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【摘 要】利用压缩橡胶件的密封方式具有结构简单、生产成本低等特点，所以被广泛应用，某抗水型电雷管即采用该密封方式。文中建立了该抗水型电雷管的密封结构的二维有限元模型，数值求解模型，获得了密封结构的接触应力和橡胶塞与塑料导爆管的应力分布云图。分析结果表明，数值模拟结果与实验数值吻合较好，可为电雷管密封结构的设计提供参考。
【关键词】电雷管；密封；数值模拟
0.引言
雷管是爆破工程的主要起爆材料，它的作用是产生起爆能来引爆各种炸药及导爆索、传爆管。雷管自问世以来，一直都被广泛应用于军事、民用爆破等领域，且雷管家族也在一直发展壮大。特别是在20世纪80年代末，电子雷管技术的成熟和工程化，开始了雷管工业的新阶段。在民用爆破领域上，电雷管广泛应用于矿产开采、工程爆破等场合，通常这些使用场合的环境都比较恶劣，特别是会经常遇到侵水的情况。因此，一般电雷管都要求具有一定的抗水性能。对于影响电雷管抗水性能的因素，国内外已有很多学者从不同方面进行了研究，并通过试验进行了验证。
1.物理模型
如图1所示为某抗水型雷管结构示意图。
图1抗水型雷管结构示意图
其中，导爆管材料为高压聚乙烯，弹性模量E=0.172E9，泊松比μ=0.439；雷管壳材料为钢，弹性模量E=2.1E1，泊松比μ=0.280；橡胶塞材料为普通橡胶，橡胶硬度为70HS。
2.有限元模型建立
橡胶作为一种各向同性、高弹性且压缩性小的材料，其不仅具有类似于金属材料的弹性性质而且具有类似于粘性液体的吸收能量的性质[2]。在有限元建模时，通常被处理为超弹性材料模型。一般工程上广泛采用Mooney-Rivlin二参数模型来描述其应力与应变的非线性关系。Mooney-Rivlin二参数模型，首先假设橡胶是不可压缩的，且材料在未应变状态时各向同性，其应变能表达式如下：
（1）
式（1）中，W为应变能；I1，I2为应变不变量；C10，C01为材料参数，通常这两个参数要通过实验获得，本文根据参考文献中的材料系数确定方法进行选取，取在C01/C10=0.05、橡胶硬度70HS时的系数值：C10=0.8796，C01=0.0440。
由于塑料导爆管在使用要求中不能有塑性变形且变形量要小，故有限元分析中可将其作为线弹性材料处理。
由于雷管壳材料的弹性模量远大于橡胶塞材料，且在装掐过程中有工装保证其装掐尺寸，因此在有限元分析模型中可将雷管壳作为刚体材料处理。
根据雷管的密封结构几何形状、边界条件及所受载荷形式可知，该三维模型可以简化为平面轴对称模型进行求解，这样可以有效的减少问题的求解耗时。模型中单元类型选择PLANE183单元，该单元具有模拟塑性、蠕变、应力刚度、大变形及大应变的能力，可以模拟接近不可压缩的弹塑性材料的变形问题[3]。模型中涉及接触问题，本文采用Lagrange乘子法进行求解，接触单元为CONTA172单元，目标单元为TARGE169单元。
3.计算结果与分析
3.1接触面接触应力分布
经研究橡胶塞压缩0.27mm情况下，雷管壳与橡胶塞之间的最大接触应力值为1.68Mpa，位于接触位置中间处，接触应力自中间位置向两侧逐步递减趋势。橡胶塞与塑料导爆管之间的最大接触应力值为0.375Mpa，同样产生在接触位置中间处，接触应力也是自中间位置向两侧逐步递减趋势。
3.2橡胶塞与塑料导爆管等效应力分布应力
