裝藥發(fā)射安全性模擬加載實(shí)驗(yàn)方法研究

許志峰，屈可朋

?

裝藥發(fā)射安全性模擬加載實(shí)驗(yàn)方法研究

許志峰，屈可朋

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

為使炸藥材料模擬加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近實(shí)彈發(fā)射時(shí)裝藥過載應(yīng)力參量，對(duì)大落錘加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)初始參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：加載最大應(yīng)力相同時(shí)，較高的加載脈寬使得裝藥抗過載安定性降低；通過安裝調(diào)節(jié)器，可以實(shí)現(xiàn)炸藥材料加載最大應(yīng)力與加載脈寬同時(shí)接近實(shí)彈發(fā)射時(shí)裝藥過載應(yīng)力參量。說明該方法提高了模擬加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

炸藥裝藥；大落錘加載；調(diào)節(jié)器；發(fā)射安全性；模擬實(shí)驗(yàn)

炸藥在武器中裝備的前提條件是滿足抗過載安定性要求，即在武器發(fā)射的高過載環(huán)境中，炸藥不出現(xiàn)早炸的現(xiàn)象［1-2］。對(duì)炸藥的抗過載安定性研究主要通過實(shí)彈發(fā)射和實(shí)驗(yàn)室模擬加載實(shí)驗(yàn)兩種方法［3］，實(shí)彈發(fā)射實(shí)驗(yàn)周期長、成本高、獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難［4］，而實(shí)驗(yàn)室模擬加載實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)周期短、成本低、獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方便等優(yōu)點(diǎn)［5］，難點(diǎn)在于如何改善實(shí)驗(yàn)方法，使得炸藥材料模擬加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加接近實(shí)彈發(fā)射時(shí)裝藥過載應(yīng)力參量。目前，可以完成實(shí)驗(yàn)室模擬加載實(shí)驗(yàn)的裝置有大落錘加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和小落錘加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等［6］，大落錘加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于裝藥抗過載安定性模擬加載實(shí)驗(yàn)研究中［7］。

王世英［8］等利用大落錘加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了裝藥工藝對(duì)炸藥發(fā)射安全性的影響。肖瑋［9］等利用大落錘實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了環(huán)境溫度與裝藥底隙共同作用對(duì)炸藥抗過載安定性的影響。趙省向［10］等利用大落錘實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了熔鑄炸藥的熱點(diǎn)臨界參數(shù)，發(fā)現(xiàn)幾種炸藥的感度排序與熱點(diǎn)計(jì)算結(jié)果基本一致。

這些研究都基于一個(gè)假設(shè)：即對(duì)炸藥材料加載的最大應(yīng)力接近裝藥發(fā)射過程中的最大響應(yīng)應(yīng)力時(shí)，模擬加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果即可表征實(shí)彈發(fā)射時(shí)的結(jié)果。而對(duì)炸藥材料的加載脈寬與裝藥實(shí)彈發(fā)射時(shí)的響應(yīng)應(yīng)力脈寬不要求一致，前者若比后者小，意味著落錘加載相對(duì)于實(shí)彈發(fā)射加載有著充分的強(qiáng)化［10］。

然而劉海營［11］等發(fā)現(xiàn)炸藥起爆的臨界值不是加載應(yīng)力的參數(shù)，而是能量的參數(shù)，而能量與加載最大應(yīng)力和脈寬兩個(gè)參數(shù)均有關(guān)，因此，加載最大應(yīng)力和加載脈寬對(duì)裝藥的抗過載安定性都有影響。但目前如何實(shí)現(xiàn)對(duì)炸藥材料模擬加載實(shí)驗(yàn)的加載最大應(yīng)力和加載脈寬同時(shí)接近實(shí)彈發(fā)射時(shí)的響應(yīng)最大應(yīng)力和脈寬還未見報(bào)道。本文基于大落錘實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，探索研究一種對(duì)裝藥抗過載安定性進(jìn)行模擬加載實(shí)驗(yàn)的方法，使得對(duì)炸藥材料模擬加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)彈發(fā)射時(shí)裝藥抗過載參量更加接近，從而獲取更接近實(shí)彈發(fā)射時(shí)的裝藥抗過載安定性判據(jù)，為炸藥材料在戰(zhàn)斗部中的安全應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1　理論模型

