六棱柱沖擊作用下B炸藥起爆影響因素研究*

盧錦釗，智小琦

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

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六棱柱沖擊作用下B炸藥起爆影響因素研究*

盧錦釗，智小琦

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

摘要:在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Audotyn-3D數(shù)值模擬軟件，應(yīng)用點(diǎn)火增長(zhǎng)模型，對(duì)六棱柱破片沖擊起爆帶殼B炸藥進(jìn)行了模擬仿真，得出B炸藥壓力分布圖及內(nèi)部觀測(cè)點(diǎn)壓力-時(shí)間曲線，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合. 在此基礎(chǔ)上研究了雙六棱柱破片不同時(shí)撞擊炸藥盒的破片，當(dāng)前后間距較小時(shí)，沖擊波正碰撞進(jìn)行疊加，當(dāng)距離較大時(shí)，沖擊波斜碰撞進(jìn)行疊加. 同質(zhì)量條件下六棱柱破片的長(zhǎng)徑比越大，閾值速度越大； 撞擊面積越小，閾值速度越大； 長(zhǎng)方體較圓球破片和六棱柱破片更容易起爆B炸藥.

關(guān)鍵詞:B炸藥； 沖擊起爆； 閾值速度

0引言

炸藥的沖擊起爆是應(yīng)用廣泛且十分重要的研究課題，存在裝藥安全性問(wèn)題、 防空反導(dǎo)戰(zhàn)斗部，設(shè)計(jì)以及炸藥存儲(chǔ)安全性等問(wèn)題[1]. 對(duì)于反導(dǎo)戰(zhàn)斗部通常采用裝藥爆炸產(chǎn)生的高速預(yù)制破片來(lái)引爆敵人來(lái)襲導(dǎo)彈裝藥，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈地有效攔截[2]. 對(duì)于大多數(shù)戰(zhàn)斗部裝藥結(jié)構(gòu)，可以將此問(wèn)題簡(jiǎn)化為破片對(duì)帶具有一定厚度的殼板裝藥的沖擊起爆問(wèn)題. 由于破片對(duì)帶殼裝藥沖擊起爆過(guò)程涉及破片穿甲過(guò)程以及高溫、 高壓、 高應(yīng)變率和多相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和非定常復(fù)雜反應(yīng)過(guò)程[3-6]，從理論上研究該問(wèn)題仍存在較大的難度和挑戰(zhàn)性. 本人利用Audotyn-3D顯式有限元分析軟件和國(guó)際上較為流行的點(diǎn)火增長(zhǎng)模型Lee-Tarver[7]，模擬六棱柱破片沖擊起爆B炸藥，并利用該模型研究在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法觀測(cè)的起爆機(jī)理，這對(duì)研究帶殼B炸藥在高速破片撞擊下的起爆問(wèn)題具有重要意義[8].

1破片撞擊藥盒實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 1 所示，發(fā)射裝置為14.5 mm彈道槍，破片為12 g內(nèi)切圓Φ9×9.5 mm六棱鎢柱，炸藥盒前設(shè)置間距測(cè)速靶； 其中炸藥盒為Φ100×80 mm的Q235鋼，厚度10 mm； 炸藥盒內(nèi)裝填Φ80×60 mm的B炸藥，裝藥密度1.68 g/cm3.

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到5發(fā)破片的著靶速度及沖擊起爆結(jié)果，如表 1 所示. 可以看出，六棱柱破片沖擊起爆炸藥盒閾值速度約為750～800 m/s.

圖 1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1　Diagram of the test system

序號(hào)速度/(m·s-1)判定結(jié)果1895.4爆炸2887.8爆炸3797.7爆炸4748.9未爆5547.4未爆

2數(shù)值模擬

2.1數(shù)值建模

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，利用Autodyn軟件建立內(nèi)切圓Φ9×9.5 mm 六棱柱破片，再分別建立Φ100×10 mm 殼板和Φ100×60 mm B炸藥，殼板和炸藥側(cè)面添加General 3D Velocity邊界，參數(shù)均設(shè)置為0 m/s. 由于模型關(guān)于兩個(gè)空間面對(duì)稱，為節(jié)約時(shí)間提高效率，采用四分之一沖擊起爆數(shù)值模型. 六棱鎢柱、 殼板和B炸藥均采用Lagrange算法，為保證計(jì)算精度要求，網(wǎng)格劃分尺寸控制在0.5 mm以內(nèi)； 同時(shí)在炸藥軸線方向均勻設(shè)置7個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，如圖 2 所示.

