典型裝藥水下爆炸的殉爆規(guī)律研究

魯忠寶, 胡宏偉, 劉 銳, 楊 帆

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典型裝藥水下爆炸的殉爆規(guī)律研究

魯忠寶1, 胡宏偉2, 劉 銳1, 楊 帆1

(1. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075; 2. 西安近代化學研究所, 陜西 西安, 710065)

針對典型的殼裝炸藥殉爆更接近炸藥實際使用狀態(tài), 采用ANSYS/LS_DYNA軟件建立了典型裝藥水下殉爆的有限元仿真模型, 通過計算得到了殉爆距離與安全距離, 基于此加工了試驗樣彈, 并進行了相應的水下殉爆試驗。試驗結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果較為吻合, 表明了本文的仿真模型能夠有效描述帶殼裝藥的水下殉爆情況, 水下試驗中由沖擊波壓力和氣泡周期來判斷被發(fā)裝藥是否殉爆是可行的。最后, 在水下殉爆理論分析基礎上, 根據(jù)試驗結(jié)果預計了大藥量水中兵器戰(zhàn)斗部的安全性。本文的研究可為水中兵器戰(zhàn)場環(huán)境的安全性設計提供依據(jù), 并可為水中兵器戰(zhàn)斗部殉爆毀傷能力評估提供參考。

水中兵器; 戰(zhàn)斗部; 水下爆炸; 殉爆; 有限元仿真模型; 安全性

0 引言

炸藥作為一種含能物質(zhì), 在受到足夠強的外界刺激如力、熱、光和電等作用時會發(fā)生爆炸, 并可能造成臨近炸藥的殉爆[1]。炸藥殉爆主要有裸裝炸藥殉爆和殼裝炸藥殉爆2類, 其中殼裝炸藥殉爆更接近炸藥實際使用狀態(tài)。根據(jù)所處的環(huán)境, 主要有空氣中殉爆與水下殉爆2類。目前, 國內(nèi)外對炸藥空氣中的殉爆研究較多, 如Howe等人采用歐拉程序2DE對殼裝炸藥殉爆進行了2D數(shù)值仿真[2]; Lu 等人對裸裝PBXN2109炸藥殉爆進行了數(shù)值仿真[3]; Fisher等人對殼裝PBXN29 炸藥殉爆進行了數(shù)值仿真[4]; 陳朗等人計算了不同距離下裸裝炸藥的殉爆距離[5]; 文獻[6]的表1中, 給出了當主發(fā)藥和被發(fā)藥均為柱狀TNT散裝單質(zhì)炸藥時的殉爆試驗數(shù)據(jù); 王晨等人進行殼裝固黑鋁(GHL)炸藥殉爆試驗[7]; 周保順等對沖擊波作用下炸藥殉爆過程進行了數(shù)值仿真并進行了試驗驗證[8]。不過, 對炸藥水中殉爆研究尚未見詳細報道。

對于水中兵器, 戰(zhàn)斗部水下爆炸可能激起一定距離上的另一水中兵器戰(zhàn)斗部發(fā)生爆炸, 即產(chǎn)生殉爆, 殉爆也是摧毀敵方水中兵器的作用方式之一。研究典型裝藥水下爆炸的殉爆機理, 分析水中兵器戰(zhàn)斗部對來襲水中兵器戰(zhàn)斗部的安全距離與殉爆距離, 可為水中兵器戰(zhàn)場環(huán)境的安全性設計提供依據(jù), 同時也可為打擊水中兵器用的水中兵器戰(zhàn)斗部的毀傷威力評定提供一種新方法。

1 水中殉爆的理論分析

1.1 影響水中殉爆的因素

水中殉爆規(guī)律很復雜, 引起殉爆的原因可能有主發(fā)裝藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波、氣泡、二次壓力波及爆轟產(chǎn)物直接作用等。影響水中殉爆的因素很多, 主要有以下幾個方面。

1.1.1主發(fā)裝藥的影響

不同種類主發(fā)炸藥其爆炸能量釋放與輸出特性存在差異, 其殉爆距離也不同。相同種類的炸藥, 主發(fā)裝藥的藥量越大, 能量越高, 被發(fā)裝藥越容易被起爆。主發(fā)裝藥帶外殼時, 爆轟產(chǎn)物受到約束, 增大了主發(fā)裝藥的爆轟性能, 使殉爆距離增大。外殼強度越大, 這種效應越顯著。

1.1.2被發(fā)裝藥的影響

被發(fā)裝藥對外界刺激越敏感, 殉爆距離越大。裝藥密度較低時, 也容易殉爆。另外, 外殼對爆轟產(chǎn)物、沖擊波和破片有衰減、阻擋作用, 能導致殉爆距離減小。