如图2所示，为橡胶塞压缩0.27mm情况下的橡胶塞与塑料导爆管等效应力云图。橡胶塞最大应力值1.16Mpa，位于橡胶塞内部靠近雷管壳一侧。塑料导爆管的最大应力值0.912Mpa，位于塑料导爆管内壁表面处。
图2压缩0.27mm的等效应力云图
3.3密封性能分析
密封件受压后，会在接触面产生接触应力，当接触应力与密封压力满足（2）时，可认为密封性能良好[2]。
（2）
式中，为密封件系数，与密封件的材料、形状、接触面状况有关，一般取≥1.15，本文取值1.15。
根据电雷管的密封结构特点，在计算电雷管密封压力时，接触应力取雷管壳与橡胶塞和橡胶塞与塑料导爆管两个接触面中较小的接触应力值。从分析结果可知，橡胶塞与塑料导爆管接触面中的接触应力值较小，因此，计算用接触应力值为0.375Mpa。一般工程中通常取安全系数3时，认为能够满足密封要求。经计算得，在接触应力0.375Mpa时，可满足0.108Mpa的密封压力。这一数值与该型电雷管30米水深抗水试验无泄漏的结果较吻合，表明模拟结果具有一定的参考性。
3.4塑料导爆管应力分析
根据导爆管受橡胶塞挤压后的结构等效应力分布可知，导爆管最大等效应力值为0.912Mpa，产生在导爆管的内表面，这一数值远小于导爆管材料的强度极限，且变形量微小，因此，可以认为导爆管满足使用要求。也与实际中的导爆管受压未发生破坏且工作可靠的现象吻合，也表明模拟结果具有一定的参考性。
4.结论
通过以上数值仿真结果分析可知，使用数值仿真的方法对电雷管密封特性的研究具有可行性，可以为研过程提供一定的参考价值。但是由于数值模拟过程中做了大量的假设及模型部分参数缺乏精确性，这些都不可避免的影响了模拟结果的精确性，因此，数值模拟技术并不能完全代替实物的试验。
参考文献：
[1]刘杰，许进，郑礼化.抗水型毫秒延期电雷管技术实践.煤矿爆破，2007（2）.
[2]袁明，雷震宇等.基于ANSYS的O型橡胶密封件防水性能研究.中国建筑防水，2011（2）35-38.
【关键词】电雷管；密封；数值模拟
0.引言
雷管是爆破工程的主要起爆材料，它的作用是产生起爆能来引爆各种炸药及导爆索、传爆管。雷管自问世以来，一直都被广泛应用于军事、民用爆破等领域，且雷管家族也在一直发展壮大。特别是在20世纪80年代末，电子雷管技术的成熟和工程化，开始了雷管工业的新阶段。在民用爆破领域上，电雷管广泛应用于矿产开采、工程爆破等场合，通常这些使用场合的环境都比较恶劣，特别是会经常遇到侵水的情况。因此，一般电雷管都要求具有一定的抗水性能。对于影响电雷管抗水性能的因素，国内外已有很多学者从不同方面进行了研究，并通过试验进行了验证。
1.物理模型
如图1所示为某抗水型雷管结构示意图。
图1抗水型雷管结构示意图
其中，导爆管材料为高压聚乙烯，弹性模量E=0.172E9，泊松比μ=0.439；雷管壳材料为钢，弹性模量E=2.1E1，泊松比μ=0.280；橡胶塞材料为普通橡胶，橡胶硬度为70HS。
2.有限元模型建立
橡胶作为一种各向同性、高弹性且压缩性小的材料，其不仅具有类似于金属材料的弹性性质而且具有类似于粘性液体的吸收能量的性质[2]。在有限元建模时，通常被处理为超弹性材料模型。一般工程上广泛采用Mooney-Rivlin二参数模型来描述其应力与应变的非线性关系。Mooney-Rivlin二参数模型，首先假设橡胶是不可压缩的，且材料在未应变状态时各向同性，其应变能表达式如下：
（1）