圖 2　模型及觀測(cè)點(diǎn)位置Fig.2　Model and the observation point

2.2材料方程及參數(shù)

2.2.1材料方程的選取

仿真計(jì)算中，B炸藥的沖擊響應(yīng)采用Lee-Tarver狀態(tài)方

(1)

式中：F是反應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；P是爆炸壓力；μ是壓縮沖程；a是抑制點(diǎn)火閾值；I和x是點(diǎn)火控制量；G1和d是炸藥早期反應(yīng)增長(zhǎng)控制值；G2和z是控制高壓反應(yīng)分?jǐn)?shù).

Shock狀態(tài)方程常被應(yīng)用于材料高速相撞的情況. 在非強(qiáng)沖擊條件下大多數(shù)固體和多數(shù)液體材料遵守一個(gè)簡(jiǎn)單的線性規(guī)律，即材料沖擊波波陣面上的質(zhì)點(diǎn)速度vp和沖擊波速度vs的關(guān)系式為vs=c0+svp[10]. 其中c0和s分別為定義vs和vp的關(guān)系系數(shù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)得出的Hugoniot曲線和Mie-Gruneisen狀態(tài)方程，可得出Shock狀態(tài)方程關(guān)系式定義為

(2)

式中： ω=1-ρ0/ρ為體積正應(yīng)變； γ0為Gruneisen系數(shù).

關(guān)于侵蝕基礎(chǔ)原理的描述是多種多樣的. 當(dāng)達(dá)到設(shè)定的侵蝕標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，任何材料都能發(fā)生侵蝕[11]. Geometric strain能夠?qū)卧W(wǎng)格的扭曲變形進(jìn)行估量，并通過(guò)主應(yīng)力式(3)進(jìn)行計(jì)算

(3)

當(dāng)單元網(wǎng)格的幾何應(yīng)力超過(guò)規(guī)定值時(shí)，侵蝕公式就會(huì)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行移除. 侵蝕的值一般設(shè)定為0.5～2.0[12]，對(duì)于大多數(shù)情況，使用系統(tǒng)默認(rèn)值1.5即可.

表 2　計(jì)算選取的模型

2.2.2材料參數(shù)的選取

Q235殼板的密度為7.89 g/cm3，剪切模量為79.64 GPa，屈服應(yīng)力235 MPa，泊松比0.29. 鎢合金與B炸藥參數(shù)取自于Autodyn材料數(shù)據(jù)庫(kù).

2.3模擬結(jié)果及分析

利用“升-降法”[13]調(diào)整著靶速度進(jìn)行仿真計(jì)算，得出六棱柱破片以755 m/s和765 m/s的速度撞擊帶殼B炸藥時(shí)觀測(cè)點(diǎn)壓力—時(shí)間曲線圖(見(jiàn)圖 3)和反應(yīng)分?jǐn)?shù)云圖(見(jiàn)圖 4 和圖 5).

通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)壓力—時(shí)間曲線圖可以得到，速度為755 m/s時(shí)，觀測(cè)點(diǎn)壓力值依次先升高再下降直至穩(wěn)定在一個(gè)壓力范圍內(nèi)，表明炸藥不發(fā)生爆炸(見(jiàn)圖 3(a)). 著速765 m/s時(shí)，觀測(cè)點(diǎn)5壓力急劇上升，隨后觀測(cè)點(diǎn)6，7也急劇升高，其壓力峰值大于B炸藥爆轟時(shí)產(chǎn)生的C-J壓力值29.5 GPa，隨后緩慢下降，炸藥發(fā)生爆炸； 點(diǎn)火發(fā)生在觀測(cè)點(diǎn)4和5之間(見(jiàn)圖 3(b)).

圖 3　觀測(cè)點(diǎn)壓力圖Fig.3　Observation point of pressure diagram

圖 4　速度為755 m/s時(shí)反應(yīng)分?jǐn)?shù)云圖Fig.4　The nephogram of ALPHA at 755 m/s

圖 5　速度為765 m/s時(shí)反應(yīng)分?jǐn)?shù)云圖Fig.5　The nephogram of ALPHA at 765 m/s

在Autodyn軟件中查看B炸藥的分?jǐn)?shù)ALPHA云圖，能反映炸藥反應(yīng)分子占分子總數(shù)的百分比[14]，如圖 4 所示. 當(dāng)速度為755 m/s時(shí)，在60 μs時(shí)炸藥的反應(yīng)分?jǐn)?shù)為0.600 5，隨后反應(yīng)分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在0.601 0左右； 100 μs時(shí)，反應(yīng)分?jǐn)?shù)為0.601 3，炸藥沒(méi)有發(fā)生爆炸. 當(dāng)速度為756 m/s時(shí)，炸藥在16 μs時(shí)的反應(yīng)分?jǐn)?shù)達(dá)到了1，此處炸藥已完全反應(yīng)，并迅速擴(kuò)散，如圖 5 所示.

