微爆索爆炸切割航空有機玻璃機理的研究及其套用

《微爆索爆炸切割航空有機玻璃機理的研究及其套用》是依託太原理工大學，由李志強擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：微爆索爆炸切割航空有機玻璃機理的研究及其套用
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李志強
• 依託單位：太原理工大學

項目摘要

有機玻璃（簡稱PMMA）作為聚酯類高分子在航天航空器材方面獲得了廣泛的套用，如戰鬥機駕駛艙蓋、太空飛船載人艙的密封蓋和潛艇水下發射飛彈的水密艙蓋。根據使用功能的需要，在特殊條件下，需對這類非金屬材料進行精確爆炸切割。本項目以改善現有軍用飛機彈射救系統性能為需求，提出微爆索精確爆炸切割PMMA的分析方法。基於申請人已取得微爆索爆炸切割PMMA平板實驗結果，研究溫度、PMMA平板尺寸和邊界條件對切割效果的影響。套用爆炸衝擊波傳播機理建立分析微爆索切割PMMA平板的理論模型，給出層裂切割深度的計算公式。考慮應變率和溫度效應，基於SHPB技術，建立PMMA的非線性粘彈性本構關係，開發相應的子程式並嵌入LS-DYNA3D。建立模擬爆炸切割PMMA平板和艙蓋透明件的計算模型，將元件的實驗結果推廣到真實艙蓋實驗。最後，提出微爆索在艙蓋表面上多種敷設方案並進行最佳化，為彈射救生系統的最佳化設計和研製提供依據。

結題摘要

為改善飛機穿蓋彈射救生系統的性能，提出了微爆索爆炸切割航空PMMA技術。本研究通過系統的實驗研究、數值模擬和理論分析，開展了PMMA在不同溫度和不同應變率下的壓縮試驗，建立了修正的多Maxwell粘彈性模型，結果表明修正的多Maxwell模型擬合效果最好。但實際套用中，ZWT模型更靈活簡便，而修正多Maxwell模型更準確。同時從機理上分析了PMMA的定向拉伸對其屈服行為的影響，修正了Ree-Eyring屈服模型與Cooperative屈服模型。開展了PMMA在不同載入率下的壓剪複合實驗研究，給出了PMMA在正應力-剪應力平面內的失效軌跡，實驗結果與理論分析吻合較好。完成了PMMA板的溫度、長度和邊界約束對其接觸爆炸切割效果影響的實驗研究，一定範圍內的溫度和長度變化對PMMA板的切割深度和破壞寬度的影響不超過5%，認為溫度和尺寸變化變化對其切割效果的影響甚微，在艙蓋真實件實驗中可以不考慮溫度和尺寸的影響。套用爆炸動力學和應力波理論，建立了條狀炸藥接觸爆炸切割PMMA板的理論分析模型，獲得了作用於PMMA不同區域的衝擊載荷表達式，分析了入射壓縮波與反射卸載波沿PMMA厚度方向傳播和相互作用過程，得到了PMMA板材切割深度的計算公式。建立了人/椅彈射救生系統穿蓋過程的解耦計算模型，分析了微爆索在艙蓋表面的敷設方案和藥量對飛行員頭部和脊柱抗衝擊損傷的影響。模擬結果表明，對於所研究的藥量範圍和敷設方案，飛行員頭部慣性力、DRI還是耐受時間均未達到人體頭部和脊柱受傷的極限值。初步開展了PMMA板在大氣中TNT爆炸作用下破壞模式和裂紋形成的實驗研究，發現其破壞模式與接觸爆炸不同，同時也獲得了藥量一定時，PMMA板的臨界安全距離。此外，建立了考慮兩種增塑劑和三種不同立構PMMA的分子模型, 套用分子動力學基本原理研究了增塑劑和高分子構型對其玻璃態轉變溫度（Tg）和力學參數(彈性模量、剪下模量和體積模量)的影響規律。為了拓寬研究內容，開展了泡沫鋁的動態壓縮行為和熱力特性研究，獲得了泡沫鋁的動態失效模式與載入速率和相對密度之間的關係。同時也獲得了泡沫鋁的表觀導熱係數與其相對密度、不規則度和厚度不均勻度之間的關係。