針刺端輸出爆轟雷管在傳爆序列中起爆特性仿真

施紹魯，聞 泉，王雨時(shí)，張志彪

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針刺端輸出爆轟雷管在傳爆序列中起爆特性仿真

施紹魯，聞 泉，王雨時(shí)，張志彪

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京，210094）

為了某榴彈引信爆炸序列優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，利用ANSYS/LS-DYNA軟件分析了直徑φ4.87 mm針刺端輸出爆轟雷管的約束條件對(duì)其起爆特性的影響。數(shù)值仿真表明：采用雷管套結(jié)構(gòu)，不僅能夠使雷管可靠引爆導(dǎo)爆管，還有助于減輕引信重量，雷管輸出威力隨雷管套厚度增加而增大；雷管套材料對(duì)雷管軸向輸出威力影響較大；當(dāng)雷管套底厚超過1mm后，增加雷管套底厚并不能增加雷管軸向輸出威力；擊發(fā)體對(duì)雷管的爆轟也有一定的衰減作用；擊發(fā)體上導(dǎo)爆管輸入端厚度增加到0.65 mm時(shí)，雷管不再能引爆導(dǎo)爆管。

爆炸序列；雷管；起爆；仿真

對(duì)于引信錯(cuò)位式傳爆序列而言，由于受限于隔爆安全性要求，在對(duì)正狀態(tài)下的傳爆可靠性裕度往往并不大，特別是小口徑引信。而引信傳爆序列試驗(yàn)又是破壞性試驗(yàn)，故優(yōu)化引信傳爆序列設(shè)計(jì)的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)往往會(huì)消耗較多的引信樣品，并且周期長(zhǎng)、成本高、工作強(qiáng)度大。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的興起，為引信傳爆序列優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了很好的解決途徑。文獻(xiàn)[1]仿真研究了海水充入引信爆炸序列后，爆炸序列中雷管與導(dǎo)爆管、導(dǎo)爆管與傳爆管之間的傳爆性能。文獻(xiàn)[2]采用AUTODYN軟件對(duì)傳爆序列結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[3]模擬研究了在四點(diǎn)和八點(diǎn)同步網(wǎng)絡(luò)起爆條件下，環(huán)形傳爆藥柱的起爆能力。

本文采用針刺端輸出爆轟的雷管的某小口徑榴彈發(fā)射器引信爆炸序列優(yōu)化設(shè)計(jì)為背景，借助ANSYS/LS-DYNA軟件仿真了針刺端輸出爆轟雷管在引信傳爆序列中的起爆特性，并進(jìn)一步分析了雷管約束條件等起爆影響因素。

1 針刺端輸出爆轟的針刺雷管

傳統(tǒng)的雷管輸入端與輸出端分別位于雷管的兩端。與此相反，也有以針刺端為主輸出爆轟的雷管，俗稱反向起爆雷管，如圖1所示，下端是預(yù)定針刺端，也是爆轟輸出端，上端是威力試驗(yàn)時(shí)的針刺端。

圖1 針刺端輸出爆轟的針刺雷管

2 仿真模型建立

將圖1所示針刺端輸出爆轟的針刺雷管用于引信，如圖2所示。

圖2 有限元仿真模型

忽略擊發(fā)體徑向上的離心球孔與離心球，假設(shè)其為軸對(duì)稱體。當(dāng)引信自毀作用時(shí)，擊發(fā)體向上運(yùn)動(dòng)，擊針刺入雷管的同時(shí)，擊發(fā)體上端面與隔爆件下端面相接觸，此擊發(fā)過程有限元仿真模型由雷管、導(dǎo)爆管、隔爆件、擊發(fā)體和空氣組成。

針刺端輸出爆轟的針刺雷管起爆藥是氮化鉛，猛炸藥是黑索今。其針刺藥對(duì)威力影響不大，忽略不計(jì)。為處理方便，通過能量相似原理將起爆藥轉(zhuǎn)換成等能量的黑索今輸出藥量[4]：

