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氣體發(fā)生器材料模型及參數(shù)標(biāo)定
點(diǎn)擊次數(shù)：1938 更新時(shí)間：2016-05-26
氣體發(fā)生器支撐結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境處于高溫、高壓氣流中。在此沖擊環(huán)境下支撐結(jié)構(gòu)的響應(yīng)不同于靜載下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性，研究支撐結(jié)構(gòu)動(dòng)載響應(yīng)特性對(duì)于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。由于支撐結(jié)構(gòu)尺寸較小和其所處的復(fù)雜沖擊環(huán)境，目前通過(guò)試驗(yàn)很難測(cè)得此環(huán)境下的沖擊載荷性能參數(shù)，因此，對(duì)其在高溫、高壓氣流沖擊作用下的形態(tài)進(jìn)行數(shù)值cae仿真分析，是獲得沖擊響應(yīng)的有效手段。
本文利用Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，測(cè)得該氣體發(fā)生器支撐結(jié)構(gòu)的變形情況，采用LS-DYNA程序?qū)χ谓Y(jié)構(gòu)沖擊變形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)其材料動(dòng)態(tài)性能參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，在此基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行沖擊載荷參數(shù)計(jì)算，分析得到?jīng)_擊載荷參數(shù)的參考值，為支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。zui后，對(duì)3種支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的沖擊響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，從中選出了符合工程要求的設(shè)計(jì)方案。
1支撐結(jié)構(gòu)力學(xué)性能參數(shù)
該氣體發(fā)生器支撐結(jié)構(gòu)為中空?qǐng)A臺(tái)，四周均布圓孔，其結(jié)構(gòu)尺寸包括：頂、底部直徑Dt，Db，壁厚t，高度H，圓孔直徑do及位置參數(shù)h1～h5．支撐結(jié)構(gòu)材料為合金鋼，其力學(xué)性能參數(shù)為：密度 放大圖片，彈性模量206 GPa，初始屈服應(yīng)力1000 MPa，強(qiáng)度極限1200 MPa。
2材料模型及參數(shù)
2．1材料模型
研究表明，普通合金鋼的屈服強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增加而增大。因此其材料模型選用與應(yīng)變率相關(guān)的各向同性彈塑性模型，應(yīng)變率采用Cowper Symonds模型。
2．2材料參數(shù)標(biāo)定
由于氣體發(fā)生器支撐結(jié)構(gòu)材料參數(shù)只提供了靜態(tài)屈服應(yīng)力，沒(méi)有提供動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)，有必要進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)性能實(shí)驗(yàn)。為了獲得該氣體發(fā)生器支撐結(jié)構(gòu)材料在高應(yīng)變率加載條件下的力學(xué)性能，常采用Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)。因該支撐結(jié)構(gòu)的直徑和Hopkinson壓桿的輸入、輸出桿直徑大致相同，本文借助于Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)裝置，直接對(duì)該支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，獲得該支撐結(jié)構(gòu)的沖擊變形結(jié)果。實(shí)驗(yàn)時(shí)將該支撐結(jié)構(gòu)固定在輸入桿和輸出桿之間。通過(guò)對(duì)Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定計(jì)算，得到高應(yīng)變率下支撐結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能參數(shù)。數(shù)值計(jì)算中施加的載荷曲線如圖1所示。
標(biāo)定計(jì)算所選取的指標(biāo)為支撐結(jié)構(gòu)的上下兩個(gè)端面軸向位移值。通過(guò)比較數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)值，調(diào)整應(yīng)變率參數(shù)C、λ直到二者接近為止。通過(guò)標(biāo)定計(jì)算得到支撐結(jié)構(gòu)材料在高應(yīng)變率條件下的力學(xué)性能數(shù)值如表1所示?！ ?/div>
支撐結(jié)構(gòu)上下兩個(gè)端面軸向位移的變化規(guī)律如圖2所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得支撐結(jié)構(gòu)的軸向總變形位移為1．02 mm，數(shù)值計(jì)算結(jié)果為1．08 mm．支撐結(jié)構(gòu)圓孔的變形對(duì)比如圖3所示?！ ?/div>
從圖3可以看出，在沖擊加載過(guò)程中，隨著沖擊載荷的變化，應(yīng)力波在整個(gè)結(jié)構(gòu)中的分布變得非常復(fù)雜，尤其是在支撐結(jié)構(gòu)的圓孔附近區(qū)域，形成較大的應(yīng)力集中。致使圓孔發(fā)生一定程度的壓扁。數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致。3載荷特性參數(shù)驗(yàn)證計(jì)算
