撞擊條件下分步壓裝裝藥的點(diǎn)火機(jī)理?

屈可朋 王曉峰 何 超 王世英

西安近代化學(xué)研究所（陜西西安，710065）

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撞擊條件下分步壓裝裝藥的點(diǎn)火機(jī)理?

屈可朋 王曉峰 何 超 王世英

西安近代化學(xué)研究所（陜西西安，710065）

［摘 要］利用大型落錘加載裝置對不同密度分布狀態(tài)的藥柱進(jìn)行了撞擊加載試驗(yàn)，在分析試驗(yàn)前、后藥柱中應(yīng)力和密度分布狀態(tài)變化的基礎(chǔ)上，討論了分步壓裝裝藥的點(diǎn)火機(jī)制。結(jié)果表明：藥柱的力學(xué)響應(yīng)與其內(nèi)部密度分布情況密切相關(guān)，均勻密度藥柱所能承受的最大載荷明顯高于非均勻密度藥柱。在撞擊加載過程中，藥柱內(nèi)部徑向密度差引起的剪切流動是導(dǎo)致分步壓裝裝藥點(diǎn)火的重要原因。

［關(guān)鍵詞］含能材料；分步壓裝裝藥；撞擊試驗(yàn)；點(diǎn)火機(jī)理

引言

分步壓裝裝藥工藝具有效率高、裝藥無疵病等特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于裝填中大口徑殺爆彈［1］。分步壓裝是通過螺桿多次搗壓后成型的工藝過程，其工藝特點(diǎn)決定了裝藥后形成的藥柱沿其徑向存在一定的密度差，即中心密度高、邊沿密度低，這種徑向密度差的存在能否保證裝藥的撞擊安全性已成為關(guān)注的焦點(diǎn)。針對炸藥裝藥的撞擊安全性，國內(nèi)外以往的研究主要集中于炸藥配方［2］、裝藥工藝［3］、裝藥尺寸［4］、裝藥密度［5］以及載荷類型［6-7］等方面，而對于藥柱徑向密度差對其撞擊安全性的影響尚未開展深入研究。國內(nèi)，王淑萍等［5，8］從裝藥缺陷、裝藥孔隙率、裝藥密度分布等方面定性分析了分步壓裝裝藥的安全性，但未深入分析分步壓裝裝藥在撞擊條件下的點(diǎn)火機(jī)理。

本研究以一種新型RDX基含鋁炸藥為對象，壓制了具有一定徑向密度分布的藥柱，進(jìn)行了撞擊加載試驗(yàn)，在獲取其動態(tài)響應(yīng)特性的基礎(chǔ)上，分析了分步壓裝裝藥在撞擊條件下的點(diǎn)火機(jī)理，為分步壓裝工藝裝填大口徑榴彈的發(fā)射安全性分析提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1. 1 試驗(yàn)樣品

RDX基含鋁炸藥由西安近代化學(xué)研究所提供，其主要成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：75%RDX、20%鋁粉和5%黏結(jié)鈍感劑。

為模擬分步壓裝裝藥的徑向密度差，利用“沖頭直徑小、模筒直徑大”的壓制模具，采用多次壓制的方法，制備了尺寸為40 mm×40 mm、具備一定徑向密度差的圓柱形試驗(yàn)樣品，樣品的平均密度為1. 70 g/ cm3。為確定分次壓裝藥柱沿徑向的密度分布情況，在藥柱中部鋸切出3 mm的薄片，分別在薄片的中心、1/2半徑及邊沿處鋸切出1個小藥塊，并利用GJB772A—1997中方法401. 2液體靜力稱量法測量鋸出的藥塊密度，結(jié)果列于表1。由表1可知，采用分次壓制方法制備的藥柱，其最大徑向密度差在6%左右。

表1 多次壓裝藥柱不同部位的密度值Tab. 1 Density values of the multiple pressing samples at different location

為與多次壓裝藥柱對比，采用傳統(tǒng)模壓工藝，制備了密度為1. 70 g/ cm3的均勻密度的藥柱。

1. 2 試驗(yàn)裝置和方法

試驗(yàn)在大型落錘加載裝置上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

藥柱安裝于試驗(yàn)樣彈中，通過自由下落的重錘撞擊試驗(yàn)樣彈的上擊柱，實(shí)現(xiàn)對藥柱的沖擊加載。試驗(yàn)樣彈裝配時(shí)，各組件須依次裝入套筒，以防止各組件之間殘留氣體的存留。試驗(yàn)中，所用落錘質(zhì)量為400 kg，通過改變落錘高度，調(diào)節(jié)藥柱所受到的應(yīng)力載荷，觀察樣彈中藥柱的反應(yīng)情況，并利用應(yīng)變式傳感器記錄試驗(yàn)過程中的應(yīng)力波形。每種狀態(tài)重復(fù)3發(fā)，取其平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