由于炸藥材料被加載時(shí)有圍向約束，因而加載過程中不發(fā)生徑向變形，在炸藥釋放變形后，軸向塑性變形量相對(duì)于其高度可忽略不計(jì)，因此假定加載過程中炸藥的變形過程為彈性變形。由于與炸藥接觸的金屬彈性模量遠(yuǎn)大于炸藥材料，因此，假定金屬材料為剛體?；谝陨霞僭O(shè)，大落錘對(duì)炸藥材料進(jìn)行沖擊加載的過程可以簡化為彈簧振子的半個(gè)周期。落錘撞擊接觸到炸藥材料時(shí)刻起，炸藥材料發(fā)生壓縮變形，落錘開始減速，炸藥材料內(nèi)部應(yīng)力值開始增加，直至落錘速度減少至零，炸藥材料壓縮變形量達(dá)到最大，此時(shí)，炸藥材料內(nèi)部的應(yīng)力值最高。在此過程后，炸藥材料釋放變形，同時(shí)驅(qū)動(dòng)落錘獲得速度，炸藥材料內(nèi)部應(yīng)力值降低，直至落錘與炸藥分離，炸藥材料應(yīng)力值降為零。實(shí)驗(yàn)過程中，炸藥材料相當(dāng)于彈簧，炸藥材料的彈性系數(shù)為k，落錘質(zhì)量為M，速度方向?yàn)閤軸正方向，彈簧振子的運(yùn)動(dòng)方程為：

炸藥材料的彈性系數(shù)與炸藥材料參數(shù)有如下關(guān)系：

式（2）中：E為炸藥材料彈性模量；A為炸藥材料截面積；l為炸藥材料高度。

可解得炸藥材料加載的最大應(yīng)力為：

式（3）中：V為落錘初始速度。

炸藥材料加載的脈寬為：

2　實(shí)驗(yàn)

由理論模型可知，落錘的質(zhì)量為定值。當(dāng)炸藥材料參數(shù)為定值時(shí)，加載最大應(yīng)力只與落錘的速度，即落錘釋放時(shí)的高度相關(guān)。因此，通過調(diào)節(jié)落錘的高度，可實(shí)現(xiàn)加載最大應(yīng)力與實(shí)彈發(fā)射時(shí)的最大過載應(yīng)力相等。而對(duì)炸藥材料的加載脈寬只與落錘質(zhì)量和炸藥材料參數(shù)相關(guān)。因此，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法達(dá)到調(diào)節(jié)加載脈寬的目的，無法更加真實(shí)地模擬實(shí)彈發(fā)射時(shí)的工況。

文獻(xiàn)［10］中戰(zhàn)斗部實(shí)彈發(fā)射時(shí)由傳感器測得的裝藥最大過載應(yīng)力為338.6MPa，加載脈寬為16ms，模擬加載實(shí)驗(yàn)的加載最大應(yīng)力為 340MPa，加載脈寬為6.5ms，模擬加載實(shí)驗(yàn)的加載最大應(yīng)力與實(shí)彈發(fā)射結(jié)果接近，但加載脈寬相差很多。若對(duì)加載脈寬進(jìn)行調(diào)節(jié)，需要調(diào)整公式（4）中的參量。由于落錘質(zhì)量和炸藥材料彈性模量為定值，炸藥的圍向約束尺寸確定了炸藥的截面積，因此，最容易實(shí)現(xiàn)的調(diào)整方式就是調(diào)整炸藥的高度。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有對(duì)比性，本實(shí)驗(yàn)中不改變炸藥材料尺寸，而是通過在炸藥材料的上端安裝調(diào)節(jié)器，所安裝調(diào)節(jié)器的力學(xué)參數(shù)接近炸藥的力學(xué)參數(shù)，可將調(diào)節(jié)器與炸藥視為一個(gè)整體，相當(dāng)于增加了炸藥的高度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加載脈寬進(jìn)行放大調(diào)節(jié)。通過設(shè)定落錘高度和調(diào)節(jié)器高度兩個(gè)參量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)炸藥材料加載脈寬與加載最大應(yīng)力同時(shí)接近實(shí)彈發(fā)射時(shí)的最大過載應(yīng)力和脈寬。

大落錘加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，由落錘、上活塞、調(diào)節(jié)器、約束套、炸藥、下活塞和傳感器組成。實(shí)驗(yàn)中，落錘重達(dá)400kg，所研究的炸藥由西安近代化學(xué)研究所提供，主要成分為65%RDX、29%鋁粉和6%黏結(jié)劑（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。炸藥試樣采用壓裝工藝制成（63噸油壓機(jī)，型號(hào)為Y63-A，山東機(jī)械廠），密度為1.68g/cm3，炸藥尺寸為Φ30mm×30mm。選取聚碳酸酯為調(diào)節(jié)器，上活塞、下活塞和約束套材料均為25號(hào)鋼。

圖1　大落錘加載系統(tǒng)Fig.1　Great-scale drop hammer loading system

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

分別調(diào)節(jié)落錘高度與調(diào)節(jié)器厚度，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，取有代表性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)彈發(fā)射結(jié)果，見表1。

