微起爆序列界面間隙對其傳爆性能影響的仿真研究

羅德宏，李 慧，張晶鑫，任 煒，白穎偉，王可暄，尹 明

（1. 海軍駐西安彈藥專業(yè)軍事代表室，陜西 西安，710061；2. 陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國家級重點實驗室，陜西 西安，710061）

微起爆序列界面間隙對其傳爆性能影響的仿真研究

羅德宏1，李 慧2，張晶鑫2，任 煒2，白穎偉2，王可暄2，尹 明2

（1. 海軍駐西安彈藥專業(yè)軍事代表室，陜西 西安，710061；2. 陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國家級重點實驗室，陜西 西安，710061）

為研究微起爆序列中結(jié)構(gòu)間隙對傳爆性能的影響，基于有限元分析方法，建立了微起爆序列仿真模型，并運用JWL和Lee-Tarver方程進行計算，得到了起爆二級藥柱的3種尺寸微藥柱的臨界間隙值。將仿真結(jié)果進行試驗驗證，結(jié)果表明仿真結(jié)果能夠準確地反映實際情況。

起爆序列；微小型；仿真分析；傳爆

MEMS火工品作為第四代火工品，在戰(zhàn)略導(dǎo)彈、核武器及航空航天領(lǐng)域均有較為廣泛的應(yīng)用潛力，其中微小型化傳爆序列是實現(xiàn)MEMS火工品在引信系統(tǒng)應(yīng)用的重要技術(shù)，美國將其列為實現(xiàn)引信安全和發(fā)火系統(tǒng)體積減小、降低成本的4項關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。微起爆序列是一系列火工品的組合，其作用是將一個很小的初始能量通過爆炸元件逐級放大，輸出爆轟能量，以引爆彈藥或者爆炸裝置中的主裝藥。但微起爆序列與傳統(tǒng)起爆序列在傳爆機理方面存在本質(zhì)區(qū)別，目前研究結(jié)果較少，并且微起爆序列裝藥藥劑類型、裝藥量及裝藥方式不同，因此需針對其傳爆可靠性及安全性進行研究。本文采用數(shù)值仿真與試驗驗證相結(jié)合的方法，研究微起爆序列間隙對MEMS火工品微序列起爆能力的影響和臨界起爆判據(jù)，為提高MEMS火工品微起爆序列安全性可靠性設(shè)計提供依據(jù)。

1 微起爆序列間隙起爆數(shù)值模擬

1.1 微起爆序列間隙起爆模擬方法

本文研究內(nèi)容為直列式微起爆序列，作用過程為微雷管起爆一級藥柱，通過結(jié)構(gòu)間隙對二級藥柱作用。微起爆序列中一級藥柱為密度1.84g/cm3，直徑分別為φ1mm、φ1.5mm、φ2.0mm，徑高比為1的CL-20，二級藥柱為密度1.84g/cm3的JO-9C，尺寸φ 4mm× 4mm。試驗裝置的約束材料選用不銹鋼，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試驗結(jié)構(gòu)裝置Fig.1 Testing device

運用AUTODYN有限元軟件對微火工序列間隙起爆進行仿真研究[2]，涉及的材料包括藥柱材料、空氣介質(zhì)、殼體及鑒定塊材料。一級藥柱、二級藥柱的爆轟為非線性流體力學(xué)問題，殼體及鑒定塊材料涉及固體大變形[3]，所以，研究涉及到流體、固體相互作用時，選用流固耦合法進行仿真計算。

為準確地對問題進行模擬，需對結(jié)構(gòu)進行合理假定：微起爆序列中所有材料初始應(yīng)力為零，除炸藥受到殼體約束，其余邊界為自由面；藥柱為均勻密度。模擬過程從一級藥柱開始，以中心點起爆方式起爆。

1.2.1 有限元模型

微起爆序列為軸對稱結(jié)構(gòu)，根據(jù)其旋轉(zhuǎn)對稱性，取一級藥柱底面中心點為坐標原點，X軸為對稱軸建立模型，如圖2所示，考慮微起爆序列仿真精確度及計算時間，有限單元大小設(shè)置為0.1mm。