因此，得出利用Autodyn計(jì)算Φ9×9.5 mm 的六棱柱破片沖擊起爆帶殼B炸藥閾值速度約為760 m/s，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致.

3仿真研究

3.1雙破片不同時(shí)撞擊炸藥盒速度閾值研究

研究雙破片不同時(shí)命中來(lái)襲導(dǎo)彈并引發(fā)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部起爆對(duì)于近程反導(dǎo)意義重大[15]，為方便問(wèn)題研究，可假設(shè) ① 忽略破片撞擊炸藥盒過(guò)程中表面稀疏波的影響； ② 忽略炸藥背表面及其覆殼板的反射波影響； ③ 假設(shè)破片速度相等. 因此雙Φ9×9.5mm六棱柱破片在一定的破片間隔距離(L)和空間間隔距離(h)的情況下撞擊炸藥盒的模型可以簡(jiǎn)化為圖 6.

圖 6　雙破片不同時(shí)撞擊炸藥盒簡(jiǎn)化模型Fig.6　The simplified model of double fragment impact explosive cartridge not at the same time

靶板厚度為10 mm，L取19 mm，通過(guò)調(diào)整h的大小，得出不同的L/h值； 利用Autodyn-3D軟件分別建立簡(jiǎn)化模型，并進(jìn)行仿真計(jì)算，可得出雙六棱柱破片在不同L/h值的閾值速度關(guān)系如表 3 所示.

表 3　雙六棱柱破片L/h-閾值速度關(guān)系表

數(shù)值仿真時(shí)L遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于h，且h取值比較小，也就是說(shuō)本次研究是雙破片在很短一個(gè)時(shí)間間距內(nèi)不同時(shí)撞擊炸藥盒. 通過(guò)對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)多項(xiàng)式擬合程度非常高，因此可認(rèn)為雙六棱柱破片不同時(shí)撞擊帶殼B炸藥的起爆速度隨L/h增加呈拋物線趨勢(shì)增加，見(jiàn)圖 7.

在仿真計(jì)算的過(guò)程中，隨著L/h的變化，B炸藥內(nèi)部壓力峰出現(xiàn)兩種不同分布情況. 第一種情況壓力峰出現(xiàn)在后一枚撞擊破片下方； 第一枚破片撞擊形成的沖擊波掃過(guò)第二枚破片撞擊區(qū)域后，第二枚破片撞擊并形成沖擊波，由于第一枚破片撞擊形成的沖擊波傳播速度相對(duì)于波前介質(zhì)為超音速，相對(duì)于波后介質(zhì)為亞音速，最后第二枚破片形成的沖擊波趕上第一個(gè)沖擊波，在B炸藥內(nèi)相遇，疊加成一道更強(qiáng)的沖擊波，形成壓力峰，如圖8(a). 第二種情況為第一枚破片撞擊形成的沖擊波還沒(méi)有到達(dá)第二枚破片撞擊區(qū)域前，第二枚破片就撞擊炸藥盒，于是兩枚破片撞擊形成的沖擊波在炸藥內(nèi)部碰撞，于靠近第二枚破片的兩破片之間形成壓力峰，如圖8(b).

圖 7　L/h與閾值速度關(guān)系圖Fig.7　The relation with L/h and threshold velocity

圖 8　t=10 μs，v=720 m/s 時(shí)B炸藥內(nèi)部壓力峰Fig.8　The peak of comp B when t=10 μs and v=720m/s

3.2破片長(zhǎng)徑比對(duì)沖擊起爆閾值速度影響

六棱柱破片在質(zhì)量為12 g條件下，利用Autodyn軟件，分別對(duì)不同的長(zhǎng)徑比(六棱柱高度與正六邊形內(nèi)切圓直徑的比值)進(jìn)行建模與沖擊起爆仿真，可得出長(zhǎng)徑比與閾值速度關(guān)系如表 4 所示.

