不同升溫速率下復(fù)合藥柱烤燃實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究＊

向 梅，黃毅民，饒國(guó)寧，彭金華

（1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽(yáng) 621999）

彈藥的烤燃實(shí)驗(yàn)是針對(duì)彈藥在制造、存貯、運(yùn)輸及實(shí)戰(zhàn)環(huán)境中可能會(huì)遭受意外的熱刺激而設(shè)計(jì)的，用來(lái)檢驗(yàn)彈藥對(duì)意外熱刺激的敏感程度和發(fā)生反應(yīng)時(shí)的劇烈程度。研制低易損性彈藥的一個(gè)要求就是服役彈藥應(yīng)對(duì)熱刺激不敏感，不易形成熱點(diǎn)和發(fā)生點(diǎn)火，即使點(diǎn)火，也不轉(zhuǎn)為爆轟。烤燃實(shí)驗(yàn)對(duì)于炸藥的設(shè)計(jì)和安全性評(píng)估具有十分重要的意義，標(biāo)準(zhǔn)烤燃實(shí)驗(yàn)屬于唯象的定性實(shí)驗(yàn)，并且烤燃實(shí)驗(yàn)成本高、危險(xiǎn)性大。數(shù)值模擬方法能夠很好地再現(xiàn)烤燃實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)，得到更準(zhǔn)確的炸藥熱安全特性。J.C.Gois等［1］運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)快烤和慢烤實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并比較了不同的動(dòng)力學(xué)模型在鈍感彈藥烤燃實(shí)驗(yàn)計(jì)算中的區(qū)別。J.?ele?ovsky等［2］運(yùn)用有限元程序LS－DYNA3D對(duì)塑料粘結(jié)炸藥SEMTEX1A慢速烤燃過(guò)程中的熱傳導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算。M.A.McClelland等［3］、W.H.Howard等［4］對(duì)炸藥快烤和慢烤實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬計(jì)算，并在計(jì)算中考慮了炸藥和殼體間空氣間層對(duì)烤燃過(guò)程的影響。馮曉軍等［5－6］運(yùn)用自行研制的烤燃實(shí)驗(yàn)裝置，研究探討了炸藥裝藥尺寸和孔隙率對(duì)烤燃響應(yīng)特性的影響。

本文中，烤燃實(shí)驗(yàn)的裝置和步驟依據(jù)GJB 772A－1997《炸藥試驗(yàn)方法》中第608.1條設(shè)計(jì)，測(cè)試試樣為內(nèi)外層結(jié)構(gòu)裝藥藥柱，內(nèi)層為高能炸藥JO－9159，外層為鈍感炸藥JB－9014。建立復(fù)合裝藥烤燃實(shí)驗(yàn)的數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)烤燃實(shí)驗(yàn)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，并通過(guò)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證實(shí)其結(jié)果的準(zhǔn)確性。進(jìn)而以該模型為基礎(chǔ)，分析不同的內(nèi)外結(jié)構(gòu)在不同升溫速率下對(duì)復(fù)合裝藥熱安全性的影響，擬為復(fù)合裝藥的熱安全性評(píng)估提供理論根據(jù)。

1 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為烤燃實(shí)驗(yàn)的裝配圖，標(biāo)準(zhǔn)的裝配方式為將試樣裝入彈體內(nèi)，留出適當(dāng)?shù)目臻g插入測(cè)溫探頭，旋緊彈體上蓋并固定測(cè)溫探頭引線的螺栓，將引線孔的縫隙封嚴(yán)，然后用夾緊螺栓將彈體裝配好，彈體材料選用45鋼。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，接通電源加熱，同時(shí)開(kāi)啟溫度記錄儀，實(shí)驗(yàn)從（25±3）℃開(kāi)始，升溫速率控制在3℃／min左右，直至裝置被破壞或溫度上升到400℃為止，并在2m處設(shè)置超壓傳感器測(cè)量空氣沖擊波超壓。

1.2 數(shù)值模擬計(jì)算

圖1 烤燃實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Cook－off test device

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of explosive charge

為了進(jìn)行數(shù)值模擬研究，實(shí)驗(yàn)彈體簡(jiǎn)化為圖2所示，整體藥柱尺寸為?60mm×120mm的圓柱形藥柱，采用軸向裝藥。以鈍感炸藥JB－9014為基礎(chǔ)，嵌入高能炸藥JO－9159組成復(fù)合藥柱，鈍感炸藥JB－9014的厚度為d。在該復(fù)合藥柱外覆以厚度為3mm的鋼殼。設(shè)點(diǎn)S、T和C為研究的特征點(diǎn)，點(diǎn)S設(shè)置在外部殼體中部，點(diǎn)T在兩種炸藥的邊界中部，點(diǎn)C在藥柱中心位置。