（1）

式（1）中：W為折合成輸出裝藥黑索今的藥量；W為起爆藥藥量；Q為起爆藥對(duì)應(yīng)的爆熱；Q為黑索今的爆熱。針刺端輸出爆轟的針刺雷管折合藥量結(jié)果如表1所列。

表1 針刺端輸出爆轟的針刺雷管參數(shù)及折合藥量

Tab.1 Acupuncture ended output detonating detonator parameters and converted weight

為保證輸出威力相同，把等效裝藥密度假設(shè)為猛炸藥密度。由文獻(xiàn)[5]可知，裝藥直徑的大小直接影響著爆轟的傳播。因?yàn)楸Z波在藥柱中傳播時(shí)，除了有化學(xué)反應(yīng)放熱外，還有能量耗散。炸藥爆炸時(shí)會(huì)使爆炸產(chǎn)物產(chǎn)生徑向膨脹，而這種膨脹造成反應(yīng)區(qū)中能量耗散。為了更貼近于真實(shí)的輸出威力，本文假設(shè)雷管裝藥直徑不變，等效后雷管中藥量的減少等效為雷管高度的減??；將雷管裝藥的能量假設(shè)為瞬時(shí)釋放，忽略其起爆過程和爆轟成長(zhǎng)過程。

數(shù)值模擬采用LS-DYNA軟件，雷管所用的黑索今炸藥及其產(chǎn)物的JWL狀態(tài)方程參數(shù)、導(dǎo)爆管所用JH-14炸藥的彈塑性模型和點(diǎn)火增長(zhǎng)狀態(tài)方程參數(shù)、空氣采用的NULL模型和狀態(tài)方程參數(shù)均取自文獻(xiàn)[6]，擊發(fā)體材料分別為HPb59-1鉛黃銅、7A04鋁合金、2A12鋁合金，其彈塑性模型參數(shù)取自文獻(xiàn)[7]，隔爆件材料分別為7A04鋁合金和45鋼，其彈塑性模型參數(shù)取自文獻(xiàn)[8]，雷管套材料分別為TC6鈦合金、2A12鋁合金和45鋼，其彈塑性模型參數(shù)取自文獻(xiàn)[8]。

3 仿真的可行性

3.1 簡(jiǎn)化建模的可行性

圖2給出的有限元仿真模型只考慮了雷管點(diǎn)鉚空位處形成的密閉空間，未考慮引信腔體內(nèi)的其它密閉空間，而引信腔體內(nèi)的其它密閉空間效應(yīng)有可能對(duì)雷管爆轟輸出產(chǎn)生影響。為了驗(yàn)證該模型的可行性，又建立了另一種仿真有限元模型，如圖3所示。

圖3 密閉空腔內(nèi)的仿真模型

圖3模型是將圖2模型放入密閉空腔內(nèi)的情形，其空腔體積大小與真實(shí)引信體內(nèi)的空腔大小相同。仿真時(shí)雷管套、擊發(fā)體、雷管、導(dǎo)爆管的模型尺寸均與圖2中的有限元模型尺寸相同。為了處理方便，圖3中的擊發(fā)體沒有擊針尖，起爆點(diǎn)設(shè)置在雷管下端面中心處。對(duì)應(yīng)這兩種仿真模型的導(dǎo)爆管上端面中心處壓力變化如圖4所示。

(a) 密閉狀態(tài) ? ? ? ? ? ? ? ?（b） 敞開狀態(tài)

由圖4可知，在這兩種情況下，導(dǎo)爆管上端面壓力變化趨勢(shì)和數(shù)值大小幾乎完全相同，說明爆轟傳播速度很快，在把擊發(fā)體沖開前就已經(jīng)傳到導(dǎo)爆管處，因此整個(gè)起爆過程是否處于密閉空間內(nèi)對(duì)起爆影響很小，建模時(shí)不考慮引信體空間密閉狀態(tài)是可行的，也說明圖2有限元模型是可信的。