1.1.3裝藥的布局

主發(fā)裝藥與被發(fā)裝藥按同軸線的擺放方式比按軸線垂直擺放方式更容易殉爆, 起爆方式對殉爆距離也有影響。

當主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥的種類確定時, 影響殉爆的主要因素為殼體厚度和材料, 殼體厚度和材料都會對沖擊波大小產(chǎn)生影響。有研究表明, 帶殼裝藥水下爆炸的沖擊波峰值壓力隨殼厚與裝藥半徑比的增加先增大后減小, 當殼厚裝藥半徑比為0.07～0.08時, 峰值壓力隨殼厚變化的趨勢發(fā)生改變, 對主發(fā)裝藥適當?shù)臍んw厚度可以增大殉爆距離。但對被發(fā)裝藥, 可能會導致殉爆距離減小。當主、被發(fā)裝藥都帶殼體時, 難以判斷出殼體對殉爆距離的影響。

1.2 水中爆炸的起爆判據(jù)和殉爆閾值

1.2.1水中爆炸的起爆判據(jù)

起爆判據(jù)是判斷主發(fā)裝藥爆炸后, 被發(fā)裝藥是否爆炸的依據(jù), 空氣中一般用爆炸產(chǎn)生的特征參量(沖擊波超壓)或試驗現(xiàn)象(殘藥或見證板的破壞情況)來判別。對于水中爆炸, 被發(fā)裝藥的殘藥或殘留外殼、見證板難于回收, 可采用水中沖擊波壓力和氣泡周期來判斷被發(fā)裝藥是否發(fā)生爆轟。

1.2.2水中爆炸的起爆閾值

沖擊起爆是炸藥對壓力脈沖的一種動態(tài)響應形式。對于均質(zhì)炸藥, 早期認為只要沖擊波壓力超過臨界起爆壓力, 炸藥就會被引爆。對于非均質(zhì)炸藥, 其起爆閾值既與沖擊波壓力有關, 又與其持續(xù)時間有關。因此, 水中爆炸殉爆的臨界起爆判據(jù)需要綜合考慮臨界起爆壓力或臨界起爆能量, 殉爆臨界起爆閾值應符合:＞,≥(為沖擊波能,為臨界起爆能)。

1.3 帶殼裝藥水中爆炸的殉爆相似律

函數(shù)的具體形式可通過試驗確定, 當以沖擊波超壓作為判別殉爆的主要參數(shù)時, 水中殉爆距離與主發(fā)藥量、殼體厚度和裝藥半徑(包括主發(fā)和被發(fā)裝藥)的比值有關。

2 數(shù)值仿真

有限元分析軟件ANSYS/LS_DYNA強大的自適應線譜增強算法(adaptive line enhancement, ALE)和Euler算法及炸藥的材料與狀態(tài)方程廣泛應用于各種水下爆炸分析中, 相關資料表明[9], ANSYS/LS-DYNA在水中爆炸分析中有很多成功的案例。對炸藥水下殉爆試驗的數(shù)值仿真可以描述炸藥在殉爆中的反應規(guī)律, 同時能夠獲得殉爆過程中的細節(jié)規(guī)律, 在很大程度上可以減少試驗數(shù)量。

2.1 計算模型

2.1.1 物理模型及算法

炸藥裝藥水下爆炸殉爆模型見圖1,為2個裝藥的中心距,為2個裝藥的邊距。主發(fā)裝藥與被發(fā)裝藥外形尺寸均為f90 mm×90 mm的圓柱體, 裝藥類型均為GUHL-1, 主發(fā)裝藥包裹有 1.5 mm的鋁殼, 被發(fā)裝藥包裹有1 mm的鋁殼。

圖1 裝藥水下殉爆示意圖

計算模型由主發(fā)裝藥、被發(fā)裝藥、主發(fā)裝藥外殼、被發(fā)裝藥外殼和水介質(zhì)5部分組成, 其中主發(fā)裝藥、水介質(zhì)采用歐拉網(wǎng)格建模, 單元使用多物質(zhì)ALE算法, 被發(fā)裝藥、主發(fā)裝藥外殼、被發(fā)裝藥外殼采用LAGRANGE算法, 在被發(fā)裝藥、主發(fā)裝藥外殼、被發(fā)裝藥外殼與水域間采用關鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID實現(xiàn)耦合算法[10]。主發(fā)裝藥采用圓柱體中心起爆, 根據(jù)模型對稱性特點, 主發(fā)裝藥及其外殼采用1/2有限元建模。選擇SOLID164單元和相應的材料屬性對幾何模型劃分網(wǎng)格, 創(chuàng)建PART, 施加對稱約束和透射邊界條件, 調(diào)整主發(fā)裝藥與被發(fā)裝藥間的距離, 設置求解時間等操作。形成有限元模型如圖2所示。

