工業(yè)雷管輸出壓力測試及數(shù)值模擬研究

蔣 俊，嚴 楠，鮑丙亮

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工業(yè)雷管輸出壓力測試及數(shù)值模擬研究

蔣 俊，嚴 楠，鮑丙亮

（北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京，100081）

為定量評價工業(yè)雷管的輸出威力，采用實驗測試和數(shù)值模擬相結合的方法，得到了某型雷管的爆壓。針對在測試過程中出現(xiàn)的信號干擾問題，對測試系統(tǒng)進行了改進，獲得了較清晰的測試結果曲線。此外，通過AUTODYN軟件的JWL狀態(tài)方程來描述雷管底部裝藥的爆轟過程，將得到的輸出壓力值與試驗值進行了比較。結果表明：數(shù)值模擬結果與試驗值偏差為3.51%，說明數(shù)值模擬方法可用于工業(yè)雷管爆轟成長過程研究。

工業(yè)雷管；壓力；錳銅壓阻；數(shù)值模擬

雷管是工程爆破中的重要起爆元件，它的作用是將初始刺激能量轉(zhuǎn)化為爆轟能量，進而引爆炮孔中的下一級裝藥。因此對工業(yè)雷管底部爆轟壓力的測量，是評價雷管裝藥結構優(yōu)劣的有效手段。傳統(tǒng)的測量雷管爆轟輸出威力的方法是直接法，如鉛板法、鋼凹痕法等，主要用于雷管定性的質(zhì)量檢測。在定量檢測方面，錳銅壓阻法是一種現(xiàn)行測量雷管底部爆轟輸出壓力的常用方法，它能夠定量地評估雷管的爆轟輸出威力。

國內(nèi)外運用錳銅壓阻法對雷管底部的爆轟輸出特性進行了大量實驗研究。20世紀60年代，Keough、Voreck[1-2]先后研究了錳銅壓阻傳感器應用于炸藥的動高壓測量，該技術在原理上也可用于雷管輸出測量。20世紀80年代，戴實之等人[3]提出了一種用錳銅壓阻法獲得雷管底部輸出爆壓的方法，該方法根據(jù)實驗直接測到的雷管輸出爆轟波與其底部隔板介質(zhì)表面相互作用的壓力峰值，經(jīng)過一系列的理論推導，得到雷管本身的輸出爆壓值。1996年，王翔等人[4]分析了幾種常用的恒流供電錳銅壓阻測量方法，討論了這些測試方法的特點和不足，提高了壓力測量的精度，把小阻值錳銅壓力計的測量范圍向低端擴展到0.17 GPa。1997年，伊芳等人[5]用錳銅傳感器測量了鈍感炸藥的爆壓，發(fā)現(xiàn)傳感器的現(xiàn)場安裝和存貯示波器的操作對測量有影響，但不影響測試結果的準確性。2000年，路光明等人[6]利用錳銅壓阻法對雷管內(nèi)部不同截面處的爆壓進行了測量，對傳統(tǒng)的爆壓測試裝置進行了重新設計，得到了雷管內(nèi)部的爆轟成長。2003年，侯素娟等人[7]利用壓力傳感器測量雷管爆炸時的動態(tài)輸出特性，以沖量、沖擊波峰值壓力等物理參數(shù)來定量表征雷管輸出威力，系統(tǒng)在測量雷管輸出過程中具有良好的穩(wěn)定性。2003年，王惠娥等人[8]對錳銅壓阻法測雷管底部輸出爆壓的原理及實驗中要注意的事項進行了分析說明，指出如果能解決好恒流脈源與雷管作用之間的同步性匹配問題，在動態(tài)測量法中采用錳銅壓阻法是可取的。

為了提高雷管爆壓測試的可靠性，本文在總結前人經(jīng)驗的基礎上，將錳銅壓阻法應用于工業(yè)8#雷管的測量當中，對試驗裝置進行了改進；并通過AUTODYN 軟件進行數(shù)值模擬研究，對雷管底部的爆轟輸出壓力進行了精確測定，提高了測量結果的穩(wěn)定性，以滿足工業(yè)雷管的測試需求，為相關研究人員提供了有價值的參考依據(jù)。

1 試驗原理與測試裝置改進

1.1 試驗原理

錳銅箔受壓時，電阻隨所受壓力的增加而增大。將錳銅箔制作的錳銅壓力計置于被測試樣與保護介質(zhì)中間，記錄實驗過程中錳銅壓力計受爆轟波壓力的沖擊作用引起的電阻變化，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理求出試樣的爆壓。電阻變化是通過對錳銅壓力計通以恒流，然后測試其電壓變化而得到的[9]。

在北京理工大學黃正平老師所設計的壓力測試系統(tǒng)[10]的基礎上，本文所用的工業(yè)8#雷管底部爆轟壓力測試系統(tǒng)由以下幾部分組成：MH4E型4通道高速同步脈沖恒流源、小型爆炸容器、TDS7104數(shù)字存儲示波器、兩頭帶Q9插頭阻抗為50Ω的同軸電纜、三通、50Ω的匹配電阻、雷管套筒、有機玻璃保護片、有機玻璃承壓塊和H型錳銅壓阻傳感器。測試系統(tǒng)的裝配示意圖如圖1所示。

圖1 爆炸測試裝置裝配示意圖

H型錳銅壓阻傳感器如圖2所示，傳感器敏感部分面積為0.5mm×1mm，厚度為10μm，絕緣膜封裝；恒流源電流恒定度：不低于1%；電壓測量精度：高于10mV時相對誤差不大于2.5%；埋入有機玻璃中的響應時間：10ns。其標定曲線是：