圖2 簡化后仿真有限元模型Fig.2 Simplified model of device

在模型軸對稱中心建立觀測點，獲取壓力時間曲線，二級藥柱是否被起爆由觀測點壓力曲線判斷。

1.2.2狀態(tài)方程

微起爆序列仿真材料包括約束殼體、鑒定塊、空氣、藥柱。高速沖擊下約束殼體和鑒定塊的力學(xué)行為選擇Gruneisen狀態(tài)方程計算；空氣材料模型采用理想氣體狀態(tài)方程。一級藥柱CL-20爆轟及其產(chǎn)物膨脹過程以JWL方程描述[4-6]：

式（1）中：P為爆轟產(chǎn)物的壓力；V為相對體積；E為比熱力學(xué)能；A、B、R1、R2和ω為常數(shù)，可通過圓筒試驗擬合。其JWL方程參數(shù)根據(jù)參考文獻[7-8]進行設(shè)置。

二級藥柱由一級藥柱爆轟壓力引起作用，反應(yīng)過程不可忽略，以Lee-Tarver方程[9]描述其作用過程。Lee-Tarver方程反應(yīng)率函數(shù)形式為：

式（2）中：F為炸藥反應(yīng)度，且0≤F≤1，當(dāng)F=0時，表示炸藥未反應(yīng)，當(dāng)F=1時表示炸藥完全反應(yīng)；t為時間；ρ為密度；ρ0為初始密度；p為壓力；方程中包括12個未知參數(shù)：I、b、a、x、G1、c、d、y、G2、e、g和z，見表1。

管理系統(tǒng)評價因子就是對當(dāng)前管理系統(tǒng)的運行狀況進行評價，通常對相關(guān)人員采取調(diào)查和填表的方式，每部分調(diào)查內(nèi)容都有對應(yīng)的評價分數(shù)，在完成所有對應(yīng)的評價后，會得到管理系統(tǒng)的評估總分，最后將實際的評估總分轉(zhuǎn)化成FMS，計算如式(4)所示:

表1 仿真中JO-9C的 Lee-Tarver方程參數(shù)Tab.1 The simulation parameters of JO-9C of Lee-Tarver equation

2 微起爆序列間隙起爆數(shù)值模擬結(jié)果

采用流固耦合法對微起爆序列進行仿真，研究密度為1.84g/cm3、不同尺寸的一級藥柱起爆二級藥柱的臨界間隙大小。藥柱不同觀測點的壓力——時間曲線代表藥柱不同深度處的爆轟壓力值。

2.1 φ2mm×2mm一級藥柱的仿真結(jié)果

φ2mm×2mm的一級藥柱在不同間隙下起爆二級藥柱的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3（a）間隙大小為1.5mm，當(dāng)t=0.4μs時，爆轟到二級藥柱底部，觀測點壓力逐漸上升至28GPa左右，且沿著傳播方向穩(wěn)定傳播，二級藥柱達到穩(wěn)定爆轟；圖3（b）間隙為2.0mm，當(dāng)t=0.5μs時，爆轟傳到二級藥柱底部，沿著爆轟波傳播的方向，觀測點壓力逐漸上升至25GPa左右，與圖3（a）情況相同，二級藥柱達到穩(wěn)定爆轟；圖3（c）間隙為2.1mm，當(dāng)t=0.6μs時，爆轟傳到二級藥柱底部，沿著爆轟波傳播方向，藥柱底部觀測點壓力逐漸上升至14GPa左右，然后其壓力值隨時間下降。隨著藥柱深度的增加，觀測點壓力峰值大幅減小，且低于爆轟壓力，二級藥柱未發(fā)生爆轟。

圖3 φ2mm×2mm一級藥柱、不同間隙下二級藥柱上各觀測點的壓力——時間曲線Fig.3 The P——t curve of gauge points of second grain under φ2mm×2mm first grain and different gap condition

2.2 φ1.5mm×1.5mm一級藥柱的仿真結(jié)果

φ1.5mm×1.5mm的一級藥柱在不同間隙下起爆二級藥柱的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 φ1.5mm×1.5mm一級藥柱、不同間隙下二級藥柱上各觀測點壓力——時間曲線Fig.4 The P——t curve of gauge points of second grain underφ 1.5mm×1.5mm first grain and different gap condition

由圖4（a）可見，間隙1.6mm時爆轟波在藥柱內(nèi)穩(wěn)定傳播，二級藥柱爆轟；間隙1.7mm時二級藥柱未發(fā)生爆轟。當(dāng)t=0.4μs時，爆轟波傳到二級藥柱底部，沿著爆轟波傳播方向，壓力值隨時間減小，并且隨著藥柱深度的增加觀測點壓力峰值大幅減小，逐漸降至5GPa左右，低于爆轟壓力。

