CN114519285B - 一种活性毁伤元能量释放特性分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体是一种活性毁伤元能量释放特性分析方法，其目的是针对活性材料冲击/爆燃释能行为的定量研究问题，基于AUTODYN软件的二次开发功能，编写适用于活性材料的状态方程、点火模型及整体反应度计算子程序，然后通过数值模拟获得活性材料弹丸在高速侵彻过程中压力、温度及反应度等参量随时间的变化，从而实现对活性材料冲击/爆燃释能行为的定量研究。采用数值模拟获得的活性弹丸整体反应度与试验中产生的火光强度变化趋势一致，得到的温度与理论分析及相关文献中报道的结果也基本一致，本发明采用的数值模拟方法具有较高的可信度，可为活性材料弹丸在高速撞击过程中冲击/爆燃释能的定量分析提供一种重要的研究手段。
Description
技术领域
本发明涉及金属粉末制品及其性能表征领域，具体是一种活性毁伤元能量释放特性分析方法。
背景技术
氟聚物基活性材料是一类新型含能复合材料，当其以一定速度碰撞目标时，既有良好的动能侵彻能力，又能在强冲击下发生非自持爆炸反应，从而在动能侵彻和内爆两种毁伤机理的联合作用下，实现对目标的高效打击和毁伤，使弹药战斗部的终端毁伤效能获得大幅度提升。活性材料技术作为当前高效毁伤领域的热点研究方向之一，受到了世界各国的广泛关注和深入研究。
数值模拟作为一种重要的研究手段，在活性材料的毁伤效应研究中发挥着重要的作用。选用合适的材料模型是确保数值模拟有效性的关键，但是由于缺乏一个有效的、统一的材料模型，目前在模拟活性材料侵彻/爆燃行为时通常将整个过程分为惰性侵彻与化学爆破两个阶段：首先将活性材料作为惰性材料处理，然后通过在某个时间点人为地加入添加起爆点的方法研究它的化学爆破行为。事实上，活性材料的能量释放是侵彻/爆燃高度耦合的过程，起爆位置具有很强的随机性，采用人为添加起爆点的方式与实际的释能过程存在较大差异。
针对活性材料撞击点火释能的特点，基于Autodyn软件材料模型的二次开发，通过增加参数可调的点火准则实现对活性材料侵彻/爆燃耦合行为的数值模拟，对揭示活性材料能量释放机理具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是针对活性材料冲击/爆燃释能行为的定量研究问题，基于AUTODYN软件的二次开发功能，编写适用于活性材料的状态方程、点火模型及整体反应度计算子程序，然后通过数值模拟获得活性材料弹丸在高速侵彻过程中压力、温度及反应度等参量随时间的变化，从而实现对活性材料冲击/爆燃释能行为的定量研究。
AUTODYN是一款功能强大的显式有限元分析软件，软件自身含有丰富的材料库，并允许添加用户自定义材料模型。AUTODYN软件为用户二次开发提供了Autodyn user_subroutines文件包，该文件包中的mdeos_user_1.f90、mdero_user_1.f90、mdfai_user_1.f90、mdstr_user_1.f90文件分别对应材料的状态方程、侵蚀模型、失效模型及强度模型，用户需要在Visual Studio软件中以FORTRAN语言编写相应的子程序以满足不同的数值模拟需求。
通过编写mdeos_user_1.f90子程序将活性材料冲击/爆燃一体化材料模型嵌入到AUTODYN软件中，在编译生成后的AUTODYN用户自定义程序中即可使用该材料模型。此外，通过对usrsub2.f90子程序的编写，实现了对活性材料实时整体反应度的提取。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一种活性毁伤元能量释放特性分析方法，所述方法采用如下步骤实现的：
步骤一：检查当前循环是否是第一个循环，如果是，则对计算过程中所使用到的变量赋初值；如果不是，则从前一循环中提取变量的值；