3.2 仿真的可信性

在導(dǎo)爆管中心軸線上端選取A單元1533、下端選取B單元1421。觀察單元上壓力隨時(shí)間的變化，如圖5所示。

(a) 7A04鋁合金隔爆件 ? ? ? ? ? ? ?（b） 45鋼隔爆件

圖5（a）可以看出單元1533和單元1421處的爆轟壓力不斷衰減，但是單元1421處的峰值小于單元1533處的峰值，并且峰值出現(xiàn)的時(shí)間要晚一點(diǎn)，說明導(dǎo)爆管沒有被引爆，單元1421處的爆轟只是雷管爆轟傳播過來的。從圖5（b）可以看出單元1421的壓力有明顯的增長(zhǎng)，并且大于單元1533的峰值壓力，說明導(dǎo)爆管已經(jīng)被引爆，產(chǎn)生了威力更大的爆轟。靶場(chǎng)自毀試驗(yàn)隔爆件材料為7A04鋁合金時(shí)，自毀傳爆序列不能可靠作用，與仿真結(jié)果相同，如圖6所示。從圖6（a）可以看出雷管的威力只能毀壞擊發(fā)體上端面，在圖6（b）中可以通過擊發(fā)體上的被炸開的孔看見擊發(fā)體里面的導(dǎo)爆管殼，其內(nèi)還有少量殘余裝藥JH-14。當(dāng)隔爆件材料換為45鋼時(shí)，自毀傳爆試驗(yàn)表明雷管能夠引爆導(dǎo)爆管，這也與仿真結(jié)果相同。此時(shí)擊發(fā)體被導(dǎo)爆管炸碎。由圖7（a）可以看出，本體的內(nèi)螺紋幾乎沒有損壞，而且本體表面也十分光潔，沒什么破壞。而由圖7（b）可以看出，導(dǎo)爆管爆炸后破壞了本體內(nèi)螺紋，并且爆炸燒蝕了本體的內(nèi)表面以及堵螺。綜上可以看出，仿真能夠正確地模擬針刺端輸出爆轟的雷管在引信爆炸序列中的起爆特性。

（a） ? ? ? ? ? ?（b）

（a） 隔爆件為7A04鋁合金 ? ? （b） 隔爆件為45鋼

4 影響起爆因素仿真分析

4.1 雷管套壁厚對(duì)起爆的影響

當(dāng)隔爆件材料從7A04鋁合金換成45鋼時(shí)，引信質(zhì)量相應(yīng)地增加了十幾克，為了減輕引信質(zhì)量，采用雷管套結(jié)構(gòu)，新的有限元模型如圖8所示。雷管套材料為45鋼，隔爆件材料為7A04鋁合金。調(diào)整雷管套外徑，觀察自毀爆炸序列的作用過程。通過仿真，可知4種雷管套外徑情況下雷管均能引爆導(dǎo)爆管。單元1533和單元1421處的壓力變化如圖9所示。

圖8 有雷管套的有限元仿真模型

(a) 單元1533 ? ? ? ? ? ?（b） 單元1421

從圖9（a）可以看出雷管套厚度不同情況下，雷管輸出爆轟壓力變化趨勢(shì)基本相同，不同之處在于峰值處爆轟壓力的大小。即隨著雷管套厚度的增加，峰值壓力不斷增大，但是即使是6mm外徑的雷管套也能保證雷管的輸出威力。由于雷管套需要定位，上面會(huì)有定位銷孔，而雷管外徑為φ4.87mm，所以雷管套的外徑設(shè)為8mm比較適合。圖9（b）處爆轟峰值壓力的不同主要是由于壓力曲線是來自導(dǎo)爆管上的單元1421，而該單元會(huì)隨著導(dǎo)爆管爆炸導(dǎo)致的變形而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，而不是固定某一點(diǎn)處的壓力變化。