表 4　不同長(zhǎng)徑比六棱柱破片閾值速度仿真結(jié)果

圖 9　閾值速度與破片長(zhǎng)徑比關(guān)系圖 Fig.9　The relation with threshold velocity and draw ratio

仿真計(jì)算時(shí)，破片正面侵徹炸藥盒，所以在

質(zhì)量不變時(shí)，隨著長(zhǎng)徑比的增加，破片由“扁平”向“長(zhǎng)桿”變化，撞擊面積減少； 數(shù)據(jù)關(guān)于拋物線擬合較好，沖擊起爆閾值速度隨破片長(zhǎng)徑比增大呈拋物線趨勢(shì)增加.

3.3破片形狀對(duì)沖擊起爆的影響

在同質(zhì)量條件下，破片形狀對(duì)沖擊起爆炸藥盒的閾值速度有很大的影響，于是選取8.4×8.4×9.5 mm 長(zhǎng)方體、 內(nèi)切圓Φ9×9.5mm六棱柱和圓球體破片進(jìn)行比較. 破片質(zhì)量均為12 g，利用Autodyn軟件計(jì)算出20 μs內(nèi)三種破片以760 m/s撞擊炸藥盒時(shí)的壓力峰值，繪制關(guān)系如圖 10 所示.

圖 10　壓力峰值與時(shí)間的關(guān)系圖Fig.10　The relation with peak value and time

由圖 10 可知，長(zhǎng)方體破片撞擊炸藥盒在12 μs 時(shí)炸藥壓力峰急劇上升，13～14 μs時(shí)點(diǎn)火爆轟； 當(dāng)破片為六棱柱時(shí)，爆轟時(shí)間推遲至15～16 μs，且長(zhǎng)方體破片爆轟持續(xù)時(shí)間明顯大于六棱柱. 說(shuō)明長(zhǎng)方體破片點(diǎn)火時(shí)間比六棱柱破片早，且產(chǎn)生的爆轟更充分. 圓球形破片產(chǎn)生的壓力峰穩(wěn)定在5 GPa以下，對(duì)炸藥只有侵徹作用，不能沖擊起爆炸藥. 通過(guò)反復(fù)仿真計(jì)算，得出三種破片沖擊起爆炸藥盒閾值速度.

表 5　三種破片沖擊起爆炸藥盒閾值速度仿真結(jié)果

長(zhǎng)方體與六棱柱初始撞擊面積均為70.56 mm3，球形破片為點(diǎn)撞擊. 由此可知，在質(zhì)量相同條件下，破片面撞擊沖擊起爆閾值速度比圓球點(diǎn)撞擊閾值速度??； 由于方形面與六邊形面形狀的不同，同質(zhì)量同撞擊面積條件下，方形面接觸撞擊時(shí)4個(gè)直角的作用比六棱柱面6個(gè)鈍角更容易起爆炸藥盒.

4結(jié)論

1) 兩六棱柱破片不同時(shí)撞擊炸藥盒前后空間間距較小時(shí)，其產(chǎn)生的沖擊波正碰撞并疊加成壓力峰； 當(dāng)間距較大時(shí)，沖擊波斜碰撞進(jìn)行疊加； 且一定范圍內(nèi)時(shí)，前后間距越大，沖擊起爆閾值速度越小.

2) 同質(zhì)量條件下，六棱柱破片沖擊起爆閾值速度隨長(zhǎng)徑比增大而增大； 撞擊面積越大，閾值速度越小，反之，撞擊面積越小，閾值速度越大.

3) 同質(zhì)量破片撞擊面積相同時(shí)，方形面比六邊形面閾值速度更小； 圓球破片相對(duì)六棱柱破片、 長(zhǎng)方體破片閾值速度要大得多.

參考文獻(xiàn):

[1]何源，何勇，潘緒超，等. 含能破片沖擊引爆屏蔽炸藥研究[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(2)： 187-193.

He Yuan，He Yong，Pan Xuchao，et al. Initiation of shielded high explosive impacted by energetic fragment[J]. Nanjing University of Science and Technology，2011(2)： 187-193. (in Chinese)

[2]章冠人，陳大年. 凝聚炸藥起爆動(dòng)力學(xué)[M]. 北京： 科學(xué)出版社, 1991.

[3]張寶平，張慶明，黃風(fēng)雷. 爆轟物理學(xué)[M]. 北京： 兵器工業(yè)出版社，2001.

[4]孫承緯，衛(wèi)玉章，周之奎. 應(yīng)用爆轟物理[M]. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社，2000.