步骤二：采用公式(1)更新温度；
CvdT＝-(P+J+q)dv+Wplastic (1)
式中，Cv为比热，T为温度，P为压力，q为人工粘度，Wplastic为塑性功，J为内能对体积的一阶偏导数；
步骤三：根据当前反应度F的值计算粒子的压力与声速；如果F＝0，采用反应物的状态方程计算粒子的压力与声速；如果0<F<1，采用混合准则计算粒子的压力与声速；如果F＝1，采用反应产物的状态方程计算粒子的压力与声速；
步骤四：判断是否达到点火条件，如果达到点火条件，则采用公式(2)更新反应度F；如果未达到点火条件则保持原有的反应度值不变；
dF/dt＝I(1-F)b(ρ/ρ0-1-a)x+G1(1-F)cFdPy+G2(1-F)eFgPz (2)
式中，a为发生点火的最小压缩度；I和x为点火控制参量；b、c和e为反应进行方向控制参数；G1、d和y为点火后早期增长反应控制参数；G2、g和z为高压反应控制参数；ρ为密度；ρ0为初始密度；
更新反应度F时，如果压缩度ρ/ρ0-1大于最小压缩度a则点火，如果压缩度ρ/ρ0-1小于最小压缩度a则不点火；
步骤五：采用公式(3)更新温度，采用公式(4)更新粒子内能；
CvdT＝-HdF (3)
E(V,T,F)＝(1-F)Eu+FEp+(1-F)Q (4)
式中，H为内能对反应度的一阶偏导数，Eu为反应物的内能，Ep为反应产物的内能，Q为活性材料的爆热；
步骤六：遍历所有的粒子，获得活性材料在当前循环中的整体反应度；
步骤七：计算下一循环。
进一步地，所述方法是通过对mdeos_user_1.f90文件的重新编写实现的。
进一步地，步骤一中，所述参数包括压力、内能、温度、反应度。
进一步地，步骤三中，反应物的状态方程为冲击状态方程或JWL状态方程，反应产物的状态方程为JWL状态方程或其它可以描述爆炸行为的状态方程；混合准则为根据反应物、反应产物的占比，分别选择反应物的状态方程、反应产物的状态方程进行计算。
进一步地，步骤四中，是否达到点火条件的判断是通过更新点火表达式来实现的，所述点火表达式为公式(5)与公式(6)；
ta(σ-σTS)b＝c (5)
T＝Td (6)
式中，t为点火延迟时间，σTS为发生点火需要的最小应力，a、b、c为与粒径有关的材料常数，Td为活性材料所含聚合物的分解温度；
根据两个点火表达式进行判断，应力、温度其中一项达到点火条件，即认为达到点火条件。
进一步地，步骤六中，活性材料在当前循环中的整体反应度是通过usrsub2.f90中的EXEDIT子程序获得的。
进一步地，所模拟的对象为氟聚物基活性材料；其中，氟聚物材料包括但不局限于聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯三元共聚物、聚偏氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物；金属材料为活性金属材料，且包括但不局限于Al、Mg、Ta、Zr、Hf、Ti。
模拟时利用本发明所述方法进行循环，循环至AUTODYN软件中mdeos_user_1.f90子程序所设定的循环终点时，停止循环。
有益效果
1、一种活性毁伤元能量释放特性分析方法，通过对EOS子程序的二次开发，可以实现对动态载荷作用下活性毁伤元能量释放过程中的反应度、压力及温度等参量的实时定量研究。
2、通过对动态载荷作用下活性毁伤元能量释放过程中的反应度、压力及温度等参量的实时定量研究，可以更深入细致的了解活性材料的点火特性与能量释放机理。
附图说明
图1为本发明中状态方程子程序开发流程；
图2为本发明实施例中的活性材料弹丸撞击双层间隔铝板计算模型；
图3为本发明实施例中撞击速度v＝650m/s时活性材料弹丸冲击爆燃释能过程的试验结果与数值模拟结果；
