炸药覆盖层对爆炸焊接影响的数值模拟

为探究炸药覆盖层厚度对爆炸焊接的影响,采用ANSYS/LS-DYNA软件并结合SPH-FEM耦合算法,对不同覆层厚度下的爆炸焊接试验进行三维数值模拟.文中采用厚度为20 mm的Q235钢和厚度为2.5 mm的304不锈钢作为基板和复板.根据相应的材料参数理论计算了焊接过程中的动态参数,并以此建立爆炸焊接窗口.仿真结果表明,与无覆盖层爆炸焊接相比,覆盖层厚度为15 mm、30 mm和45 mm时冲击速度分别提高了39.3%,58.1%和68.8%,碰撞压力分别增大了41.0%,65.6%和80.6%.仿真结果与试验结果基本一致.利用SPH法进行二维数值模拟,得到了装配炸药覆盖层时复板与基板的复合界面.仿真结果表明,复合板在覆层厚度为15 mm时具有良好的波形复合界面,且界面波形与试验金相分析结果较为吻合.

Study on numerical simulation of TA1-304 stainless steel explosive welding

In order to guide the explosive welding experiment of titanium-stainless steel,Three-dimensional numerical simulation of explosive welding,which select TA1 as flyer plate and 304 stainless steel as base plate,is carried out by using the LS-DYNA software and SPH-FEM coupling algorithm in the present study.The explosive welding window is calculated and established.It is found that the numerical simulation results are in good agreement with the experimental results.The displacement,velocity and pressure-time curves of characteristic elements show that the quality of explosive welding composites is superior.It is proved that SPH-FEM coupling algorithm is effective for explosive welding of TA1/304 stainless steel and can effectively guide the selection of explosive welding parameters.

Q235钢与304不锈钢多层爆炸焊接的数值模拟研究

利用SPH-FEM耦合算法及SPH算法对Q235钢与304不锈钢多层爆炸焊接实验分别进行了三维与二维数值模拟,旨在研究多层爆炸焊接过程中动态参数分布情况及结合质量。理论计算了三维模拟中复板的碰撞压力峰值并与模拟结果进行了对比,在此基础上利用振动波及爆轰波的传播规律解释了复板压力分布特性。通过二维模拟获得了基复板波状结合界面,与实验所得波形较为吻合,验证了多层爆炸焊接实验中基复板的结合质量。模拟结果显示了相较于单层爆炸焊接,多层爆炸焊接理论上能够节省近68%的炸药量,有效节约了生产成本。

不锈钢/普碳钢双面爆炸复合的数值模拟

为了提高能量的利用率,使用双面爆炸焊接装置可以一次性得到两块复合板.借助LS-DYNA软件与光滑粒子流体动力学,采用SPH-FEM耦合算法,选取厚度为3 mm的304不锈钢、16 mm的Q235钢和乳化炸药,对不锈钢/普碳钢的双面爆炸焊接试验做了三维数值模拟,计算并建立了爆炸焊接窗口.对模拟过程中的复板竖向位移、碰撞压力和碰撞速度进行了分析,并将模拟得到的结果与试验结果进行了比较.模拟结果表明,7 mm药厚下复合质量较好,而10 mm药厚下可能会由于碰撞能量过大导致焊接失效,模拟与试验结果一致性较好.引入了Gurney公式对试验结果进行预测,计算结果显示:Gurney公式的预测结果与试验结果吻合较好,表明了SPHFEM耦合算法与Gurney公式用于不锈钢/普碳钢双面爆炸焊接的有效性.

装药方式对铜/钢爆炸焊接界面波的影响及波形成机理

为了改善爆炸焊接质量,解决高噪低效的问题,选取Cu为复板、Q235钢为基板,采用LS-DYNA软件和光滑粒子流体动力学方法分别设计了均匀布药和梯形布药方案,研究了硝铵炸药对爆炸焊接界面波的影响。均匀布药结果显示:沿着爆轰方向碰撞压力逐渐增大;炸药量越多,碰撞压力越大,界面波波形越大。梯形布药方案中,通过改变炸药起爆端和末端的高度,设计了4种方案,结果显示:梯形布药可以消除爆炸焊接界面波不均匀现象,使界面波形尺寸基本保持一致,而且节省了炸药用量;当起爆端和末端的高度分别为67.2 mm和42.0 mm时,波形效果最好。通过研究界面波的形成过程可知,SPH法模拟的界面波形成过程与复板流侵彻机理的一致性较好,证明了复板流侵彻机理解释界面波形成过程的有效性。

基于SPH法的爆炸焊接边界效应二维数值模拟

为了揭示造成爆炸焊接边界效应的机理,文中借助LS-DYNA软件,采用无网格的SPH法分别对复板厚度为2 mm、基板厚度为16 mm的Q235/Q235、TA2/Q235、304不锈钢/Q235复合板进行爆炸焊接边界效应的二维数值模拟.观察不同组模拟过程中的复板飞行姿态,复板撕裂均发生在与基板碰撞之前.当基板保持一致,炸药分别为乳化炸药与膨化铵油混合炸药,复板为TA2时均比复板为Q235钢以及304不锈钢的撕裂尺寸更大;当基板、复板均为Q235钢,乳化炸药条件下比膨化铵油混合炸药条件下复板的撕裂尺寸更大.结果表明,在复板、炸药变化的情况下,爆炸焊接的边界效应依旧存在,只是产生的边界效应的严重程度有所不同;复板极限抗拉强度越低或炸药爆轰速度越高,边界效应现象越严重.