圖2 裝藥水下殉爆有限元模型

2.1.2材料與狀態(tài)方程

主發(fā)裝藥及被發(fā)裝藥的鋁殼選用各項同性隨動強化的彈塑性金屬材料模型MAT_PLASTIC_ KINEMATIC, 密度=2.7×103kg/m3, 彈性模量=70 GPa,泊松比=0.35, 屈服應力=0.3 GPa; 水選用空白材料模型NULL, 狀態(tài)方程為EOS_GRUNEISEN, 密度為水=1.025×103kg/m3; 主發(fā)裝藥選用高能炸藥燃燒與增長模型MAT_ HIGH_EXPLOSIVE_BURN, EOS_JWL狀態(tài)方程, 其密度藥=1.8×103kg/m3, 爆速=7020 m/s, 爆壓P=21.5 GPa, 炸藥及水的具體參數(shù)可參考文獻[11]。被發(fā)裝藥采用流體彈塑性材料模型*MAT _ELASTIC_PLASTIC_HYDRO[12], 采用點火增長反應速率方程*EOS_IGNITION_AND_ GROWTH_ OF_REACTION_IN_HE[12], 方程如下

GUHL-1炸藥點火增長模型參數(shù)選取如表1所示。

2.2 仿真計算結(jié)果

選取幾種不同作用距離進行仿真模型的計算。當=3 cm時, 被發(fā)裝藥未被殉爆, 沖擊波傳播、被發(fā)裝藥變形、被發(fā)裝藥內(nèi)部＃120154單元的壓力時程曲線(峰值壓力P= 2.31714GPa)見圖3。當=1 cm時, 被發(fā)裝藥被殉爆, 沖擊波傳播、被發(fā)裝藥殉爆、被發(fā)裝藥內(nèi)部＃120154單元的壓力時程曲線(峰值壓力P=23.224 5 GPa)見圖4。

表1 GUHL-1炸藥點火增長模型反應速率方程參數(shù)

圖3 作用距離R=3 cm時, 沖擊波傳播、被發(fā)裝藥變形以及內(nèi)部單元壓力時程曲線圖

圖4 R=1 cm時, 沖擊波傳播、被發(fā)裝藥殉爆以及內(nèi)部單元壓力時程曲線圖

3 殉爆試驗

按照2.1中的仿真研究模型, 加工了試驗樣彈, 尺寸都為f90mm×90mm, 裝藥品種都為GUHL-1, 密度大于1.8×103kg/m3, 主發(fā)裝藥鋁殼厚1.5 mm, 傳爆藥柱為20 g JH-14, 采用8#銅殼電雷管端面中心起爆。被發(fā)裝藥鋁殼厚1 mm。

試驗水池為圓柱形結(jié)構(gòu), 試驗時將主發(fā)裝藥、被發(fā)裝藥懸吊在水池中心, 入水深度5 m, 并處于同一水平面上, 主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥的距離通過鐵絲編制的架子來控制。同時在距爆心2.5 m處布放3個水下傳感器, 傳感器與兩裝藥處于同一水平面。測定炸藥爆炸時水中壓力隨時間而變化的-曲線。

測試系統(tǒng)由高速采集儀(見圖5)、適配器、水下沖擊波壓力傳感器(見圖6)、低噪聲電纜和專用軟件組成。傳感器采用美國PCB公司生產(chǎn)的PCB138A型大量程電氣石壓力傳感器, 測量系統(tǒng)有專用軟件, 能自動找出氣泡脈動周期和沖擊波峰值壓力等參數(shù)。

首先測量了單個1 kg的GUHL-1炸藥(主發(fā)裝藥, 見圖7)水中爆炸的沖擊波壓力和氣泡周期, 測距為2.5 m, 3點的峰值壓力平均值為16.27 MPa, 氣泡周期平均值為322.9 ms。GUHL-1和GUHL-1的殉爆試驗裝配見圖8。殉爆的試驗結(jié)果見表2。