著重考慮復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)熱作用的響應(yīng)情況，對(duì)烤燃熱作用過(guò)程作假設(shè)［7］：（1）炸藥為均質(zhì)固體，化學(xué)反應(yīng)是零級(jí)放熱反應(yīng)，炸藥不發(fā)生相變；（2）炸藥的自熱反應(yīng)遵循Arrhenius方程；（3）復(fù)合藥柱和彈殼之間無(wú)空隙；（4）忽略氣體產(chǎn)物對(duì)傳熱的影響，物理化學(xué)參數(shù)不隨溫度變化。

炸藥的烤燃過(guò)程在直角坐標(biāo)系中的表達(dá)式為：

式中：ρ為炸藥裝填密度，c為比熱容，T為溫度，t為時(shí)間，λ為炸藥導(dǎo)熱系數(shù)，S為化學(xué)反應(yīng)放熱項(xiàng)。

化學(xué)反應(yīng)放熱項(xiàng)采用Arrhenius方程表示：

圖3 升溫速率為3K／min時(shí)不同結(jié)構(gòu)復(fù)合藥柱的溫度分布Fig.3 The temperature distribution on bomb at heating rate of 3K／min

式中：ρ0為炸藥密度，Q為炸藥的反應(yīng)熱，Z為指前因子，f（α）為反應(yīng)功能函數(shù)，適用的動(dòng)力學(xué)模型為零級(jí)反應(yīng)，即f（α）＝1，E 為活化能，R為普適氣體常數(shù)，R＝8.314J／（mol·K）。式 （1）～（2）中的材料參數(shù)見(jiàn)表1［8－10］。

熱傳導(dǎo)方程不能用解析的方法求解，這里采用有限元法進(jìn)行數(shù)值求解。

將放熱源項(xiàng)導(dǎo)入LS－DYNA程序的材料參數(shù)，選擇3D瞬態(tài)熱分析，對(duì)流邊界條件，網(wǎng)格大小為約1mm×1mm。將炸藥殼體側(cè)壁設(shè)為加熱邊界，設(shè)定初始環(huán)境溫度為25℃，升溫速率為3K／min，考察復(fù)合裝藥的烤燃情形并與單一裝藥結(jié)構(gòu)作比較，圖3為計(jì)算得到的不同時(shí)刻不同結(jié)構(gòu)的溫度分布圖。由圖3（a）可以看到，JB－9014在升溫速率為3K／min時(shí)，點(diǎn)火區(qū)域集中在藥柱兩端的一個(gè)狹窄環(huán)形區(qū)域。當(dāng)藥柱內(nèi)部嵌入JO－9159后烤燃彈的點(diǎn)火時(shí)間變短，同時(shí)當(dāng)JO－9159半徑增大時(shí)點(diǎn)火位置移向了內(nèi)部JO－9159藥柱的兩端環(huán)形區(qū)域。

圖4為3個(gè)結(jié)構(gòu)中的3個(gè)特征點(diǎn)S、T、C以及點(diǎn)火區(qū)特征點(diǎn)的溫度－時(shí)間曲線。從圖4中可以看到，隨著嵌入的JO－9159藥柱半徑增大，點(diǎn)火點(diǎn)處的溫度－時(shí)間曲線斜率與殼體升溫曲線相比小很多。當(dāng)d＝10mm時(shí)，點(diǎn)火發(fā)生時(shí)，點(diǎn)火點(diǎn)處溫度上升劇烈，點(diǎn)火溫度為535.27K，點(diǎn)火時(shí)間為4.545ks。當(dāng)d＝20mm時(shí)，復(fù)合藥柱點(diǎn)火位置與單一JB－9014藥柱基本一致，復(fù)合藥柱熱反應(yīng)的特性與JB－9014藥柱特性十分相似，點(diǎn)火溫度在550K左右，點(diǎn)火時(shí)間在5.100ks左右，復(fù)合藥柱的點(diǎn)火溫度和時(shí)間略小于JB－9014藥柱，原因在于加熱過(guò)程中熱量在中心嵌入藥柱中熱傳導(dǎo)和積累的介質(zhì)有所區(qū)別。