2.3 φ1.0mm×1.0mm一級藥柱的仿真結(jié)果

φ1.0mm×1.0mm一級藥柱在不同間隙下起爆二級藥柱的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 φ1.0mm×1.0mm一級藥柱、不同間隙下二級藥柱上各觀測點壓力——時間曲線Fig.5 The P——t curve of gauge points of second grain under φ1.0mm×1.0mm first grain and different gap condition

由圖5可見，間隙1.0mm時爆轟波在藥柱內(nèi)穩(wěn)定傳播，二級藥柱爆轟；間隙1.1mm時，傳到二級藥柱底部的壓力值低于爆轟壓力，二級藥柱未發(fā)生爆轟。

3 微起爆序列間隙起爆試驗驗證

3.1 試驗裝置

通過微起爆序列間隙起爆發(fā)火試驗對仿真結(jié)果進行驗證，選用的一級藥柱尺寸為φ2mm×2mm，密度為1.84g/cm3，二級藥柱尺寸為φ4mm×4mm，密度為1.84g/cm3。采用小雷管對一級藥柱起爆，起爆方式為電起爆，發(fā)火條件為12V。試驗裝置中上腔體尺寸為φ1.2mm×0.2mm，下腔體尺寸φ1.2mm×0.4 mm，鑒定塊尺寸為φ1.6mm×0.2mm。間隙尺寸如表2所示，試驗樣品如圖6所示。

表2 試驗中間隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 The gap size

圖6 微起爆序列間隙起爆試驗樣品圖Fig.6 Photo of tested sample

3.2 試驗結(jié)果

共進行了10發(fā)試驗，試驗結(jié)果如表3和圖7所示。由表3和圖7可見，間隙大小為1.5mm時，二級藥柱腔體被炸開，鑒定塊凹坑明顯，可以斷定二級藥柱起爆；間隙大小2.0mm時，二級藥柱腔體炸裂，鑒定塊凹坑也比較明顯，二級藥柱起爆；間隙大小為2.1mm時，二級藥柱腔體完好，鑒定塊無痕跡，二級藥柱未起爆。將試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比，對于φ2mm×2mm的一級藥柱，其穩(wěn)定起爆二級藥柱的臨界間隙結(jié)果是一致的，均為2.0mm。

表3 微起爆序列間隙起爆試驗結(jié)果Tab.3 The test result of micro train explosive

圖7 試驗結(jié)果Fig.7 Photo of test result

4 結(jié)論

本文采用AYTODYN軟件對微序列中結(jié)構(gòu)間隙對起爆規(guī)律的影響進行仿真計算，并對仿真結(jié)果進行試驗驗證?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論：

（1）通過不同大小CL-20藥柱對JO-9C藥柱的起爆能力的仿真研究，得到了密度為1.84g/cm3的CL-20起爆JO-9C的臨界間隙：一級藥柱尺寸分別為φ2mm×2mm、φ1.5mm×1.5mm、φ1.0mm×1.0mm時，其對應(yīng)的臨界起爆間隙分別為2.0mm、1.6mm、 1.0mm。（2）通過對φ2mm×2mm的一級藥柱進行間隙起爆試驗，證明仿真結(jié)果與試驗結(jié)果是一致的，說明此仿真方法的正確性，可為MEMS火工品微起爆序列設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

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The Simulation on the Effect of Interface Clearance of Micro Explosive Train on Detonation

LUO De-hong1，LI Hui2，ZHANG Jing-xin2，REN Wei2，BAI Ying-wei2，WANG Ke-xuan2，YIN Ming2
(1.Military Representative Office of Naval Ammunition in Xi’an, Xi’an，710061；2. National Key Laboratory of Applied Physics and Chemistry, Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061)

In order to study the effect of structure clearance on detonation capability of micro explosive train, the twodimensional simulation model of micro explosive train is built using the finite element analysis method, and the calculation was carried out using the JWL and Lee-Tarver equation. The critical clearance value for first grain with three diameters were obtained. Then, the simulation result is tested and verified, which shows that the simulation can accurately reflect the actual situation.

Explosive train；Miniature；Simulation analysis；Transmission of detonation

TJ450.2

A

1003-1480（2016）06-0017-04

2016-09-05

羅德宏（1966 -），男，高級工程師，主要從事彈藥工程研究。

兵器集團戰(zhàn)略基金。