TATB基PBX炸藥沖擊波感度數(shù)值模擬研究

李龍飛，王晶禹，候聰花

?

TATB基PBX炸藥沖擊波感度數(shù)值模擬研究

李龍飛，王晶禹，候聰花

（中北大學化工與環(huán)境學院，山西 太原，030051）

為研究TATB基PBX炸藥的沖擊波感度，采用顯式動力學有限元程序——AUTODYN軟件對某TATB基PBX炸藥在沖擊波作用下的臨界起爆特性進行數(shù)值模擬。通過小隔板試驗和沖擊波在有機玻璃隔板中衰減模型的理論計算驗證了數(shù)值模擬的可靠性，數(shù)值模擬中，通過3D模型的計算可以直觀地看到在爆炸過程中沖擊波傳播的運動軌跡，模擬計算出某TATB基PBX炸藥臨界隔板值在5.5～5.7mm之間，臨界起爆壓力在3.19～3.44GPa之間，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合。

TATB；PBX；小隔板試驗；數(shù)值模擬

TATB為基的高聚物粘結(jié)炸藥（PBX）是由高分子粘結(jié)劑和鈍感炸藥TATB組成的復合材料，具有很好的安全性和安定性，被認為是最優(yōu)良的鈍感炸藥之一，因此倍受含能材料者的關(guān)注[1]。

沖擊波感度是指在沖擊波作用下，炸藥發(fā)生爆轟的難易程度，是衡量炸藥安全性能的一個重要指標[2]，對于炸藥的儲存、運輸以及應用都具有指導作用。小隔板試驗是一種經(jīng)典的測定炸藥沖擊波感度的方法。其過程為將標準施主炸藥和被測試的受主炸藥用惰性衰減材料隔開，通過改變隔板的厚度找到受主炸藥50%起爆概率對應的隔板厚度，利用隔板值定性表征試樣相對沖擊波感度大小。而為了能夠定量表征該臨界條件，很多研究人員用沖擊波壓力表征試樣的沖擊起爆閾值。但是，炸藥的起爆是一個十分復雜的物理、化學與力學綜合的過程，必須進行大量的試驗，然后通過概率的方法取得一個定量的結(jié)果，但是試驗部件是一次性作用的結(jié)構(gòu)，不能重復使用，從經(jīng)濟角度考慮花費很大。小隔板試驗還要耗費大量的人力、物力，于是數(shù)值模擬計算就成為研究這一問題的另一種途徑[3]。本文通過數(shù)值模擬和試驗來研究某TATB基PBX炸藥沖擊波感度臨界隔板值和臨界起爆壓力。

1 數(shù)值模擬的研究

1.1 數(shù)值模擬計算模型

數(shù)值模擬中運用顯式動力學有限元程序——AUTODYN軟件對某TATB基PBX炸藥（以下稱為被測試樣）的沖擊起爆過程進行3D數(shù)值模擬。計算模型采用GJB 2178.1A小隔板試驗裝置[4]作為參考模型，見圖1。

圖1 小隔板試驗裝置圖

模型中施主炸藥藥柱為直徑5.10mm、高度38mm、密度1.604g/cm3的黑索今（RDX）藥柱；隔板為直徑26mm、密度1.18g/cm3的有機玻璃；受主炸藥（被測試樣）直徑及高度與施主炸藥相同[5-6]。施主炸藥及受主炸藥均采取強約束，約束套筒材料為45＃鋼，外徑25mm。

計算中為了可以方便設置起爆點，建模中忽略點火頭、雷管和雷管座，見圖2。施主炸藥RDX選用JWL（Jones-Wilkins-Lee）狀態(tài)方程；隔板、套筒和鑒定塊選用Shock狀態(tài)方程；受主炸藥（被測試樣）選用Lee-Tarver狀態(tài)方程（三項式點火增長模型）。模型各部分均采用Lagrange算法，RDX與隔板、隔板與PBX炸藥、PBX炸藥與套筒和鑒定塊的作用過程采用Lagrange/Lagrange耦合算法計算[7-9]。計算時為了方便觀察沖擊波傳播過程，采用1/2模型。在被測試樣藥柱中心軸處添加Gauges觀測點，見圖3。

1.2 模擬結(jié)果

為了驗證計算模型的可靠性，數(shù)值模擬采用與實驗研究相同的材料及尺寸。在數(shù)值模擬的研究中，有機玻璃隔板的厚度步長為0.2mm，所得Gauges點壓力——時間曲線圖見圖4所示。

圖 2 計算模型

圖3 Gauges點位置

圖4 不同隔板厚度時被測炸藥不同位置的壓力——時間曲線

從圖4中可以看出隔板厚度為5.5mm時，被測試樣在沖擊波傳播方向上各點的壓力峰值逐漸升高，而隔板厚度為5.7mm時，壓力峰值逐漸降低。在小隔板試驗中主要通過鑒定塊的鋼凹值判斷被測試樣是否發(fā)生爆轟，而數(shù)值模擬中則通過觀察不同位置的壓力峰值變化判斷是否發(fā)生爆轟，如壓力峰值逐漸上升，說明發(fā)生爆轟；反之，則沒有發(fā)生爆轟。在計算過程中，可以觀察沖擊波傳播趨勢及壓力的大小，比較直觀地看到被測炸藥是否發(fā)生爆轟，見圖5。