圖5 水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖6 傳感器

圖7 單個1 kg的GUHL-1炸藥

圖8 GUHL-1和GUHL-1的殉爆試驗裝配圖

4 結(jié)果分析及討論

針對相同的主發(fā)裝藥、被發(fā)裝藥的水下殉爆研究模型, 采用數(shù)值仿真以及試驗測試的方式展開研究。

由圖4可看出, 在=1 cm時, 被發(fā)裝藥發(fā)生膨脹, 其內(nèi)部一單元的峰值壓力達23.224 5 GPa,大于該炸藥的爆壓P, 被發(fā)裝藥被殉爆; 由圖3可看出, 在= 3 cm時, 被發(fā)裝藥發(fā)生壓縮變形, 內(nèi)部同一單元的峰值壓力僅為2.31714 GPa, 遠遠小于該炸藥的爆壓P, 被發(fā)裝藥未被殉爆。同樣可得在= 6 cm和= 8 cm工況下, 被發(fā)裝藥均未被殉爆。采用數(shù)值仿真方法, 可以明顯地觀測到被發(fā)裝藥是否被殉爆。數(shù)值仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的吻合表明, 采用數(shù)值仿真方法能較好地模擬水下殉爆, 本文2.1節(jié)中的材料與狀態(tài)方程參數(shù)是合理可行的。

表2 GUHL-1和GUHL-1的殉爆試驗結(jié)果

當殉爆距離較近時, 難以準確測量沖擊波峰值壓力, 通過數(shù)值仿真計算可知, 被發(fā)裝藥GUHL-1的殉爆沖擊波壓力閾值約為7.49 GPa。

由表2可知, 2個裝藥表面距離為3 cm, 6 cm和8 cm時, 測點處的沖擊波峰值壓力和氣泡周期與單個1 kg的GUHL-1裝藥一致, 被發(fā)裝藥未殉爆。2個裝藥表面距離為1 cm時, 測點處的沖擊波峰值壓力和氣泡周期都大于單個1 kg的GUHL-1裝藥的沖擊波峰值壓力和氣泡周期, 被發(fā)裝藥殉爆, 與數(shù)值仿真結(jié)果吻合。研究表明, 在水下殉爆試驗中, 由沖擊波壓力和氣泡周期來判斷被發(fā)裝藥是否殉爆是可行的。

當主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥都為帶殼的1 kg的GUHL-1時, 水中爆炸的殉爆中心距離約為10 cm, 安全中心距離約為12 cm, 距離很近。根據(jù)水中爆炸的殉爆相似律可知, 大藥量的水中兵器戰(zhàn)斗部在水下戰(zhàn)場環(huán)境下的安全性也很高。

5 結(jié)束語

本文選取了水下典型的主發(fā)裝藥與被發(fā)裝藥模型, 采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對典型帶殼裝藥的水下殉爆進行了數(shù)值仿真, 并加工了試驗樣彈, 開展了水下殉爆的試驗研究, 得到了典型帶殼裝藥的水下殉爆距離與安全距離。數(shù)值仿真結(jié)果與試驗結(jié)果較為吻合, 表明數(shù)值仿真模型能夠有效描述帶殼裝藥的水下殉爆情況, 試驗中由沖擊波壓力和氣泡周期來判斷被發(fā)裝藥是否殉爆是可行的。由水下殉爆的理論分析, 可以預計大藥量水中兵器戰(zhàn)斗部的殉爆安全性。

本文僅選取了典型的水下裝藥模型, 有關不同裝藥品種、不同裝藥形式與起爆方式、不同裝藥外殼的水下殉爆現(xiàn)象與規(guī)律的研究尚沒有涉及, 有待后續(xù)深入研究。

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(責任編輯: 楊力軍)

Research on Law of Sympathetic Detonation of Typical Charge Subjected to Underwater Explosion

LU Zhong-bao,HU Hong-wei,LIU Riu,YANG Fan

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2. Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

Aiming at typical charge in shell, a finite element analysis (FEA) model of sympathetic detonation of typical charge subjected to underwater explosion is established using the simulation software ANSYS/LS_DYNA. The distance of sympathetic detonation and the distance of safety are achieved by calculation, and a prototype ammunition is manufactured for underwater sympathetic detonation experiment. The experimental result indicates that the FEA model can describe the underwater sympathetic detonation of charge in shell effectively, and that explosive pressure and bubble period can be used to estimate the occurrence of sympathetic detonation of acceptor charge. Based on the theoretical analysis of underwater sympathetic detonation, the warhead security of typical underwater weapon is estimated according to the experiment result. This study may give a reference for the safety design and the destroy ability evaluation of underwater weapon warhead.

underwater weapon; warhead; underwater explosion; sympathetic detonation; finite element analysis(FEA) model; security

TJ630.1; TP391.9

A

1673-1948(2014)03-0230-06

2013-12-16;

2014-01-27.

魯忠寶(1978-), 男, 碩士, 高級工程師, 主要從事水中兵器戰(zhàn)斗部的研究與設計.