4.2 雷管套材料對(duì)起爆的影響

45鋼的密度比7A04鋁合金的高得多，即使采用雷管套結(jié)構(gòu)，也使引信增加不少重量，現(xiàn)討論雷管套采用2A12鋁合金、45鋼和TC6鈦合金等材料時(shí)的起爆情況。單元1533處的壓力變化曲線如圖10所示。雷管套材料分別為2A12鋁合金和TC6鈦合金時(shí)，A單元1533和B單元1421處的壓力變化曲線如圖11所示。

圖10 單元1533處的壓力變化曲線

(a) 雷管套材料為2A12鋁合金 ? ? ? ? ? ? (b) 雷管套材料為TC6鈦合金

從圖10可以看出，隨著雷管套材料強(qiáng)度的增加，單元1533處的峰值壓力逐漸增大?？梢?，雷管套所用的材料強(qiáng)度越高，針刺端輸出爆轟的雷管的輸出威力越大。由圖11可以看出，當(dāng)雷管套材料為2A12時(shí)，雷管不能引爆導(dǎo)爆管；當(dāng)雷管套材料為45鋼和TC6時(shí)，雷管能夠引爆導(dǎo)爆管。因此，從起爆可靠性上來說，雷管套材料應(yīng)優(yōu)先選取45鋼；從減輕重量上來說，雷管套材料應(yīng)優(yōu)先選取TC6；從成本上來說，雷管套材料應(yīng)優(yōu)先選取45鋼。

4.3 雷管套底厚對(duì)起爆的影響

為了研究雷管套底厚對(duì)雷管輸出威力的影響，現(xiàn)改變圖8中有限元模型的雷管套底厚（圖8中雷管套底厚1.4mm）。擊發(fā)體軸線上接觸導(dǎo)爆管處單元受到的壓力變化如圖12所示。

圖12 雷管套底厚不同時(shí)擊發(fā)體上單元壓力變化曲線

由圖12可知，雷管套厚度從0增加到1 mm，擊發(fā)體上單元受到的壓力明顯增大；雷管套厚度從1 mm增加到2.2 mm，擊發(fā)體上單元所受的壓力幾乎沒有變化，這表明雷管套底厚在1mm以上的增加對(duì)針刺端輸出爆轟的雷管輸出威力的影響不大。由于結(jié)構(gòu)需要，雷管套底部必須有一定的厚度（至少1 mm），所以此處只討論雷管套底厚為1mm的情況。綜合上面的討論，在保持雷管不變的情況下，增大針刺端輸出爆轟的雷管的輸出威力只能靠改變徑向約束，最好選用阻抗比較大的材料，比如鋼和TC6。

4.4 擊發(fā)體材料對(duì)起爆的影響

為了研究擊發(fā)體材料對(duì)起爆的影響，現(xiàn)保持雷管套底厚1.4 mm、雷管套外徑8 mm、雷管套材料為45鋼不變，擊發(fā)體材料分別為2A12鋁合金、7A04鋁合金和HPb59-1銅。單元1533處的壓力變化曲線如圖13所示，壓力峰值如表2所示。

圖13 不同材料擊發(fā)體下單元1533處的壓力變化曲線

表2 單元1533處的峰值壓力

Tab.2 Peak pressure of element 1533

從圖13和表2可知，衰減率由大到小排序的材料是7A04、2A12和HPb59-1，其中2A12和7A04衰減率相差不大。因此單從利于起爆角度來說，應(yīng)選取HPb59-1銅作為擊發(fā)體的材料。

