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气体发生器材料模型及参数标定
点击次数:1132 发布时间:2016-05-26
 气体发生器支撑结构的工作环境处于高温、高压气流中。在此冲击环境下支撑结构的响应不同于静载下的结构响应特性,研究支撑结构动载响应特性对于其结构设计有一定的指导意义。由于支撑结构尺寸较小和其所处的复杂冲击环境,目前通过试验很难测得此环境下的冲击载荷性能参数,因此,对其在高温、高压气流冲击作用下的形态进行数值cae仿真分析,是获得冲击响应的有效手段。
  本文利用Hopkinson压杆实验装置对支撑结构进行冲击实验,测得该气体发生器支撑结构的变形情况,采用LS-DYNA程序对支撑结构冲击变形过程进行数值计算,对其材料动态性能参数进行标定,在此基础上对实际试验进行冲击载荷参数计算,分析得到冲击载荷参数的参考值,为支撑结构设计提供依据。zui后,对3种支撑结构设计方案的冲击响应进行了数值模拟,从中选出了符合工程要求的设计方案。
  
  1支撑结构力学性能参数  
  该气体发生器支撑结构为中空圆台,四周均布圆孔,其结构尺寸包括:顶、底部直径Dt,Db,壁厚t,高度H,圆孔直径do及位置参数h1~h5.支撑结构材料为合金钢,其力学性能参数为:密度 放大图片,弹性模量206 GPa,初始屈服应力1000 MPa,强度极限1200 MPa。
  
  2材料模型及参数  
  2.1材料模型  
  研究表明,普通合金钢的屈服强度随着应变率的增加而增大。因此其材料模型选用与应变率相关的各向同性弹塑性模型,应变率采用Cowper Symonds模型。
  
  2.2材料参数标定  
  由于气体发生器支撑结构材料参数只提供了静态屈服应力,没有提供动态力学性能参数,有必要进行相应的动态参数性能实验。为了获得该气体发生器支撑结构材料在高应变率加载条件下的力学性能,常采用Hopkinson压杆实验。因该支撑结构的直径和Hopkinson压杆的输入、输出杆直径大致相同,本文借助于Hopkinson压杆实验装置,直接对该支撑结构进行冲击实验,获得该支撑结构的冲击变形结果。实验时将该支撑结构固定在输入杆和输出杆之间。通过对Hopkinson压杆实验进行标定计算,得到高应变率下支撑结构材料的力学性能参数。数值计算中施加的载荷曲线如图1所示。
    标定计算所选取的指标为支撑结构的上下两个端面轴向位移值。通过比较数值计算和实验值,调整应变率参数C、λ直到二者接近为止。通过标定计算得到支撑结构材料在高应变率条件下的力学性能数值如表1所示。  
  支撑结构上下两个端面轴向位移的变化规律如图2所示。根据实验测得支撑结构的轴向总变形位移为1.02 mm,数值计算结果为1.08 mm.支撑结构圆孔的变形对比如图3所示。  
  从图3可以看出,在冲击加载过程中,随着冲击载荷的变化,应力波在整个结构中的分布变得非常复杂,尤其是在支撑结构的圆孔附近区域,形成较大的应力集中。致使圆孔发生一定程度的压扁。数值计算结果和实验结果较为一致。3载荷特性参数验证计算
  
  根据实验结果和理论分析,支撑结构受到的冲击波形可以近似为梯形载荷脉冲,即由上升沿、平台和下降沿组成,且脉冲持续时间约为20us.具体形式为单脉冲、多次加载,如图4所示。单脉冲参数如下:上升沿脉宽 放大图片,峰值平台脉宽 放大图片 放大图片,下降沿脉宽 放大图片为总脉宽。  
  多次加载(即连续施加压力脉冲)的载荷时间历程:每加载一次,就施加一个总脉宽为 放大图片的单脉冲,随后卸载至零,并且零载荷持续的时间也为 放大图片。  
  通过数值模拟拟合脉冲的峰值 放大图片的大小。首先模拟加载3次实验结果,通过比较支撑结构上下两个端面的位移,得到一个初步的压力峰值,再用加载6次的结果加以验证。加载3次数值模拟结果与实验结果的对比如图5所示。
  
  在加载3次情况下,实验位移不超过1.3 mm.根据此位移值反过来标定压力峰值,即先假设一系列压力峰值,通过数值计算支撑结构在此压力峰值对应的脉冲作用下的端面位移,将计算的位移值与实验值进行比较直到二者接近为止。数值模拟标定的压力峰值为900 MPa.加载3次情况下标定得到的压力峰值还需要进一步的实验验证。为此用加载6次的实验结果进一步检验该压力峰值的合理性。对加载6次的情况进行数值计算。在加载6次、压力峰值为900 MPa的情况下,数值计算获得的轴向端面位移不超过2.2 mm,靠近大端环向孔产生了环向贯穿裂纹。相应的实验结果为轴向端面位移2.3 mm,靠近大端的一排环向孔间产生了类似的环向贯穿裂纹,可见二者相当一致。由此说明标定的压力峰值是接近实际的。数值模拟的圆孔变形与实验结果的对比如图6所示。由图可见,圆孔变形较为严重,呈椭圆形。
 
  4结构参数设计计算  
  根据标定的压力载荷对新设计的3种支撑结构设计方案在加载10次以上情况下的冲击变形进行数值计算,预测3种支撑结构方案的整体变形状况如图7所示。其中方案1环向孔交错布置,方案2环向孔顺序布置,方案3将环向圆孔改为两端圆弧过渡的细长孔。  
  从图7可知,在加载10次以上的情况下,3种结构的变形情况变化较大,其中方案1侧壁上的等间距圆孔互相连通,形成V型贯通裂纹,导致结构完全失效破坏;方案2侧壁上的圆孔发生了显著塑性变形,轴向端面位移在I.3~1.4 mm范围;而方案3的轴向端面位移非常小,不超过0.5 mm,长孔的变形也非常小,保持完好。可见,方案3整体结构保持完好,变形很小,是较为合理的结构方案,实际实验过程中表明该结构能正常工作。  
  5结论  
  本文利用LS-DYNA软件针对某气体发生器支撑结构在冲击载荷作用下的动态响应进行了一系列数值cae仿真计算,得到如下结论:  
  1)利用支撑结构的Hopkinson压杆冲击实验结果对其高应变率材料参数进行了标定计算,得到了支撑结构动态材料参数。  
  2)利用实验结果,对支撑结构的冲击载荷特性参数进行了验证计算,获得了压力峰。  
  3)对3种支撑结构方案的冲击变形进行了数值预测,优选了设计方案,优选的方案可正常工作,为支撑结构参数设计和实际试验提供了参考。
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