圖4 升溫速率為3K／min時(shí)不同結(jié)構(gòu)復(fù)合藥柱上特征點(diǎn)及點(diǎn)火點(diǎn)處的溫度Fig.4 The temperature－time curves of feature points and ignition point on different structures at heating rate of 3K／min

表1 材料參數(shù)Table1 Parameters of materials

1.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上節(jié)中數(shù)值計(jì)算的正確性，對(duì)單一炸藥JB－9014以及兩種復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行升溫速率為3K／min的標(biāo)準(zhǔn)烤燃彈實(shí)驗(yàn)。炸藥JB－9014厚度分別為20、10mm，每種試樣各2發(fā)，如圖5所示。

表2為實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，炸藥JB－9014在升溫速率為3K／min的烤燃實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)類型是燃燒，點(diǎn)火溫度為558.15K，點(diǎn)火時(shí)間為5.280ks。2m處未測(cè)得沖擊波超壓，實(shí)驗(yàn)后的樣品殘骸見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，烤燃彈爆響后筒體完整，沒(méi)有形成破片，僅僅是下端蓋被高壓氣體脹破。

圖5 復(fù)合裝藥彈體Fig.5 Composite charge bombs

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table2 Experiment results

d＝20mm的2發(fā)烤燃實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)類型均是爆炸，點(diǎn)火溫度是547.15K和543.15K，點(diǎn)火時(shí)間都是5.040ks。2m處的沖擊波超壓分別為19.88和19.84kPa，實(shí)驗(yàn)后的樣品殘骸見(jiàn)圖7。從圖7可以看出，烤燃彈爆響后筒體被炸碎，形成大破片，兩端端蓋變形明顯。

圖6 JB－9014試樣殘骸Fig.6 The picture of residue of JB－9014sample

圖7 d＝20mm復(fù)合結(jié)構(gòu)殘骸Fig.7 The picture of residue of d＝20mm composite charge

圖8 d＝10mm復(fù)合結(jié)構(gòu)殘骸Fig.8 The picture of residue of d＝10mm composite charge

d＝10mm的2發(fā)烤燃實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)類型均是部分爆轟，點(diǎn)火溫度是530.55和519.15K，點(diǎn)火時(shí)間為4.620和 4.560ks。2m處的沖擊波超壓分別為38.26和40.25kPa，實(shí)驗(yàn)后的樣品殘骸見(jiàn)圖8。從圖8可以看出，烤燃彈爆響后筒體、端蓋被炸碎，形成了一部分小破片，夾板變形明顯。

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，雖然鈍感炸藥具有很好的熱安定性，但點(diǎn)火后的能量輸出卻較弱，而在其中嵌入高能炸藥后，在保證一定的熱安定性的同時(shí)，能明顯提高整體裝藥的能量輸出。將實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果列于表3中，可以看到無(wú)論是點(diǎn)火時(shí)間還是點(diǎn)火溫度，雙方數(shù)據(jù)吻合度都較好。因此，本文中對(duì)涉及到的炸藥及相關(guān)材料的物性參數(shù)、有限元程序的函數(shù)設(shè)置準(zhǔn)確可靠，可利用上述模型及參數(shù)，對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)在不同升溫速率下的響應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的比較Table3 The comparison of experimental results and simulational results

2 計(jì)算結(jié)果及分析

下面對(duì)4種結(jié)構(gòu)d＝30mm（單一炸藥JB－9014）、d＝20mm、d＝10mm和d＝0mm（單一炸藥JO－9159）分別在升溫速率5K／h、3K／min和10K／min時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。圖9是d＝10mm復(fù)合藥柱升溫速率為5K／h和10K／min時(shí)不同時(shí)刻的溫度分布圖，圖10為不同升溫速率下d＝10mm復(fù)合藥柱上特征點(diǎn)及點(diǎn)火點(diǎn)處的溫度－時(shí)間曲線，表4為分組模擬的計(jì)算結(jié)果。

圖9 d＝10mm時(shí)不同升溫速率下復(fù)合藥柱的溫度分布Fig.9 The temperature distribution on bomb at different heating rates under d＝10mm

圖10 d＝10mm時(shí)不同升溫速率下復(fù)合藥上特征點(diǎn)及點(diǎn)火點(diǎn)處的溫度Fig.10 The temperature－time curves of feature points and ignition point at different heating rates under d＝10mm

