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氣體發生器材料模型及參數標定
點擊次數：2093 更新時間：2016-05-26
氣體發生器支撐結構的工作環境處于高溫、高壓氣流中。在此沖擊環境下支撐結構的響應不同于靜載下的結構響應特性，研究支撐結構動載響應特性對于其結構設計有一定的指導意義。由于支撐結構尺寸較小和其所處的復雜沖擊環境，目前通過試驗很難測得此環境下的沖擊載荷性能參數，因此，對其在高溫、高壓氣流沖擊作用下的形態進行數值cae仿真分析，是獲得沖擊響應的有效手段。
本文利用Hopkinson壓桿實驗裝置對支撐結構進行沖擊實驗，測得該氣體發生器支撐結構的變形情況，采用LS-DYNA程序對支撐結構沖擊變形過程進行數值計算，對其材料動態性能參數進行標定，在此基礎上對實際試驗進行沖擊載荷參數計算，分析得到沖擊載荷參數的參考值，為支撐結構設計提供依據。zui后，對3種支撐結構設計方案的沖擊響應進行了數值模擬，從中選出了符合工程要求的設計方案。
1支撐結構力學性能參數
該氣體發生器支撐結構為中空圓臺，四周均布圓孔，其結構尺寸包括：頂、底部直徑Dt，Db，壁厚t，高度H，圓孔直徑do及位置參數h1～h5．支撐結構材料為合金鋼，其力學性能參數為：密度 放大圖片，彈性模量206 GPa，初始屈服應力1000 MPa，強度極限1200 MPa。
2材料模型及參數
2．1材料模型
研究表明，普通合金鋼的屈服強度隨著應變率的增加而增大。因此其材料模型選用與應變率相關的各向同性彈塑性模型，應變率采用Cowper Symonds模型。
2．2材料參數標定
由于氣體發生器支撐結構材料參數只提供了靜態屈服應力，沒有提供動態力學性能參數，有必要進行相應的動態參數性能實驗。為了獲得該氣體發生器支撐結構材料在高應變率加載條件下的力學性能，常采用Hopkinson壓桿實驗。因該支撐結構的直徑和Hopkinson壓桿的輸入、輸出桿直徑大致相同，本文借助于Hopkinson壓桿實驗裝置，直接對該支撐結構進行沖擊實驗，獲得該支撐結構的沖擊變形結果。實驗時將該支撐結構固定在輸入桿和輸出桿之間。通過對Hopkinson壓桿實驗進行標定計算，得到高應變率下支撐結構材料的力學性能參數。數值計算中施加的載荷曲線如圖1所示。
標定計算所選取的指標為支撐結構的上下兩個端面軸向位移值。通過比較數值計算和實驗值，調整應變率參數C、λ直到二者接近為止。通過標定計算得到支撐結構材料在高應變率條件下的力學性能數值如表1所示。
支撐結構上下兩個端面軸向位移的變化規律如圖2所示。根據實驗測得支撐結構的軸向總變形位移為1．02 mm，數值計算結果為1．08 mm．支撐結構圓孔的變形對比如圖3所示。
從圖3可以看出，在沖擊加載過程中，隨著沖擊載荷的變化，應力波在整個結構中的分布變得非常復雜，尤其是在支撐結構的圓孔附近區域，形成較大的應力集中。致使圓孔發生一定程度的壓扁。數值計算結果和實驗結果較為一致。3載荷特性參數驗證計算
根據實驗結果和理論分析，支撐結構受到的沖擊波形可以近似為梯形載荷脈沖，即由上升沿、平臺和下降沿組成，且脈沖持續時間約為20us．具體形式為單脈沖、多次加載，如圖4所示。單脈沖參數如下：上升沿脈寬 放大圖片，峰值平臺脈寬 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(即連續施加壓力脈沖)的載荷時間歷程：每加載一次，就施加一個總脈寬為 放大圖片的單脈沖，隨后卸載至零，并且零載荷持續的時間也為 放大圖片。
通過數值模擬擬合脈沖的峰值 放大圖片的大小。首先模擬加載3次實驗結果，通過比較支撐結構上下兩個端面的位移，得到一個初步的壓力峰值，再用加載6次的結果加以驗證。加載3次數值模擬結果與實驗結果的對比如圖5所示。
在加載3次情況下，實驗位移不超過1．3 mm．根據此位移值反過來標定壓力峰值，即先假設一系列壓力峰值，通過數值計算支撐結構在此壓力峰值對應的脈沖作用下的端面位移，將計算的位移值與實驗值進行比較直到二者接近為止。數值模擬標定的壓力峰值為900 MPa．加載3次情況下標定得到的壓力峰值還需要進一步的實驗驗證。為此用加載6次的實驗結果進一步檢驗該壓力峰值的合理性。對加載6次的情況進行數值計算。在加載6次、壓力峰值為900 MPa的情況下，數值計算獲得的軸向端面位移不超過2．2 mm，靠近大端環向孔產生了環向貫穿裂紋。相應的實驗結果為軸向端面位移2．3 mm，靠近大端的一排環向孔間產生了類似的環向貫穿裂紋，可見二者相當一致。由此說明標定的壓力峰值是接近實際的。數值模擬的圓孔變形與實驗結果的對比如圖6所示。由圖可見，圓孔變形較為嚴重，呈橢圓形。
4結構參數設計計算
根據標定的壓力載荷對新設計的3種支撐結構設計方案在加載10次以上情況下的沖擊變形進行數值計算，預測3種支撐結構方案的整體變形狀況如圖7所示。其中方案1環向孔交錯布置，方案2環向孔順序布置，方案3將環向圓孔改為兩端圓弧過渡的細長孔。
從圖7可知，在加載10次以上的情況下，3種結構的變形情況變化較大，其中方案1側壁上的等間距圓孔互相連通，形成V型貫通裂紋，導致結構*失效破壞；方案2側壁上的圓孔發生了顯著塑性變形，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0．5 mm，長孔的變形也非常小，保持完好。可見，方案3整體結構保持完好，變形很小，是較為合理的結構方案，實際實驗過程中表明該結構能正常工作。
5結論
本文利用LS-DYNA軟件針對某氣體發生器支撐結構在沖擊載荷作用下的動態響應進行了一系列數值cae仿真計算，得到如下結論：
1)利用支撐結構的Hopkinson壓桿沖擊實驗結果對其高應變率材料參數進行了標定計算，得到了支撐結構動態材料參數。
2)利用實驗結果，對支撐結構的沖擊載荷特性參數進行了驗證計算，獲得了壓力峰。
3)對3種支撐結構方案的沖擊變形進行了數值預測，優選了設計方案，優選的方案可正常工作，為支撐結構參數設計和實際試驗提供了參考。
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