图4为本发明实施例中活性弹丸侵彻/爆燃过程中典型粒子的点火曲线；
图5为本发明实施例中活性材料弹丸整体反应度随时间的变化曲线；
图6为本发明实施例中撞击后板处的温度分布。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行进一步说明。
在AUTODYN-3D平台上，针对网格畸变造成计算成本高的问题，采用SPH算法进行建模。为了进一步提高计算效率，采用1/2对称模型进行模拟。图中双层间隔铝板的尺寸为Φ120mm，第一层与第二层铝板厚度分别为2mm与4mm，前后铝板之间的间距为200mm。SPH粒子间距为0.5mm，计算共采用的粒子数约为130000，所采用计算模型如图2所示。然后采用上述开发的EOS子程序对活性材料弹丸侵彻/爆燃释能行为进行模拟。
采用与数值模拟同样的条件开展活性材料弹丸高速撞击双层间隔铝板试验，试验结果与数值模拟结果如图3所示。通过对比可以发现，数值模拟结果基本符合试验结果。
通过在活性弹丸前表面设置高斯点获得了典型位置处点火常数、反应度、压力和温度随时间的变化曲线，如图4所示。
撞击后首先在撞击接触面产生高压脉冲，由于采用了等效塑性应力与时间的乘积作为判断点火的条件，开始碰撞时撞击接触面上的材料并未被立即激活。事实上，等效塑性应力的计算在Autodyn中包含两部分：状态方程计算的流体静压力和本构模型计算的偏应力。虽然压力很高，但点火指数并未明显提高，撞击瞬间并没有产生点火所需的阈值应力。在此之后，向前传播的压缩波被前靶板背部的自由表面反射，产生与活性弹丸运动方向相反的稀疏波，导致材料的压力急剧下降。稀疏波还可以增强颗粒在活性弹丸中的速度变化，这有利于在活性材料中产生高应力。之后，点火常数指数线性增加到用户设定的值(本研究将该值设置为1)，此时活性材料被激活发生爆燃反应，爆燃释放出大量的化学能以压力势能和内能的形式存在，基于压力和温度平衡条件可以计算获得未反应活性材料与爆燃产物混合物的压力。随着反应度ALPHA的增加，压力和温度显著提升。当ALPHA增加到1时，说明此时爆燃反应结束，粒子的压力和温度趋于平稳。
活性材料弹丸整体反应度随时间的变化曲线如图5所示。从图中可以看出，在穿透前板后活性弹丸的整体反应度显著提高，当点火指数达到预设值时，部分活性材料开始发生爆燃反应。在撞击第二层铝板之前，活性材料整体反应度持续增加，造成这一现象的原因可从两个方面进行考虑：一是被激活的活性材料完成彻底的爆燃反应需要一定的时间，二是因为已反应的活性材料释放出大量的热能形成高温区，热量将向低温未反应的活性材料转移，导致周围未反应活性材料温度迅速升高至点火温度，进而持续地释放化学能。随后反应度曲线形成了一个拐点，对应于剩余活性侵彻体高速撞击第二层铝板的时刻(540μs)，之后活性材料反应度以更快的速度增加，意味着活性材料弹丸在撞击第二层靶板时反生了更为剧烈的爆燃释能现象。尽管如此，在当前撞击速度条件下，活性材料弹丸的化学能不足以得到完全释放。活性材料弹丸整体反应度仅为0.224，数值模拟结果与试验基本一致，因为从高速摄影和回收后的碎片都观测到了大量未反应的活性材料。
根据热力学第一定律，爆燃反应释放的丰富化学能将转化为爆燃产物的压力势能和内能。高压将使爆燃产物迅速膨胀，而内能会使产物温度升高。图6为活性材料剩余侵彻体撞击第二层铝板时的温度分布。当撞击速度为650m/s时，粒子达到的最高温度为2780K。
本发明的包括但不局限于以上的实施实例，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种活性毁伤元能量释放特性分析方法，其特征在于：所述方法采用如下步骤实现的：
步骤一：检查当前循环是否是第一个循环，如果是，则对计算过程中所使用到的变量赋初值；如果不是，则从前一循环中提取变量的值；
步骤二：采用公式(1)更新温度；