基于不同算法的金属管棒爆炸焊接模拟

选取1060铝管/T2铜棒为爆炸复合棒制备材料,T2铜管/Q235钢管为爆炸复合管制备材料,利用ANSYS/LS-DYNA软件结合拉格朗日法、拉格朗日—欧拉耦合法(ALE法)及光滑粒子流体动力学—有限元耦合法(SPH-FEM耦合法)3种算法,对一次制备两组爆炸复合管棒的爆炸焊接试验进行数值模拟.结果表明,拉格朗日法的前期建模最为简洁,ALE法其次;模拟过程中SPH-FEM耦合法耗时最多,ALE法耗时最短;3种算法所测得的碰撞速度与理论计算值存在0.9%~5.3%的误差,其中SPH-EFM耦合法的误差最小,拉格朗日法的误差最大.利用管材内部的能量累积原理解释了焊接过程中外部复合管出现的扩径情况,并结合T2铜管/Q235钢管复合界面的压力分布验证了所产生的现象.

爆炸焊接参数对钽/304不锈钢界面波形影响的数值模拟

为了研究爆炸焊接参数对界面波形的影响,对钽/304不锈钢的爆炸焊接进行了二维数值模拟,模拟得到了不同碰撞角和碰撞速度的界面波。由输出模拟界面处波形图可观测到钢在爆轰过程中被拉长且在涡旋处强烈弯曲;测量波的波长以及波幅发现,当碰撞速度一定时,比波长由小到大依次为碰撞角12.2°、碰撞角14.1°、碰撞角16.4°;碰撞角一定时,碰撞速度为633 m/s界面波长和波幅小于碰撞速度为735 m/s时的界面波长和波幅;速度水平方向的数值大小与波长数值的大小一致性较好,速度竖直方向的数值大小与波幅数值的大小一致性较好。结果表明,结合界面处和界面附近的钢侧均发现了明显的解理断裂特征;界面处比波长与碰撞角呈正相关;碰撞速度越大,界面波长和波幅也越大;速度水平方向的分量决定波长数值的大小,速度竖直方向的分量决定波幅数值的大小。

TA2箔/Q235钢爆炸焊接数值模拟研究

选用厚度0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm和0.4 mm的TA2箔复板,厚度20 mm的Q235钢基板,利用ANSYS/LS-DYNA软件并结合光滑粒子流体动力学理论对不同复板厚度下的爆炸焊接实验进行三维数值模拟。计算了焊接过程中的各动态参数并建立了爆炸焊接窗口,使用纵向位移观察、特征点压力记录、碰撞速度测试等,对处于爆炸焊接窗口内不同位置的基复材料的结合质量进行分组对比,结论是爆炸焊接窗口能有效预测TA2箔爆炸焊接的结合质量。模拟结果中所得各动态参数与计算数据基本吻合,充分证明利用爆炸焊接在Q235钢上涂覆TA2箔具备可行性。

钽箔/Q235钢爆炸焊接二维数值模拟

为了研究钽箔与低碳钢在爆炸复合过程中波状界面的形成机理,采用SPH方法对防护层厚度为1 mm的铝板、复板厚度为0.2 mm钽箔和基板厚度为20 mm的Q235低碳钢进行爆炸复合二维数值模拟。输出模拟界面处粒子的波状图,在微米尺度下未观察到孔洞与裂纹;测量波的波长及振幅分别为110μm和30μm。结果表明:模拟效果与试验效果契合较好。输出界面最大压力以及最高温度曲线图,界面附近的材料既能满足高温条件,又满足大塑性应变条件,钢晶粒在爆轰过程中被拉长且在涡旋处强烈弯曲,且很明显看到在交界面和靠近界面的钢附近均有解理断裂特征。结果均显示钽箔/Q235复合板的焊接质量良好,因此也证明了该方法用于稀有金属与普通金属爆炸复合的准确性。

基复板间隙对SUS304不锈钢/Q345R碳钢爆炸焊接影响的数值模拟研究

在爆炸焊接诸多工艺参数中,间隙是影响焊接质量的重要工艺参数,为了研究基复板间隙不同引起的复合板结合强度的差异从而更好地指导不锈钢-碳钢爆炸焊接的实际生产,利用LS-DYNA软件,采用SPH-FEM耦合的方法,选取SUS304不锈钢为复板、Q345R碳钢为基板,并分别在6/8/10 mm 3种不同间隙下对爆炸焊接的复合过程进行三维数值模拟,计算并建立了复合板的爆炸焊接窗口。研究结果表明:模拟结果与实验结果相近,3组模拟结果中复板碰撞速度均在爆炸焊接窗口内,表明3组复合板结合质量较好。当基板与复板间距逐渐增大,结合界面波长先增大后减小,在间距为8 mm时波长最大,且此时复合板剪切强度相较于其他两组实验较高,爆炸焊接的质量较好。