式（1）中，W为应变能；I1，I2为应变不变量；C10，C01为材料参数，通常这两个参数要通过实验获得，本文根据参考文献中的材料系数确定方法进行选取，取在C01/C10=0.05、橡胶硬度70HS时的系数值：C10=0.8796，C01=0.0440。
由于塑料导爆管在使用要求中不能有塑性变形且变形量要小，故有限元分析中可将其作为线弹性材料处理。
由于雷管壳材料的弹性模量远大于橡胶塞材料，且在装掐过程中有工装保证其装掐尺寸，因此在有限元分析模型中可将雷管壳作为刚体材料处理。
根据雷管的密封结构几何形状、边界条件及所受载荷形式可知，该三维模型可以简化为平面轴对称模型进行求解，这样可以有效的减少问题的求解耗时。模型中单元类型选择PLANE183单元，该单元具有模拟塑性、蠕变、应力刚度、大变形及大应变的能力，可以模拟接近不可压缩的弹塑性材料的变形问题[3]。模型中涉及接触问题，本文采用Lagrange乘子法进行求解，接触单元为CONTA172单元，目标单元为TARGE169单元。
3.计算结果与分析
3.1接触面接触应力分布
经研究橡胶塞压缩0.27mm情况下，雷管壳与橡胶塞之间的最大接触应力值为1.68Mpa，位于接触位置中间处，接触应力自中间位置向两侧逐步递减趋势。橡胶塞与塑料导爆管之间的最大接触应力值为0.375Mpa，同样产生在接触位置中间处，接触应力也是自中间位置向两侧逐步递减趋势。
3.2橡胶塞与塑料导爆管等效应力分布应力
如图2所示，为橡胶塞压缩0.27mm情况下的橡胶塞与塑料导爆管等效应力云图。橡胶塞最大应力值1.16Mpa，位于橡胶塞内部靠近雷管壳一侧。塑料导爆管的最大应力值0.912Mpa，位于塑料导爆管内壁表面处。
图2压缩0.27mm的等效应力云图
3.3密封性能分析
密封件受压后，会在接触面产生接触应力，当接触应力与密封压力满足（2）时，可认为密封性能良好[2]。
（2）
式中，为密封件系数，与密封件的材料、形状、接触面状况有关，一般取≥1.15，本文取值1.15。
根据电雷管的密封结构特点，在计算电雷管密封压力时，接触应力取雷管壳与橡胶塞和橡胶塞与塑料导爆管两个接触面中较小的接触应力值。从分析结果可知，橡胶塞与塑料导爆管接触面中的接触应力值较小，因此，计算用接触应力值为0.375Mpa。一般工程中通常取安全系数3时，认为能够满足密封要求。经计算得，在接触应力0.375Mpa时，可满足0.108Mpa的密封压力。这一数值与该型电雷管30米水深抗水试验无泄漏的结果较吻合，表明模拟结果具有一定的参考性。
3.4塑料导爆管应力分析
根据导爆管受橡胶塞挤压后的结构等效应力分布可知，导爆管最大等效应力值为0.912Mpa，产生在导爆管的内表面，这一数值远小于导爆管材料的强度极限，且变形量微小，因此，可以认为导爆管满足使用要求。也与实际中的导爆管受压未发生破坏且工作可靠的现象吻合，也表明模拟结果具有一定的参考性。
4.结论
通过以上数值仿真结果分析可知，使用数值仿真的方法对电雷管密封特性的研究具有可行性，可以为研过程提供一定的参考价值。但是由于数值模拟过程中做了大量的假设及模型部分参数缺乏精确性，这些都不可避免的影响了模拟结果的精确性，因此，数值模拟技术并不能完全代替实物的试验。
参考文献：
[1]刘杰，许进，郑礼化.抗水型毫秒延期电雷管技术实践.煤矿爆破，2007（2）.
[2]袁明，雷震宇等.基于ANSYS的O型橡胶密封件防水性能研究.中国建筑防水，2011（2）35-38.