CvdT＝-(P+J+q)dv+Wplastic (1)
式中，Cv为比热，T为温度，P为压力，q为人工粘度，Wplastic为塑性功，J为内能对体积的一阶偏导数；
步骤三：根据当前反应度F的值计算粒子的压力与声速；如果F＝0，采用反应物的状态方程计算粒子的压力与声速；如果0<F<1，采用混合准则计算粒子的压力与声速；如果F＝1，采用反应产物的状态方程计算粒子的压力与声速；
步骤四：判断是否达到点火条件，如果达到点火条件，则采用公式(2)更新反应度F；如果未达到点火条件则保持原有的反应度值不变；
dF/dt＝I(1-F)b(ρ/ρ0-1-a)x+G1(1-F)cFdPy+G2(1-F)eFgPz (2)
式中，a为发生点火的最小压缩度；I和x为点火控制参量；b、c和e为反应进行方向控制参数；G1、d和y为点火后早期增长反应控制参数；G2、g和z为高压反应控制参数；ρ为密度；ρ0为初始密度；
更新反应度F时，如果压缩度ρ/ρ0-1大于最小压缩度a则点火，如果压缩度ρ/ρ0-1小于最小压缩度a则不点火；
步骤五：采用公式(3)更新温度，采用公式(4)更新粒子内能；
CvdT＝-HdF (3)
E(V,T,F)＝(1-F)Eu+FEp+(1-F)Q (4)
式中，H为内能对反应度的一阶偏导数，Eu为反应物的内能，Ep为反应产物的内能，Q为活性材料的爆热；
步骤六：遍历所有的粒子，获得活性材料在当前循环中的整体反应度；
步骤七：计算下一循环；
步骤一中，所述变量包括压力、内能、温度、反应度；
步骤三中，反应物的状态方程为冲击状态方程或JWL状态方程，反应产物的状态方程为JWL状态方程或其它可以描述爆炸行为的状态方程；混合准则为根据反应物、反应产物的占比，分别选择反应物的状态方程、反应产物的状态方程进行计算；
步骤四中，是否达到点火条件的判断是通过更新点火表达式来实现的，所述点火表达式为公式(5)与公式(6)；
ta(σ-σTS)b＝c (5)
T＝Td (6)
式中，t为点火延迟时间，σTS为发生点火需要的最小应力，a、b、c为与粒径有关的材料常数，Td为活性材料所含聚合物的分解温度；
根据两个点火表达式进行判断，应力、温度其中一项达到点火条件，即认为达到点火条件。
2.根据权利要求1所述的一种活性毁伤元能量释放特性分析方法，其特征在于：所述方法是通过对mdeos_user_1.f90文件的重新编写实现的。
3.根据权利要求1所述的一种活性毁伤元能量释放特性分析方法，其特征在于：步骤六中，活性材料在当前循环中的整体反应度是通过usrsub2.f90中的EXEDIT子程序获得的。
4.根据权利要求1所述的一种活性毁伤元能量释放特性分析方法，其特征在于：所模拟的对象为氟聚物基活性材料；其中，氟聚物材料包括但不局限于聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯三元共聚物、聚偏氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物；金属材料为活性金属材料，且包括但不局限于Al、Mg、Ta、Zr、Hf、Ti。
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| Title |
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| Al/PTFE活性材料弹丸冲击/爆燃行为数值模拟研究;肖建光;北京理工大学学报;20220424;第42卷(第3期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114519285A (zh) | 2022-05-20 |
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