1. 3 試驗(yàn)結(jié)果

2種密度分布狀態(tài)的藥柱在落錘撞擊作用下的動態(tài)響應(yīng)結(jié)果列于表2?？梢钥闯?，藥柱的響應(yīng)情況與其密度分布情況密切相關(guān)，均勻密度藥柱所能承受的最大載荷明顯高于非均勻密度藥柱，均勻密度藥柱在應(yīng)力達(dá)到1 160 MPa的作用力下仍可保持不燃不爆，而非均勻密度藥柱在應(yīng)力為907 MPa時(shí)，即發(fā)生了爆炸反應(yīng)，這可能是由于2種密度分布狀態(tài)藥柱的點(diǎn)火機(jī)制不同。

表2 試樣在落錘沖擊作用下的力學(xué)響應(yīng)結(jié)果Tab. 2 Mechanical reponse results of samples under the drop hammer impact loading

2 分析與討論

藥柱中密度分布狀態(tài)的差異可能導(dǎo)致其在撞擊過程中內(nèi)部應(yīng)力分布的差異，而藥柱中的應(yīng)力分布狀態(tài)直接影響到熱點(diǎn)的形成機(jī)制，從而使不同密度分布狀態(tài)的藥柱在同等的加載條件下表現(xiàn)出不同的響應(yīng)特性。為弄清徑向密度差對藥柱點(diǎn)火機(jī)制的影響，從加載過程中藥柱內(nèi)部應(yīng)力分布及密度變化兩方面進(jìn)行了分析。

2. 1 應(yīng)力分布狀態(tài)

由于目前的測試手段難以對藥柱內(nèi)部應(yīng)力分布情況進(jìn)行直接測量，所以本研究中采用數(shù)值模擬方法對其進(jìn)行分析。由于難以獲得大量的不同密度裝藥的本構(gòu)參數(shù)，所以將密度不均勻的分步壓裝藥柱假設(shè)為3層復(fù)合裝藥，其中，內(nèi)層裝藥的直徑為8 mm，密度為1. 74 g/ cm3；中間層的外徑為18 mm，密度為1. 70 g/ cm3；最外層裝藥的密度為1. 64 g/ cm3，則計(jì)算出的平均密度約為1. 70 g/ cm3，與樣品的測量值基本相符。

利用ANSYS/ LS-DYNA仿真軟件分別建立圖1 （b）的仿真模型。其中，炸藥采用分段線性塑性模型Mat_Piecewise_Linear _Plasticity描述，聚乙烯墊片采用彈塑性隨動硬化模型，落錘、套筒及活塞所用材料均為T 10鋼，采用Johnson-Cook（J-C）模型描述，各類材料的物理參數(shù)列于表3。為得出藥柱沿軸向及徑向的應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，在藥柱模型上設(shè)置若干觀測點(diǎn)，如圖2所示。

表3 材料的物理參數(shù)Tab. 3 Physics parameters of materials

圖3為非均勻密度藥柱與均勻密度藥柱不同部位等效應(yīng)力峰值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

從圖3（a）可以看出，在軸向分布的4個測點(diǎn)中，非均勻密度藥柱中的應(yīng)力峰值均高于均勻密度藥柱，這是因?yàn)榉蔷鶆蛎芏人幹闹行拿芏雀哂诰鶆蛎芏人幹?，但兩種藥柱的應(yīng)力峰值沿軸向的變化趨勢均相同。

從圖3（b）可以看出，對于非均勻密度藥柱，隨著半徑的增加，應(yīng)力峰值逐漸減小，半徑為4 mm的測點(diǎn)位于密度最高的中心位置附近，其應(yīng)力峰值為1 047 MPa；半徑為9、14 mm的兩個測點(diǎn)均位于藥柱中間層，其應(yīng)力峰值分別為980 MPa和968 MPa；半徑為19 mm的測點(diǎn)位于密度最低的藥柱邊沿，其應(yīng)力峰值為935 MPa。而均勻密度藥柱中，其應(yīng)力峰值基本不變，約為965 MPa左右。這表明，藥柱徑向密度差會導(dǎo)致其徑向應(yīng)力峰值出現(xiàn)明顯的梯度，中心位置的應(yīng)力峰值超出邊沿位置約110 MPa。雖然仿真模型僅為3層復(fù)合裝藥，但也可以體現(xiàn)出非均勻密度藥柱中應(yīng)力峰值隨著半徑的增加而逐漸減小的趨勢。

