电爆炸驱动飞片的仿真
explo-py2022/06/04原创 高电压技术物理
关键词
电爆炸 状态方程 能量沉积 飞片驱动

modelEFI.jpg

       金属导体在强脉冲电流的作用下会因为能量的迅速积累而发生快速相变,转化为高温等离子体,进而出现爆炸现象。利用这种现象,军工科研人员研制了爆炸丝雷管,爆炸箔起爆器等,用于直列式起爆序列等应用场景。同时,电爆炸驱动飞片也常作为材料高压特性研究中的脉冲高压源。本报告基于爆炸箔驱动飞片过程进行仿真研究,以探究电爆炸驱动过程的特点。

       首先以南京理工大学曹始发的硕士论文中给出的尺寸作为我们算例中的结构尺寸,其中飞片材料为聚酰亚胺,厚度25微米。爆炸箔材质为铜,厚度5微米,长度和宽度均为0.3毫米。加速膛材质为蓝宝石玻璃,尺寸为Φ0.45毫米×0.40毫米。基板(底板)的材质为三氧化二铝陶瓷。仿真软件使用ANSY/LS-DYNA,采用ALE耦合方法建立二维1/2模型,其中的空气域和铜等离子体采用Euler算法,基板、加速膛和飞片采用Lagrange算法,选择爆炸力学数值模拟中常用的cm/g/μs单位制。仿真模型图如下图所示:


       考虑空气域,一共需要五种材料模型参数:三氧化二铝陶瓷、蓝宝石玻璃、聚酰亚胺、空气,和铜等离子体。其中除铜等离子体外其他四种均可以通过相关文献直接查到,在此不作赘述。而对于铜等离子,考虑到其在P-V膨胀做功关系上应该与γ律状态方程具有相似之处,使用LS-DYNA中的空白材料模型与线性多项式状态方程描述其本构关系及膨胀做功过程。

       其中,线性多项式状态方程的形式如(1)所示:

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E

μ=(ρ/ρ0)-1

当C0=C1=C2=C3=C6=0,且C4=C5=γ-1时,此时该状态方程等效为γ律状态方程,不过要注意的是此时气体内能E的单位不再是焦耳,而应当与压力的单位相同。

       可以看到,要建立铜等离子材料模型,主要需要确定其初始密度ρ0、等熵指数γ、内能E三种参数。对于ρ0,考虑到铜箔在脉冲大电流作用下所发生的从固态到等离子体态之间的转变可视为瞬态过程,因此将ρ0值设置为8.9g/cm3。对于γ,我们取其值为2.0。对于能量E,其值应当与输入电能有关,将沉积能量设置为0.5J,则可以算出E值:

E=(5×10-6/(0.03×0.03×0.0005))/8.9≈1.25

就这样,我们得到了需要的参数,输入k文件中,然后带入ANSYS/LS-DYNA求解器进行求解,得到了仿真结果,如下所示:

EFIt=0us.jpg

EF1T=1.jpg

EF1T=2.jpg EF1T=3.jpg EF1T=4.jpg

从数值模拟结果的压力云图可以看到,在铜等离子体高压作用下聚酰亚胺被迅速剪切形成飞片,我们进一步导出飞片的速度,如下所示:

flyercurve.jpg

从飞片速度曲线中也可以看到飞片的速度在初始阶段迅速升高,然后逐渐趋于稳定。这也与采用PDV、VISAR等实验手段测得的飞片速度变化规律一致。

       不过需要注意的是,本报告所做的数值模拟并不能够反映爆炸箔初期在脉冲大电流作用下的迅速相变过程,这也是下一步需要仔细考虑和改进的地方。




来自:电气工程 / 高电压技术数理化 / 物理
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8
量子隧道
2个月9天前
1楼

同样的起爆成功率下,引爆同一种猛炸药,例如PETN,桥丝和飞片,哪个对电能量的需求更低?

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RodTech
2个月8天前
2楼

这个实际实验还挺有钱途的,某些公司大力在折腾这种方法做fusion,实测使用mopa光纤激光干涉仪,单频光源配光纤放大器,然后上百gsps的大带宽示波器直接采检波二极管

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explo-py作者
2个月1天前
3楼
引用量子隧道发表于1楼的内容
同样的起爆成功率下,引爆同一种猛炸药,例如PETN,桥丝和飞片,哪个对电能量的需求更低?

飞片起爆对于PETN和超细HNS这类对高压短脉冲敏感的炸药起爆效率更高。

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explo-py作者
2个月1天前
4楼
引用RodTech发表于2楼的内容
这个实际实验还挺有钱途的,某些公司大力在折腾这种方法做fusion,实测使用mopa光纤激光干涉仪,...

我和搞这个专业的博士聊过,他说电爆箍缩技术本身已经研究得很成熟,就是建造和使用成本高,想达到Fusion的程度只能做成美国的Z机或中国的聚龙一号那种,功率特别大。

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