[5]賈憲振，楊建，陳松，等. 帶殼B炸藥在鎢珠撞擊下沖擊起爆的數(shù)值模擬[J]. 火炸藥學(xué)報(bào)，2010(5)： 43-47.

Jia Xianzhen，Yang Jian，Chen Song，et al. Numerical simulation on shock initiation of composition B explosive impacting by tungsten sphere[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants，2010(5)： 43-47. (in Chinese)

[6]Kapila A K，Schwendeman D W，Bdzil J B，et a1．A study of detonation diffraction in the ignition-and-growth model[J]．Combustion Theory and Modelling，2007，11(5)： 781-822．

[7]Explosive initiation users manual revision 4．3[Z]．USA： Century Dynamics，Incorporated，2005．

[8]Zhang D Z，Zou Q S，Vanderheyden W B，et a1．Material point method applied to multiphase flows[J]．Journal of Computational Physics，2008，227： 3159-3173．

[9]陳海利，蔣建偉，門(mén)建兵. 破片對(duì)帶鋁殼炸藥的沖擊起爆數(shù)值模擬研究[J]. 高壓物理學(xué)報(bào)，2006，20(1)： 109-112.

Chen Haili，Jiang Jianwei，Meng Jianbing. Numerical simulation of fragment impacting on charge with aluminum shell[J]. Chinese Journal Of High Pressure Physics，2006，20(1)： 109-112. (in Chinese)

[10]李中明. ANSYS AUTODYN基礎(chǔ)培訓(xùn)一[Z]. 北京： 安世亞太(ANSYS-CHINA)，2014.

[11]李銀成. 均勻炸藥沖擊起爆和起爆后的行為[J]. 高壓物理學(xué)報(bào)，2005，19(3)： 247-256.

Li Yincheng. Behaviors of initiation and after-Initiation for homogeneous explosives [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics，2005，19(3)： 247-256. (in Chinese)

[12]李小笠，屈明，路中華. 三種破片對(duì)帶殼炸藥沖擊起爆能力的數(shù)值分析[J]. 彈道學(xué)報(bào)，2009，21(4)： 72-75.

Li Xiaoli，Qu Ming，Lu Zhonghua. Numerical simulation on the impact effect of three type fragments impacting steel-covered charge[J]. Journal of Ballistics，2009，21(4)： 72-75. (in Chinese)

[13]李文彬，王曉鳴，趙國(guó)志，等. 多破片命中時(shí)炸藥的沖擊起爆研究[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，28(1)： 5-8.

Li Wenbin，Wang Xiaoming，Zhao Guozhi，et al. Study on shock initiation of explosive by the impact of multi-fragment[J]. Nanjing University of Science and Technology，2004，28(1)： 5-8. (in Chinese)

[14]Kapila A K, Schwendeman D W, Bdzil J B. A study of detonation diffraction in the ignition-and-growth model[J]. Combustion Theory and Modelling, 2007, 11(5): 781-822.

[15]馬上，張雄，邱信明．超高速碰撞問(wèn)題的三維物質(zhì)點(diǎn)法[J]．爆炸與沖擊，2006，26(3)： 273-278．

Ma Shang，Zhang Xiong，Qiu Xinming．Three-dimensional material point method for hypervelocity impact[J]．Explosion and Shock Waves，2006，26(3)： 273-278．(in Chinese)

Study of Affecting Factors of Six Prism Fragment Impact Initiation Comp B

LU Jin-zhao，ZHI Xiao-qi

(School of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Abstract:The Audotyn-3D numerical simulation software and ignition growth model are used to simulate the hexagonal prism fragment initiating comp B based on experiment. The pressure nephogram of comp B and pressure curve of internal observation point are obtained, and the simulation data and experimental results are consistent. On the basis, we study the threshold velocity and superimposition of shock wave when both hexagonal prism fragments impact on comp B are not at the same time, when the spacing is small, the shock wave is superimposed. And when the spacing is large, the shock wave is inclined to stack. Under the same condition of mass, the larger the ratio of length to diameter, the higher the threshold velocity and the smaller the impact area, the greater the threshold velocity. Cubic prism fragment initiating explosive more easier than hexagonal prism fragment and sphere fragment.

Key words:comp B; impact initiation; threshold velocity

文章編號(hào):1673-3193(2016)02-0198-07

*收稿日期:2015-10-17

作者簡(jiǎn)介：盧錦釗(1988-)，男，碩士生，主要從事對(duì)火炮、 自動(dòng)武器與彈藥工程的研究.

中圖分類號(hào):TJ410.33; O347.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.02.019