從圖3（c）可以看出，藥柱的密度分布狀態(tài)直接影響著藥柱內(nèi)部的剪切應(yīng)力峰值。雖然兩種密度分布狀態(tài)藥柱的剪切應(yīng)力均隨半徑的增加而增加，但非均勻密度藥柱的剪切應(yīng)力明顯高于均勻密度藥柱，且隨著半徑增加，其增幅逐漸增大。

2. 2 密度分布狀態(tài)

表4列出了均勻密度藥柱和非均勻密度藥柱試驗(yàn)前、后藥柱不同部位密度的CT值。由表4可知，兩種藥柱在試驗(yàn)后，藥柱中心、1/2半徑及邊沿處的密度均增大，說明藥柱受到了明顯的壓縮作用。均勻密度藥柱試驗(yàn)后各部位的密度增幅在1%～2%之間。而非均勻密度藥柱試驗(yàn)后藥柱中心密度增幅最小，約為3%，邊沿密度增幅最大，達(dá)到了8%，說明藥柱內(nèi)部有物質(zhì)向邊沿位置移動。

表4 試樣沖擊加載前后密度的CT值Tab. 4 Density CT values of samples before and after impact loading

為分析試驗(yàn)前、后藥柱密度分布變化情況，計(jì)算了試驗(yàn)前、后藥柱邊沿密度較中心密度的增量，計(jì)算方法為：

增量＝（邊沿密度-中心密度）/中心密度× 100%

圖4為試驗(yàn)前、后藥柱邊沿密度較中心藥柱的增量變化情況。由圖4可見，均勻密度藥柱試驗(yàn)前、后邊沿密度較中心密度的增量基本不變，約為9. 5%，說明在試驗(yàn)加載過程中，藥柱內(nèi)部各處的變形為均勻變形，物質(zhì)無明顯徑向移動；而非均勻密度藥柱，試驗(yàn)加載前，邊沿密度較中心密度的增量為5. 71%，而試驗(yàn)后邊沿密度較中心密度的增量明顯增大，達(dá)到了11. 46%，說明在試驗(yàn)加載過程中，藥柱內(nèi)部各處的均勻變形，有一部分物質(zhì)由藥柱的中心位置向邊沿位置移動，這與王淑萍等［8］的研究結(jié)論是一致的。

2. 3 分步壓裝裝藥點(diǎn)火機(jī)理分析

在落錘加載過程中，藥柱四周受到強(qiáng)約束，均勻密度的模壓藥柱發(fā)生軸向壓縮，內(nèi)部各處變形均勻，其起爆機(jī)制一般認(rèn)為是由于藥柱中的空隙等缺陷受到絕熱壓縮，從而引發(fā)局部熱點(diǎn)形成［9］。而分步壓裝藥柱一般不存在肉眼可見的疵病，主要缺陷在于壓制不密實(shí)而產(chǎn)生的一定范圍的空隙率（均勻分布的微米級的細(xì)小氣泡），典型的分步壓裝裝藥，其平均空隙率一般在10%左右。盡管空隙率很高，但分布相對均勻，故絕熱壓縮起爆機(jī)制并不能完全解釋分步壓裝藥柱的點(diǎn)火機(jī)制。

由試驗(yàn)前、后藥柱內(nèi)部應(yīng)力及密度分布變化情況可知，分步壓裝藥柱在受到撞擊加載時(shí)，存在較大的徑向應(yīng)力梯度，在此徑向應(yīng)力梯度的作用下，藥柱內(nèi)部物質(zhì)會趨于均勻化分布，使得中心高密度區(qū)物質(zhì)向邊沿低密度區(qū)流動，這會造成藥柱內(nèi)部的不均勻運(yùn)動，進(jìn)而產(chǎn)生剪切流動現(xiàn)象。而文獻(xiàn)［10-11］認(rèn)為，材料內(nèi)部不均勻的剪切流動，使得持續(xù)的變形與能量耗散向局部區(qū)域集中，從而可造成不均勻的熱狀態(tài)，增大了熱點(diǎn)形成的幾率，故可以認(rèn)為由藥柱中徑向密度差引起的剪切流動是導(dǎo)致分步壓裝裝藥點(diǎn)火的重要原因。

由于分步壓裝裝藥的撞擊點(diǎn)火是一個復(fù)雜的過程，難以直接觀測到內(nèi)部物質(zhì)的流動，故后續(xù)需要開展相關(guān)理論研究及模型試驗(yàn)對其點(diǎn)火機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步分析。