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析，支撐結(jié)構(gòu)受到的沖擊波形可以近似為梯形載荷脈沖，即由上升沿、平臺(tái)和下降沿組成，且脈沖持續(xù)時(shí)間約為20us．具體形式為單脈沖、多次加載，如圖4所示。單脈沖參數(shù)如下：上升沿脈寬 放大圖片，峰值平臺(tái)脈寬 放大圖片 放大圖片，下降沿脈寬 放大圖片為總脈寬。
多次加載(即連續(xù)施加壓力脈沖)的載荷時(shí)間歷程：每加載一次，就施加一個(gè)總脈寬為 放大圖片的單脈沖，隨后卸載至零，并且零載荷持續(xù)的時(shí)間也為 放大圖片?！ ?/div>
通過(guò)數(shù)值模擬擬合脈沖的峰值 放大圖片的大小。首先模擬加載3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)比較支撐結(jié)構(gòu)上下兩個(gè)端面的位移，得到一個(gè)初步的壓力峰值，再用加載6次的結(jié)果加以驗(yàn)證。加載3次數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖5所示。
在加載3次情況下，實(shí)驗(yàn)位移不超過(guò)1．3 mm．根據(jù)此位移值反過(guò)來(lái)標(biāo)定壓力峰值，即先假設(shè)一系列壓力峰值，通過(guò)數(shù)值計(jì)算支撐結(jié)構(gòu)在此壓力峰值對(duì)應(yīng)的脈沖作用下的端面位移，將計(jì)算的位移值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較直到二者接近為止。數(shù)值模擬標(biāo)定的壓力峰值為900 MPa．加載3次情況下標(biāo)定得到的壓力峰值還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為此用加載6次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步檢驗(yàn)該壓力峰值的合理性。對(duì)加載6次的情況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。在加載6次、壓力峰值為900 MPa的情況下，數(shù)值計(jì)算獲得的軸向端面位移不超過(guò)2．2 mm，靠近大端環(huán)向孔產(chǎn)生了環(huán)向貫穿裂紋。相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為軸向端面位移2．3 mm，靠近大端的一排環(huán)向孔間產(chǎn)生了類似的環(huán)向貫穿裂紋，可見(jiàn)二者相當(dāng)一致。由此說(shuō)明標(biāo)定的壓力峰值是接近實(shí)際的。數(shù)值模擬的圓孔變形與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖6所示。由圖可見(jiàn)，圓孔變形較為嚴(yán)重，呈橢圓形。
4結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)標(biāo)定的壓力載荷對(duì)新設(shè)計(jì)的3種支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案在加載10次以上情況下的沖擊變形進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，預(yù)測(cè)3種支撐結(jié)構(gòu)方案的整體變形狀況如圖7所示。其中方案1環(huán)向孔交錯(cuò)布置，方案2環(huán)向孔順序布置，方案3將環(huán)向圓孔改為兩端圓弧過(guò)渡的細(xì)長(zhǎng)孔?！ ?/div>
從圖7可知，在加載10次以上的情況下，3種結(jié)構(gòu)的變形情況變化較大，其中方案1側(cè)壁上的等間距圓孔互相連通，形成V型貫通裂紋，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)*失效破壞；方案2側(cè)壁上的圓孔發(fā)生了顯著塑性變形，軸向端面位移在I．3～1．4 mm范圍；而方案3的軸向端面位移非常小，不超過(guò)0．5 mm，長(zhǎng)孔的變形也非常小，保持完好?？梢?jiàn)，方案3整體結(jié)構(gòu)保持完好，變形很小，是較為合理的結(jié)構(gòu)方案，實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中表明該結(jié)構(gòu)能正常工作。
5結(jié)論
本文利用LS-DYNA軟件針對(duì)某氣體發(fā)生器支撐結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了一系列數(shù)值cae仿真計(jì)算，得到如下結(jié)論：
1)利用支撐結(jié)構(gòu)的Hopkinson壓桿沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)其高應(yīng)變率材料參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定計(jì)算，得到了支撐結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)材料參數(shù)。
2)利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的沖擊載荷特性參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算，獲得了壓力峰?！ ?/div>
3)對(duì)3種支撐結(jié)構(gòu)方案的沖擊變形進(jìn)行了數(shù)值預(yù)測(cè)，優(yōu)選了設(shè)計(jì)方案，優(yōu)選的方案可正常工作，為支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)際試驗(yàn)提供了參考。
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