4.5 擊發(fā)體上導(dǎo)爆管輸入端隔板厚度對(duì)起爆的影響

保持其他參量不變，只改變擊發(fā)體上導(dǎo)爆管輸入端隔板厚度，隔板厚度不同時(shí)，單元1533處的壓力變化曲線如圖14所示。

圖14 單元1533處的壓力變化曲線

從圖14可以看出，隨著隔板厚度的增加，單元1533處的壓力不斷減小，說明隔板厚度增加使雷管爆轟的衰減逐漸增強(qiáng)。隔板厚度為0.55mm和0.65mm時(shí)，A單元1533和B單元1421處的壓力變化曲線如圖15所示。由圖15可知，當(dāng)隔板厚度增加到0.65mm時(shí)，雷管不能引爆導(dǎo)爆管。因此在保證強(qiáng)度的情況下，應(yīng)盡可能減小導(dǎo)爆管輸入端隔板厚度。

圖15 不同導(dǎo)爆管輸入端隔板厚度下單元1533和單元1421處的壓力變化曲線

5 結(jié)論

（1）針刺端輸出爆轟的雷管爆炸時(shí)，爆轟波傳播速度很快，可以忽略引信體內(nèi)其它腔室對(duì)整個(gè)起爆過程的影響。

（2）采用雷管套結(jié)構(gòu)，不僅能夠使雷管可靠引爆導(dǎo)爆管，還能減輕整個(gè)引信的重量，而且雷管套外徑的增大，能夠使雷管的輸出威力增大，但是效果不是很明顯。對(duì)于直徑為φ4.87mm的雷管而言，雷管套外徑取為φ8mm比較適合。

（3）雷管套材料對(duì)雷管軸向輸出威力影響較大。當(dāng)雷管套材料為2A12鋁合金時(shí)，雷管不能可靠引爆導(dǎo)爆管；當(dāng)雷管套材料為45鋼和TC6時(shí)，雷管能夠可靠引爆導(dǎo)爆管，且45鋼的效果比TC6要好。

（4）當(dāng)雷管套底厚超過1 mm后，增加雷管套底厚并不能繼續(xù)增大雷管軸向輸出的威力。

（5）擊發(fā)體對(duì)雷管的爆轟也有一定的衰減作用，衰減率由大到小排序的材料是7A04鋁合金、2A12鋁合金和HPb59-1鉛黃銅。

（6）擊發(fā)體上導(dǎo)爆管輸入端厚度的增加，會(huì)明顯削弱雷管向下傳播的爆轟。當(dāng)厚度增加到0.65 mm時(shí)，雷管不能引爆導(dǎo)爆管。

[1] 張新虎.水聲干擾器干擾子彈關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2012.

[2] 張世林,王清華.深水炸彈引信傳爆序列設(shè)計(jì)研究[J].爆破器材,2015,44(1):60-64.

[3] 劉洪榕,胡立雙,胡雙啟,等.多點(diǎn)同步起爆環(huán)形傳爆藥柱數(shù)值模擬研究[J].爆破,2013,30(4):129-131.

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[6] 張磊.機(jī)場(chǎng)跑道反封鎖彈藥技術(shù)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2012.

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[8] 李來福.某槍榴彈機(jī)械觸發(fā)起爆引信關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2015.

Simulation of Detonation Characteristics of Acupuncture Detonating Detonator in Detonation Train

SHI Shao-lu, WEN Quan, WANG Yu-shi, ZHANG Zhi-biao

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing, 210094)

In order to provide a reference for optimization design of the explosive train in grenade fuze, the influence of constraints factors on detonation of Φ4.87mm acupuncture detonating detonator were analyzed by using ANSYS/LS-DYNA. The simulation shows that by using detonator set structure, not only the lead was ignited reliably, but also the weight of fuze was reduced. The output of detonator increased with the increase of thickness of detonator set structure. Material of detonator set structure impact the output power obviously. Increasing the bottom thickness of detonator set structure can not increase the output power when thickness exceeds 1 mm. Firing body also has certain effect on attenuation of detonation. When the thickness of firing body top increased to 0.65 mm, detonator cannot detonate lead.

Explosive train；Detonator；Detonation；Simulation

1003-1480（2015）05-0001-05

TJ450.2

A

2015-05-16

施紹魯（1990-），男，碩士研究生，從事探測(cè)制導(dǎo)與控制方向研究。