爆炸焊接三维数值模拟

第２８卷第５期焊接学报ｖ０１．２８Ｎｏ．５２００７年５月ＴＲＡＮＳＡＣ７ⅡＯＮＳ０ＦＴＨＥＣＨＩＮＡＷＥＩＤＩＮＧＩＮＳＴＴＩＴ【７ｒ１１０ＮＭａｙ２００７

爆炸焊接三维数值模拟

王建民，朱锡，刘润泉

（海军工程大学船舶与海洋工程系，武汉４３０Ｑ３３）

摘要：采用非线性有限元软件ＭＳＣ．Ｄｙｔｒａｎ对爆炸焊接过程进行了三维数值模拟，获

得了爆炸焊接过程中速度及界面压力的分布及其大小，并与经验公式的理论计算结果

进行了比较。结果表明，爆炸焊接数值模拟的结果与理论计算值基本相符，所建数值模

型准确，Ｄｙ嘶ｎ可较好的模拟爆炸焊接过程，计算爆炸焊接过程中的压力及速度变化分

布，但不能对爆炸焊接过程中的射流及波形特征进行模拟。通过三维数值模拟可方便

地了解爆炸焊接过程，对爆炸焊接工艺参数的选择提供参考。

关键词：爆炸焊接；数值模拟；压力；速度

中图分类号：ｒＩ倘６．６文献标识码：Ａ文章编号：０２５３—３６０ｘ（２０ｃｒ７）０５—１０９—０４工惩凡

Ｏ序言爆炸焊接是一种以炸药为能源的特殊焊接技术，其最大特点是能够将任意金属快速地焊接起来，特别适用于异种金属问的焊接。目前爆炸焊接在工程领域已得到广泛应用。

爆炸焊接发展至今，已经进行了大量的理论研究与试验研究，而在数值模拟研究方面却少见报道，

国内外仅有少数学者对此进行了研究。Ａｋｉｈｉｓａ等用二维有限微分方法模拟了爆炸焊接过程中波状界面的产生机理，并对波状界面的涡流参数值进行了定量分析。认为剪力流和周期性波动是产生波状界面的重要因素，得出波状界面的波高和波长比与涡流状区域中心的纵间距和横间距比分别接近于常数Ｏ．３和Ｏ．２２的结论［１，２｜。文献［３，４］利用威廉斯堡（ｗＢＧ）状态方程与ＡＩ肿叭Ⅲ软件结合模拟了爆炸焊接的全过程，通过对网格的细化模拟出了爆炸焊接射流的形成。ＯｂｅＴｇ采用拉格郎日方法模拟了爆炸焊接过程射流的形成ｌ５｜。Ａｋｂａ而一Ｍ０ｕｓａｖ利用有限元法分析了爆炸载荷下金属板的瞬态响应问题№Ｊ。由于爆炸焊接过程的不可接触性和瞬时性，直接对爆炸焊接过程进行试验测试尚存在一定困难。对爆炸焊接进行数值模拟研究就显得尤为必要。此外，爆炸焊接工艺复杂，爆炸焊接参数较多，即包括静态参数如炸药类型、装药密度、间隙等，也

包括动态参数如碰撞速度、碰撞角、炸药爆速等。通

过对数值模拟可方便的了解爆炸焊接过程，优化焊接参数，有效地减少试验次数，降低试验成本，因此爆炸焊接过程的数值模拟研究具有重要意义。１爆炸焊接的基本理论

在爆炸焊接过程中，复板获得了爆轰波和爆炸产物的能量之后，转化成高速运动的动能，在几个微秒的时间内就被加速到每秒几百米的速度，然后和基板相撞，在碰撞区产生很高的压力。复板的运动速度是确定碰撞区压力大小和分布形态的重要因素。因此国内外很多学者对复板运动过程进行了定量的计算和讨论，目前工程上较为常用的复板运动速度的计算公式有一维格尼（Ｇｕｍｅｙ）公式、阿述兹（Ａｚｉｚ）公式、特里巴斯（且ｐｐ幽ｃ）公式及列契脱（Ｒｉｃｈｔｅｒ）二维计算公式［７ｌ。尽管这些公式在其推导过程中都进行了一些近似假设，从理论上来讲都有缺陷，但因有些因素的相互抵消作用，反而使得用这些公式计算出的结果与实际的测量结果近似。

文献［７］利用复变函数理论推导了爆炸焊接的速度场与压力场分布。公式（１）为碰撞点附近的速度场分布

老＝≮掣＝矿面万高患爱焉赢丽ｉ丽，（１）雷＊面＊（１一ｑｃｏｓｐ＋７’ｓｉｎｐｃｏｓ以）２＋ｉ（孤ｉｎ卢ｓｉｎ以一手ｃｏｓ卢）２’、１

７

收稿日期：２００６一０４—２９

式中：ｐ为碰撞角；ｇ与亭分别为实部与虚部；为简化

　万方数据