表4 不同升溫速率下的模擬結(jié)果Table4 The results of simulation at different heating rates

升溫速率為5K／h時(shí)，4種結(jié)構(gòu)藥柱的點(diǎn)火區(qū)都處于內(nèi)部藥柱的中心處，這是由于藥柱內(nèi)部炸藥自熱分解產(chǎn)生大量的熱量來(lái)不及向周圍釋放，使炸藥中間區(qū)域溫度上升較快。d＝20mm和d＝10mm復(fù)合藥柱的點(diǎn)火時(shí)間和點(diǎn)火溫度幾乎與單一JO－9159藥柱一致，且由于藥柱最后是中心點(diǎn)火，使藥柱反應(yīng)相對(duì)較完全，因此內(nèi)部嵌入高能炸藥雖然使藥柱整體威力提升，也使藥柱的熱安定性與高能炸藥趨于一致。

升溫速率為3K／min時(shí)，復(fù)合藥柱的熱安定性受兩種炸藥共同作用，特別是d＝10mm復(fù)合藥柱，點(diǎn)火區(qū)在內(nèi)部JO－9159藥柱的兩端環(huán)形區(qū)域，點(diǎn)火溫度為535.27K，點(diǎn)火時(shí)間為4.545ks，介于單一JB－9014和JO－9159之間。因此在該升溫速率下，鈍感藥柱中嵌入高能藥柱，能在保證具有優(yōu)于高能炸藥熱安定性的同時(shí)，提升鈍感藥柱的威力。

升溫速率為10K／min時(shí)，烤燃過(guò)程中溫度梯度較大，由于復(fù)合藥柱內(nèi)部熱量積累速度相對(duì)于加熱速度較慢，炸藥JB－9014點(diǎn)火區(qū)位于藥柱外壁兩端很薄的環(huán)形區(qū)域，且從自發(fā)熱到反應(yīng)完成的時(shí)間很短。兩種復(fù)合結(jié)構(gòu)與炸藥JB－9014的點(diǎn)火時(shí)間一致，內(nèi)部炸藥JO－9159增多使點(diǎn)火溫度略微降低。與升溫速率3K／min相比，d＝20mm復(fù)合結(jié)構(gòu)的點(diǎn)火區(qū)沒(méi)有區(qū)別，而d＝10mm復(fù)合結(jié)構(gòu)點(diǎn)火區(qū)由內(nèi)部的JO－9159兩端邊緣外移至外層的JB－9014兩端邊緣。分析認(rèn)為，較高的升溫速率使熱量累積尚未在內(nèi)部JO－9159中形成就發(fā)生點(diǎn)火，相對(duì)于5K／h的升溫速率，點(diǎn)火發(fā)生時(shí)藥柱內(nèi)部的溫度分布處于一個(gè)相對(duì)不穩(wěn)定的環(huán)境，起決定性作用的是外層較為鈍感的炸藥JB－9014，但JO－9159的存在對(duì)復(fù)合藥柱整體的熱傳導(dǎo)有影響，進(jìn)而影響藥柱的點(diǎn)火溫度，隨著內(nèi)部高能炸藥的增大有微弱的減小趨勢(shì)。在該升溫速率下，復(fù)合裝藥幾乎與鈍感炸藥的熱安定性一致。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合裝藥在不同升溫速率下的烤燃實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析，得到以下結(jié)論：

（1）熱傳導(dǎo)、約束強(qiáng)度及其完整性是炸藥烤燃實(shí)驗(yàn)反應(yīng)程度的重要影響因素，本文中設(shè)計(jì)的計(jì)算模型及物性參數(shù)可信，有限元程序的函數(shù)設(shè)置可靠。

（2）烤燃實(shí)驗(yàn)中，升溫速率對(duì)炸藥點(diǎn)火時(shí)間和點(diǎn)火位置有很大的影響，升溫速率較小時(shí)炸藥點(diǎn)火位置在藥柱中心處，在鈍感藥柱中嵌入高能藥柱后，復(fù)合藥柱的熱安定性取決于內(nèi)部高能炸藥的特性。隨著升溫速率的增大，復(fù)合藥柱的點(diǎn)火位置從藥柱中心，移至內(nèi)部高能炸藥的兩端邊緣，進(jìn)而移至整體藥柱的兩端邊緣，復(fù)合藥柱的熱安定性逐漸與鈍感炸藥接近。

（3）在快速加熱條件下，鈍感藥柱內(nèi)部嵌入高能藥柱這樣的結(jié)構(gòu)能既提高整體藥柱的威力，同時(shí)保證其具有較好的熱安定性。

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