【摘 要】
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激波管在爆炸冲击波模拟、传感器标定、气体动力学研究方面都有广泛的应用,其关乎着国防军工及航天航空事业的发展。目前在此领域关注的主要问题是膜片选材、结构设计和激波管用膜片精准爆破的关联性。本文通过有限元模拟与爆破实验相结合,研究了一种缩比气体激波管用铝合金膜片。以膜片的宏观结构设计和材料组织性能为切入点,首先通过材料微观组织表征及力学性能测试标定了两种成分的铝合金膜片材料,其次利用Ansys等模拟仿
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激波管在爆炸冲击波模拟、传感器标定、气体动力学研究方面都有广泛的应用,其关乎着国防军工及航天航空事业的发展。目前在此领域关注的主要问题是膜片选材、结构设计和激波管用膜片精准爆破的关联性。本文通过有限元模拟与爆破实验相结合,研究了一种缩比气体激波管用铝合金膜片。以膜片的宏观结构设计和材料组织性能为切入点,首先通过材料微观组织表征及力学性能测试标定了两种成分的铝合金膜片材料,其次利用Ansys等模拟仿真软件,以标定的材料力学性能数据为参考,建立了一系列不同结构参数的膜片模型,分析了不同结构参数对其爆破性能的影响规律。最后,择优选择最佳的结构参数,制备了相应的膜片进行爆破测试。结合实际爆破压力及破膜形貌对模拟结果进行修正并得出如下结果:（1）对冷轧7075及6061铝合金板材进行显微组织分析及力学性能检测发现,两种板材的TD面均有晶粒被拉长的现象。根据拉伸实验结果及断口微观形貌的规律判断出6061铝合金板材的各向异性更明显。因此,7075铝合金为膜片材料的首要选择。（2）以显微组织和力学性能检测结果为依据,建立了不同刻槽形状的膜片,研究其不同夹持条件下（膜片夹具圆角不同）的爆破性能。模拟结果表明,“十字型”刻槽膜片的泄放口更为完整,其他类型刻槽的膜片泄放口均存在减弱槽闭合情况;当膜片夹具圆角R的大小约为膜片厚度t0的2.5～5倍时,膜片在爆破过程中不会出现剪切断裂。（3）模拟结果显示,在其他结构参数一定的情况下,膜片泄放口径d与爆破压力Pb成反比;压力加载速度v与爆破压力Pb呈负相关趋势;膜片的有效厚度h1与爆破压力Pb成正比例关系。对正拱刻槽型膜片,当预拱高度H为膜片泄放口径d的15%时破膜压力Pb达到最大值。根据模拟爆破结果拟合出有效厚度h1占比为0.8的正拱刻槽型膜片其预拱高度H与破膜压力Pb的关系式;有效厚度h1占比为0.2～0.6、泄放口径d占比为0.5～0.8时的平板刻槽型膜片破膜压力Pb关系式。（4）爆破实验中,对正拱刻槽型膜片及平板刻槽型膜片的压力预测公式进行验证,发现发现其误差均保持在±8%以内。对6061及7075铝合金膜片各进行了50次爆破发现,6061铝合金膜片的异常破膜率占62%,7075铝合金膜片的异常破膜率占34%,进一步证明7075铝合金为膜片材料的更佳选择。（5）刻槽型膜片实际爆破呈“花瓣状”破开,与模拟的破膜形貌形成一致,证明了拉伸型膜片的破膜机理:断裂起始点在膜片刻槽的中心部位,破裂后沿刻槽展开。膜片模拟结果与实际爆破结果较为吻合,研究结果可以用于工程实践参考。
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