圖5 計算模擬Contour效果圖（13μs）

通過數(shù)值模擬得出某TATB基PBX炸藥臨界隔板值在5.5～5.7mm之間，對應的臨界起爆壓力在3.19～3.44GPa之間。

2 理論及試驗驗證

2.1 試驗驗證

為了進一步驗證數(shù)值模擬的有效性，對某TATB基PBX炸藥進行小隔板試驗，試驗材料及尺寸與數(shù)值模擬相同，均參照GJB 2178.1A小隔板試驗裝置。試驗步驟按照GJB 2178.1A要求進行。取施主裝藥和試樣裝藥中間無隔板時，即零間隙所對應的鋼凹值的50%作為判據(jù)，經(jīng)試驗所得試樣裝藥判據(jù)為0.766mm。試驗所得臨界隔板值結(jié)果如表1所示。

表1 不同隔板厚度對應的鋼凹值

Tab.1 Steel concave value with different bulkhead thickness

從表1可看出被測試樣的臨界隔板值在5.41～5.61mm之間，數(shù)值模擬得到被測試樣的臨界隔板值在5.50～5.70mm之間，說明數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

2.2 理論驗證

3 結(jié)論

（1）通過隔板試驗和臨界起爆壓力的理論計算驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，結(jié)果表明試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，證明該計算模型能夠滿足計算要求。（2）從數(shù)值模擬的過程中可以比較清楚地看到爆轟沖擊波的傳播軌跡，可以更加直觀地了解小隔板試驗爆轟沖擊波的運動過程。（3）數(shù)值模擬得出被測試樣TATB基PBX炸藥的臨界隔板值在5.5～5.7mm之間，試驗得出的臨界隔板值在5.41～5.61mm之間。

[1] 谷成剛.TATB基高聚物粘結(jié)炸藥（PBX）配方設計的分子水平研究[D].南京:南京理工大學,2004.

[2] 松全才,楊崇惠,金韶華.炸藥理論[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1997.

[3] 陳朗，馮長根.固體炸藥沖擊起爆實驗和數(shù)值模擬[C]//第十一屆火工煙火學術(shù)年會論文集.北京：中國兵工學會，2002.

[4] GJB 2178.1A-2005 國家軍用標準——傳爆藥安全性試驗方法——小隔板試驗[S].北京：國防科學技術(shù)工業(yè)委員會, 2005.

[5] 姜夕博,饒國寧,徐森,等.沖擊波在有機玻璃中衰減特性的數(shù)值模擬與實驗研究[J].南京理工大學學報,2012,36(6):1 059-1 064.

[6] 姜夕博,饒國寧,郭聳,等.退役單基發(fā)射藥臨界起爆特性的研究[J].彈道學報,2013,25(2):89-94.

[7] E.L.Lee，C.M.Tarver. Phenomenological model of shock initiation in heterogeneous explosives[J].Phys,Fluids,1980,123 (12):2 362-2 372.

[8] M.J.Murphy and E.L.Lee，A.M.Weston，A.E.Williams. Modeling shock initiation in composition B[C]//Tenth Symposium (international) on Detonation,1993.

[9] 于川,劉文瀚,李良忠,等.鈍感炸藥圓筒試驗與爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程研究[J].高壓物理學報,1997,11(3):227-233.

[10] 曹雄,焦清介,程松,等.PMMA約束下小尺寸裝藥爆壓衰減規(guī)律[J].測試技術(shù)學報,2009,23(3):210-212.

[11] 王作山,劉玉存,鄭敏,等.爆轟沖擊波在有機隔板中衰減模型的研究[J].應用基礎與工程科學學報,2001,9(4):316-319.

Numerical Simulation on the Shock Wave Sensitivity of TATB Based PBX Explosive

LI Long-fei，WANG Jing-yu，HOU Cong-hua

(School of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Taiyuan, 030051)

In order to study the shock wave sensitivity of TATB based PBX explosive, by use of the explicit dynamic finite element program AUTODYN software, the characteristics of the critical initiation for a certain TATB based PBX explosive under the effect of shock wave were numerical simulation. Through a small scale gap test and calculation of shock wave attenuation model in the organic glass partition, the reliability of numerical simulation was validated. During the calculation of 3D models, the explosion shock wave propagation in the process of trajectory can be seen directly, the critical value of the bulk-head thickness was between 5.5 mm to 5.7 mm, the critical initiation pressure was between 3.19GPa to 3.44GPa, and the numerical simulation result was consistent with the experimental results.

TATB；PBX；Small scale gap test；Numerical simulation

TQ560.5

A

1003-1480（2014）06-0032-03

2014-06-16

李龍飛（1988-），男，在讀碩士研究生，從事傳爆藥安全性能研究。