表1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1　Testing results

由表1可見，01號(hào)和02號(hào)在加載最大應(yīng)力接近、而加載脈寬不同時(shí)，反應(yīng)情況不盡相同，01號(hào)加載脈寬較大時(shí)，炸藥材料發(fā)生爆炸，而02號(hào)加載脈寬較小時(shí)炸藥材料未發(fā)生爆炸。這組實(shí)驗(yàn)說明只考慮加載最大應(yīng)力而不考慮加載脈寬的方法是不正確的，不考慮加載脈寬的實(shí)驗(yàn)方法不能更好地模擬實(shí)彈發(fā)射時(shí)裝藥的抗過載安定性情況。由表1可知，03號(hào)實(shí)驗(yàn)通過調(diào)整調(diào)節(jié)器厚度和落錘高度，實(shí)現(xiàn)了加載最大應(yīng)力和加載脈寬同時(shí)接近實(shí)彈發(fā)射時(shí)的過載參量，而反應(yīng)情況也與實(shí)彈發(fā)射工況一致，裝藥未發(fā)生爆炸。本實(shí)驗(yàn)中通過安裝調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)炸藥材料的加載最大應(yīng)力和加載脈寬同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使加載最大應(yīng)力與加載脈寬皆與實(shí)彈發(fā)射時(shí)的真實(shí)情況更接近，能更準(zhǔn)確模擬炸藥材料在不同工況下的抗過載安定性情況。

4　結(jié)論

（1）研究裝藥發(fā)射安全性時(shí)，只考慮加載最大應(yīng)力而不考慮加載脈寬的方法是不正確的。加載脈寬比實(shí)彈發(fā)射時(shí)的過載應(yīng)力脈寬小并不意味著實(shí)驗(yàn)結(jié)果的加強(qiáng)，加載最大應(yīng)力相近，而加載脈寬較大將導(dǎo)致裝藥抗過載安定性降低。

（2）通過安裝調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)炸藥材料的加載最大應(yīng)力和加載脈寬同時(shí)接近實(shí)彈發(fā)射時(shí)的過載應(yīng)力情況，此實(shí)驗(yàn)方法能更加準(zhǔn)確地模擬炸藥材料在不同發(fā)射工況下的抗過載安定性情況，為炸藥材料在戰(zhàn)斗部中的安全應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

［1］ Foltz F M，Coon C L，Gacia F，et al．The thermal stability of the polymorophs of HNIW.P［J］.Propellant Explosive & Pyrotechnics，1994（19）:133-144．

［2］ 向聰，張奇.發(fā)射載荷下孔隙形狀對(duì)變形特性的影響［J］．火炸藥學(xué)報(bào)，2008，31（5）:33-37．

［3］ ANDERS HAFSTRAND M Se．et al．Continuous production of LOVA propellant and cast-cured PBX for insensitive munitions at bofors explosives［C］//24th International Annual Conference of ICT，1993．

［4］ W D Sudweeks．Physical and chemical properites of industrial slurry explosiver［J］.Ind.Eng.Chem.Prod.Res，1985， 3（24）:432-436．

［5］ 王淑萍.撞擊作用下炸藥裝藥的尺寸效應(yīng)研究［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2000，23 （4）:18-20．

［6］ Trowbridge D A，Grady J E，Aiello R A.Low velocity impact analysis with NASTRAN［J］.Computer&Structures，1991， 40（4）:977-984．

［7］ MYERS TF，HERSH K J．The effect of base caps on setback-shock sensitivities of cast Composition B and TNT as determined by NSWC setback-shock simulator［C］//The Seventh Symposium（International） on Detonation，1981．

［8］ 王世英，胡煥性.B炸藥裝藥發(fā)射安全性落錘模擬加載實(shí)驗(yàn)研究［J］.爆炸與沖擊，2003，23（3）:275-278．

［9］ 肖瑋，李亮亮，蘇建軍，等.TNT在熱和撞擊加載作用下的點(diǎn)火性能［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2013，36（2）:38-41．

［10］ 趙省向，張亦安.幾種熔鑄炸藥的熱點(diǎn)臨界參數(shù)和撞擊感度［J］.含能材料，2003，11（3）:127-129．

［11］ 王世英，王淑萍，胡煥性.榴彈炸藥裝藥發(fā)射早炸的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2002，23（4）:541-545．

［12］ 劉海營，張景林，王作山.炸藥撞擊感度的研究綜述［J］.山西化工，2007，27（6）:57-59．

Study on Experimental Method of Simulation Loading for Launch Safety of Charge

XU Zhi-feng，QU Ke-peng
（Xi’an Modern Chemistry Research Institute， Xi’an， 710065）

In order to make the experimental result of simulation loading on explosives approach to the paractical parameters of launching， the initial parameters of a great-scale drop hammer loading experiment system were adjusted. The results showed that the larger load pulse width reduce launching safety of the explosive charge as the same maximum load stress，and through adding a controller， the maximum load stress and load pulse width of the material all approach to the actual firing condition. The study showed that the experimental method improves the accuracy of the simulating experiment results.

Explosive charge；A great-scale drop hammer loading；Controller；Launching safety；Simulating experiment

TQ564

A

1003-1480（2015）06-0051-03

2015-06-04

許志峰（1984 -），男，工程師，主要從事彈藥材料動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)研究。

國家重大基礎(chǔ)科研專項(xiàng)（EPYSYZ01）