為21.6 MPa,B處的應力為24.5 MPa,C處為2.0 MPa。認為選擇緩沖墊厚度為10 mm,為最優選擇。緩沖墊厚度進一步增大,藥柱在該位置處的應變變大,導致該位置處應力隨緩沖墊的厚度增加而變大。因此,存在最佳厚度,使得裝藥內部等效應力值較低。

表3 不同緩沖墊厚度藥柱最大應力值Table 3 Maximum stress of cushion with different thickness

3.3 徑向間隙大小影響

改變緩沖墊徑向間隙,研究不同間隙對藥柱應力的影響。將徑向間隙設置為0.5 mm,1 mm,1.5 mm,2 mm。分析緩沖墊徑向間隙對藥柱危險點處應力大小的影響。危險點位置與圖10一致。圖11為不同緩沖墊徑向間隙下,3個危險點處應力時間曲線。

圖11 不同徑向間隙藥柱應力曲線Fig.11 Stress curve of grain with different radial clearances

表4給出了不同緩沖墊徑向間隙藥柱最大應力值。可以看出,藥柱在徑向間隙為1 mm時,藥柱A處危險點的最大應力值最小,大小為26 MPa,B處的應力為30 MPa,C處為2.5 MPa。由于徑向間隙大小對藥柱在軸向上應變影響比較小,因而在不同徑向間隙下,藥柱B處的應力大小變化不大。

表4 不同徑向間隙藥柱最大應力值Table 4 Maximum stress of grain with different radial clearances

4 結論

1)通過力學試驗對比了T112毛氈、112毛氈(一等品)、112毛氈(二等品)、“毛氈+紙板”復合、柔性石墨板、乙丙橡膠板、海綿橡膠板7種不同材料的緩沖墊性能,綜合考慮回彈率、應變范圍和吸能特性,最適合用作炮射導彈裝藥緩沖墊的材料為“毛氈+紙板”復合,其次為T112。

2)緩沖墊的厚度和徑向間隙對高過載下藥柱的最大應力值有影響,存在最佳緩沖墊厚度和徑向間隙,使得裝藥內部等效應力值較低。