復合裝藥結(jié)構(gòu)隔板實驗與數(shù)值模擬

向梅，黃毅民，饒國寧，彭金華

(1.南京理工大學 化工學院，江蘇 南京210094;2.中國工程物理研究院 化工材料研究所，四川 綿陽621900)

0 引言

在戰(zhàn)斗部裝藥中，常常將鈍感炸藥和高能炸藥組成復合結(jié)構(gòu)使用，這樣的結(jié)構(gòu)既解決了鈍感彈藥的能量輸出較小的問題，又在一定程度上保證了整體裝藥結(jié)構(gòu)具有一定的安全性。多年來國內(nèi)外學者都對其作了大量的研究。Aminov 等［1］對以TATB為基的炸藥沖擊波感度實驗進行了數(shù)值模擬研究，建立了其以熱點假說為前提的動力分解模型;Kobylkin 等［2］設計了一種測試沖擊波感度的實驗方法，并得到了不同裝藥的沖擊波感度的定量數(shù)值;陳熙蓉等［3］準確地測量了沖擊波在不同材料隔板中的行進距離隨時間的變化關系，計算得到了隔板中不同厚度處的沖擊波速度和沖擊波壓力;王慧君等［4］將炸藥的水下爆炸能量測試方法與沖擊波感度測試方法相結(jié)合，得到6 種炸藥沖擊波感度的相對排序;劉玉存等［5-6］采用SSGT 小隔板試驗揭示了主體炸藥HMX 粒度和粒度級配對塑料粘結(jié)炸藥沖擊波感度和爆炸輸出能量的影響以及炸藥粒度對熱點點火過程的影響;曾代朋等［7］將數(shù)值計算的方法引入隔板實驗中，并驗證了實驗值和計算值的一致性。目前對復合裝藥的沖擊波感度還很少見到報導，本文對復合裝藥結(jié)構(gòu)的沖擊波感度進行了實驗研究，結(jié)合數(shù)值計算，對不同隔板厚度的沖擊起爆及反應閾值以及不同的隔板材料的沖擊波感度進行了分析。

1 實驗方法和數(shù)值模擬

1.1 隔板實驗

隔板實驗是在標準主發(fā)藥和被發(fā)藥之間加惰性隔板，主發(fā)藥柱產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)過惰性隔板材料衰減后作用于被發(fā)藥端面，通過改變隔板厚度，或變換沖擊阻抗不同的隔板材料，調(diào)節(jié)輸入被發(fā)藥中的沖擊波強度并阻擋主發(fā)藥的爆炸產(chǎn)物對被發(fā)藥的沖擊加熱作用，測定發(fā)生爆轟的隔板厚度，其一定爆轟率的隔板厚度簡稱隔板值，以此表征試樣的沖擊波感度，隔板值越大，表明炸藥對沖擊波越敏感。

隔板實驗程序參考的標準為GJB772A—1997炸藥試驗方法(方法605.1 沖擊波感度—卡片式隔板法)。實驗步長為1.14 mm，有效實驗次數(shù)不小于20 次，實驗后如見證板上有明顯的孔，判為爆轟，否則判為未爆轟。試樣50%發(fā)生爆轟的隔板值G50依據(jù)上述標準中的方法進行計算得到。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiment assembly

隔板實驗裝置如圖1所示，隔板材料采用LY12，主發(fā)藥柱用φ20 mm×40 mm 的高能炸藥JO-9159 炸藥，密度為1.860 ±0.002 g/cm3.待測復合藥柱的尺寸為φ20 mm×40 mm，上層為鈍感炸藥JB-9014(密度為1.888 ±0.002 g/cm3)，下層為高能炸藥JO-9159，其具體結(jié)構(gòu)和尺寸見圖2.