3 結(jié)論

1）落錘撞擊條件下藥柱的響應(yīng)特性與其內(nèi)部密度分布情況密切相關(guān)，均勻密度藥柱所能承受的最大載荷明顯高于非均勻密度藥柱。

2）分步壓裝藥柱在受到撞擊加載時(shí)，藥柱內(nèi)部物質(zhì)會由中心高密度區(qū)向邊沿低密度區(qū)流動，產(chǎn)生了剪切流動現(xiàn)象，快速的剪切流動可能是導(dǎo)致分步壓裝裝藥點(diǎn)火的。

參考文獻(xiàn)

［1］ 吳濤，直小松，孫強(qiáng).分步壓裝高能混合炸藥在戰(zhàn)斗部裝藥中的應(yīng)用研究［J］.國防技術(shù)基礎(chǔ)，2009（6）：43-46.

［2］ 高立龍，牛余雷，王浩，等.典型炸藥柱的400kg落錘撞擊感度特性分析［J］.含能材料，2011，19（4）：428-431. GAO L L，NIU Y L，WANG H，et al. Analysis of impact sensitivity characteristics for typical explosive cylinder ［J］. Chinese Journal of Energetic Materials，2011，19 （4）：428-431.

［3］ 王世英，胡煥性.炸藥裝藥工藝對發(fā)射安全性的影響［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2003，26（1）：20-22. WANG S Y，HU H X. The effect of different charging processes on the launch safety［J］. Chinese Journal of Explosives & Propellants，2003，26（1）：20-22.

［4］ 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（4）：18-20. WANG S P. Study on size effect of projectile filling under the impact［J］. Chinese Journal of Explosives & Propellants，2000（4）：18-20.

［5］ 王淑萍，王曉峰，金大勇.壓制密度及密度均勻性對裝藥撞擊安全性的影響［J］.含能材料，2011，19（6）：705-708. WANG S P，WANG X F，JIN D Y. Influence of pressed explosive charges density and its distribution on impact safety［J］. Chinese Journal of Energetic Materials，2011，19（6）：705-708.

［6］ JOSHI V S，RICHMOND C T. Characterization of ignition threshold of PBXN-110 using hybrid drop weight-Hopkinson bar［C］/ /14th Detonation Symposium Proceeding. Idaho：Office of Naval Research，2010：1254-1263.

［7］ CHEN P W，HUANG F L，DAI K D，et al. Detection and characterization of long-pulse low-velocity impact damage in plastic bonded explosives［J］. International Journal of Impact Engineering，2005，31：497-508.

［8］ 王淑萍.分步壓裝裝藥的安全性分析［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2006，29（2）：23-25.WANG S P. The safety analysis of the step-press-loading charges［J］. Chinese Journal of Explosives & Propellants，2006，29（2）：23-25.

［9］ 梁增友.炸藥沖擊損傷與起爆特性［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［10］ KRZEWINSKI B，BLAKE O，LIEB R，et al. Shear deformation and shear initiation of explosives and propellants［C］/ / Proceedings of the 12th International Detonation Symposium. San Diego，California，USA，2002：1548-1556.

［11］ FIELD J E，PALMER S J P，POPE P H，et al. Mechanical properties of PBX’s and their behavior during drop weight tests［C］/ / Proceedings of the 8th International Detonation Symposium. Albuquerque，New Mexico，1985：635-644.

Ignition Mechanism of Step Press Loading Charge under Impact Loading

QU Kepeng，WANG Xiaofeng，HE Chao，WANG Shiying

Xi’an Modern Chemistry Research Institute（Xi’an，710065）

［ABSTRACT］ Impact tests of explosive samples with different density distributions were carried out using drop hammer. Based on the analysis of stress and density distribution before and after impact tests，ignition mechanism of step press loading charge was discussed. The results show that the mechanical response of explosive samples are dependent with the inner density distribution，uniform density sample with uniform density distribution can endure bigger load stress than sample with non-uniform density distribution. Shear flow caused by the radial density difference is one of the important reasons causing step press loading charge ignition during the impact loading.

［KEY WORDS］ energetic materials；step-press-loading charge；impact test；ignition mechanism

收稿日期：［分類號］ TJ55；O347. 3?2015-12-28

doi：10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 03. 005

基金項(xiàng)目：國家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（0040105）

作者簡介：屈可朋（1983 -），男，碩士，工程師，主要從事彈藥材料動態(tài)力學(xué)響應(yīng)及安全性的研究。E-mail：155301498@ qq. com