圖2 待測試樣結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of tested explosive

對4 種不同結(jié)構(gòu)的復合裝藥進行隔板實驗結(jié)果列于表1中，可以看到隨著被發(fā)藥柱端頭的鈍感炸藥厚度的增加，復合裝藥的沖擊波感度G50值與x =h1/(h1+h2)呈一階指數(shù)衰減關系:

式中e 為某常量。

表1 隔板實驗測試結(jié)果Tab.1 Gap tests results

圖3 復合藥柱G50值與h1/(h1 +h2)的關系Fig.3 The relationship between G50 and h1/(h1 +h2)of composite charge cylinder

從圖3可以看到復合裝藥結(jié)構(gòu)的隔板值介于高能炸藥和鈍感炸藥之間，受鈍感炸藥的影響明顯，采用該結(jié)構(gòu)在沖擊波載荷下的安全性明顯高于單一高能炸藥裝藥。

1.2 數(shù)值模擬

利用顯式有限元程序AUTODYN 對上述實驗進行模擬。由于復合藥柱為軸對稱幾何結(jié)構(gòu)，因此在計算時建立二維模型，如圖4所示。網(wǎng)格大小為0.5 mm×0.5 mm.炸藥和空氣選擇Euler 求解器，隔板選擇Lagrange 求解器，在被發(fā)藥柱軸向設置10 個測試點。

圖4 數(shù)值模擬模型Fig.4 Numerical simulation model

炸藥模型采用點火增長模型［8-10］，假設點火起始于系統(tǒng)熱點，并從這些熱點開始延伸增長。

式中:F 為化學反應度;p 為壓力(GPa);v，v0為炸藥比容;I、G1、G2、a、b、c、d、e、g、x、y、z 為相關常數(shù)，具體值見下表。(2)式右邊第1 項為熱點的形成及點火，第2 項為熱點的反應成長，第3 項為反應的快速完成。

表2 炸藥點火增長模型參數(shù)Tab.2 Ignition and growth model parameters of explosives

空氣材料選擇理想氣體狀態(tài)方程，密度ρ =0.001 225 g/cm3，多方指數(shù)γ=1.4，定容比熱容Cv=0.717 6 J/(g·K);隔板材料LY12 滿足沖擊絕熱關系us=c0+λup.其中us為沖擊波速度;up為波后粒子速度，c0=3 320 m/s，λ =1.424，密度ρ =2.8 g/cm3，Gruneisen 系數(shù)為2.

在上下結(jié)構(gòu)復合裝藥條件下，由于采用的點起爆方式，在柱形裝藥結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生曲面爆轟波，衰減后的沖擊波曲率半徑變大，繼續(xù)在鈍感炸藥中傳播，沖擊波在兩種不同炸藥的交界面處發(fā)生反射和折射后，繼續(xù)在高能炸藥中傳播。其間的傳播過程較為復雜，取決于兩種藥的爆轟性能、隔板材料、隔板厚度、以及試樣的結(jié)構(gòu)比例。

在數(shù)值模擬情況下，通過觀察模型中不同位置的壓力峰值的變化趨勢來判定復合裝藥是否發(fā)生了爆轟。圖5為復合裝藥發(fā)生爆轟的情況，沿著爆轟波傳播的方向，測試點壓力峰值逐漸上升。圖6為“未爆轟”的情況，測試點的壓力峰值隨時間增加呈下降狀態(tài)。

圖5 檢測點壓力-時間曲線1Fig.5 p-t curve 1 of the test points

圖6 檢測點壓力-時間曲線2Fig.6 p-t curve 2 of the test points

依據(jù)上述判定方法，分別對上述4 種復合結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，結(jié)果如表3所示，數(shù)值模擬誤差小于8%，表明構(gòu)建模型合理，結(jié)果可信。

表3 實驗模擬比對結(jié)果Tab.3 Comparison between the experimental and simulated results

2 計算結(jié)果與分析

2.1 沖擊起爆反應閾值

為了得到復合藥柱的沖擊起爆閾值，利用前文所構(gòu)建的模型模擬了隔板材料為LY12，h1為10 mm，h2為10 mm 時，不同隔板厚度下的入射壓力峰值及∫p2dt 值，計算結(jié)果如表4所示，對應的入射壓力波形如圖7所示。由表4可以看出隔板厚度由8 mm變化到12 mm，壓力峰值由16.9 GPa 下降到11.4 GPa，而幅度較大，因此用值來評估炸藥的沖擊起爆及反應閾值更加合理［7］。

表4 不同厚度隔板的入射壓力峰值及∫p2dt 值Tab.4 The incident peak pressure and∫p2dt in different gap thickness

2.2 不同隔板材料

對于復合裝藥結(jié)構(gòu)的∫p2dt 的計算只需要考慮隔板材料的沖擊阻抗不同對入射波的衰減影響。為了使各種材料具有可比性，選擇被測藥h1為0 mm，h2為20 mm，即被測藥為JO-9159 炸藥的結(jié)構(gòu)，分別以LY12、有機玻璃、45#鋼為隔板材料進行模擬計算，同時將鈍感炸藥JB-9014 作為隔板材料也進行比較計算?？諝獠牧虾蚅Y12 的狀態(tài)方程及參數(shù)同1.2 節(jié)，有機玻璃、45#鋼、未反應JB-9014 亦滿足沖擊絕熱關系，其參數(shù)見表5，JB-9014 炸藥仍采用點火增長模型，其參數(shù)見表2.

圖7 不同厚度隔板的入射壓力波Fig.7 The incident pressure curves of different gap thickness

表5 不同隔板材料物性參數(shù)Tab.5 The parameters of different gap materials

計算結(jié)果見表6所示，入射壓力波形如圖8所示。

表6 不同隔板材料的計算結(jié)果Tab.6 The calculated results of different gap material

由計算結(jié)果可知，被測炸藥的鋁隔板值最大，其次是有機玻璃隔板值，鋼隔板值最小。JB-9014 作為未反應炸藥和反應炸藥得到的隔板值一致。未反應JB-9014 在充當隔板材料時，將其視為惰性材料;而JB-9014 充當隔板材料時，將其視為可發(fā)生反應的正常炸藥。實際上表現(xiàn)了主發(fā)藥沖擊波在鈍感炸藥中非理想爆轟作用后能否使被發(fā)的JO-9159發(fā)生爆轟，與鈍感材料對沖擊波的衰減作用不同，這里的隔板厚度值不能作為評價炸藥沖擊波感度的依據(jù)。在隔板厚度相同時，鋼中的沖擊波壓力最高，但衰減最快，在有機玻璃中壓力最低，衰減慢。

圖8 不同隔板材料入射壓力波Fig.8 The incident pressure curves of different gap material

鋁、有機玻璃、鋼隔板和未反應JB-9014 炸藥的爆轟反應閾值在9～12 GPa2·s 左右，而以鈍感炸藥JB-9014 為隔板材料時，其隔板值介于鋁、有機玻璃隔板值和鋼隔板值之間，由于其本身存在化學反應，因此得到的∫p2dt 值不能作為爆轟反應閾值。

3 結(jié)論

1)從4 種不同結(jié)構(gòu)的復合裝藥的隔板實驗結(jié)果看到隨著被發(fā)藥柱端頭的鈍感炸藥厚度增加，復合裝藥的沖波感度G50值與x =h1/(h1+h2)成一階指數(shù)衰減關系，裝藥時采用復合裝藥結(jié)構(gòu)能夠提升整體裝藥的安全性;

2)利用顯式有限元軟件AUTODYN 對隔板實驗進行數(shù)值模擬，得到的結(jié)果與實驗結(jié)果吻合;

3)用∫p2dt 值評估隔板實驗的爆轟反應閾值較為合理，通過數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)鈍感材料鋁和有機玻璃對沖擊波的衰減作用近似，得到接近的隔板值，鋼隔板由于其內(nèi)沖擊波衰減較快，得到的隔板值較小。而以JB-9014 作為未反應炸藥和反應炸藥得到的隔板值一致，介于鋁、有機玻璃隔板值和鋼隔板值之間，但不能將反應JB-9014 炸藥的∫p2dt 值作為炸藥的起爆反應閾值的依據(jù)。

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