式（1）~（2）中：P只是經(jīng)過保護介質(zhì)衰減后的壓力，再根據(jù)沖擊波在有機玻璃中的衰減規(guī)律就可以得到保護介質(zhì)表面處的入射壓力。

沖擊波在有機玻璃中的衰減規(guī)律[11]：

式（3）中：為有機玻璃片的厚度，mm；為入射有機玻璃片深度處的沖擊波壓力峰值，GPa；P為沖擊波在有機玻璃表面處的入射壓力峰值，即雷管底部的爆轟壓力，GPa；為雷管中的猛炸藥裝藥直徑，mm。

GJB 772A-97的方法704.2指出[12]：在測量固體炸藥爆壓時，脈沖恒流源的輸出電流大于8A，在10μs內(nèi)，電流的不恒定度小于1%，脈沖寬度不大于200 μs，恒流建立時間不大于2 μs，內(nèi)阻50 Ω；示波器帶寬1 GHz，采樣速率不低于1×108bit/s，記錄時間大于10 μs。因此在進行雷管的輸出測量時，根據(jù)國軍標的要求，選用國家實用新型專利產(chǎn)品MH4E高速同步脈沖恒流源為錳銅傳感器的供電裝置。它的最大恒流值為9A，10μs內(nèi)恒流值的變化不大于1%，脈沖寬度不大于200 μs，恒流建立時間不大于2 μs，內(nèi)阻50 Ω，滿足國軍標的要求。另外，它有4個輸出通道，可以同時給多個錳銅傳感器供電；從觸發(fā)信號輸入到輸出電流達到恒定的時間僅為0.4μs，有利于捕獲需要微秒級或亞微秒級快速同步的壓力模擬信號。

1.2 測試裝置的改進

3.觀察內(nèi)容。觀察撈子內(nèi)蝦苗數(shù)量，根據(jù)多次捕撈的情況判斷蝦苗數(shù)量的多少。觀察蝦苗的規(guī)格、體型、體色、活力等，判斷蝦苗的生長情況。

與前人不同，本研究的測試裝置所用套筒為特制的硬鋁材料，其高度與雷管內(nèi)猛炸藥裝藥高度相同，觸發(fā)探針采用Φ0.1~0.2mm的高強度漆包線，插在雷管和套筒之間，麻花結構長度與套筒高度相同，這樣能較好地避免傳感器在雷管內(nèi)部猛炸藥形成穩(wěn)定爆轟之前誤觸發(fā)。爆炸容器最下方粘有1個Φ25~35mm、厚10mm有機玻璃承壓塊，上方粘有錳銅壓阻傳感器，傳感器上粘有1個與承壓塊直徑相同、厚1mm的有機玻璃墊片作為保護介質(zhì)，以減少沖擊波通過不同介質(zhì)時的反射現(xiàn)象，使所測壓力值更加接近實際情況[11]。

對恒流源脈沖寬度進行調(diào)整，給H型錳銅傳感器供電的通道，脈沖寬度應該選用200μs的位，太小會捕捉不到有效的壓力信號，太大則會對傳感器的敏感區(qū)造成損壞。給雷管供電的通道應該根據(jù)產(chǎn)品的發(fā)火參數(shù)選擇一個可靠發(fā)火的脈寬。恒流源的觸發(fā)方式選擇，可以根據(jù)被測元件作用時間的長短來選擇不同的方式觸發(fā)恒流源，給出供電信號。若作用時間短，在50μs以內(nèi)，可以選用同步觸發(fā)的方式給傳感器和發(fā)火元件供電。本研究中所測雷管為工業(yè)基礎8#雷管，作用時間相對較長，必須通過一個外部的觸發(fā)信號（即探針）接入恒流源的觸發(fā)輸入端，來控制給傳感器供電的時刻。

當待測雷管發(fā)火斷橋后，恒流源仍然在給雷管兩端供電，恒流源內(nèi)電壓全部加載在雷管兩端。因此，雷管引爆后的反應區(qū)物質(zhì)在高壓電場作用下發(fā)生振蕩式導通，使脈沖點火電信號上疊加一個大幅度的電壓振蕩信號，從而產(chǎn)生強烈電磁場輻射。當這樣強的電磁信號疊加在壓力信號上時，必然會對壓力信號造成干擾。針對這種干擾機理，以減小發(fā)火電壓為改進原則，對發(fā)火電源部分進行了改進，既在原系統(tǒng)發(fā)火通路中雷管兩端并聯(lián)1個5Ω左右的電阻，如圖3所示。電路中雷管電阻約為2Ω，當同步脈沖恒流源觸發(fā)，雷管發(fā)火斷橋后，電橋電阻為∞，由于電橋線路兩端并聯(lián)了一個電阻，減小了雷管兩端的電壓，從而減小了雷管通路的電壓信號波動，避免了發(fā)火通路對傳感器采集通路的影響，保證了傳感器信號的無干擾。測試系統(tǒng)連接實物圖如圖4所示。

圖3 改進的測試系統(tǒng)連接示意圖

圖4 測試系統(tǒng)連接實物圖

在測試過程中，記錄傳感器波形并分析，發(fā)現(xiàn)壓力下降沿信號會被干擾甚至被覆蓋。其原因主要是雷管兩端有較高的電壓瞬變，它產(chǎn)生電磁輻射，并作用在附近的傳感器回路上，產(chǎn)生感應電動勢疊加在動態(tài)高壓信號上。因此，在傳感器與示波器中串聯(lián)1個50Ω的電阻，以消除感應電動勢的影響，從而消除雜波干擾。圖5是典型的測試信號。圖5中△即是爆轟波壓力作用在傳感器上因電阻變化而引起的電壓變化。當爆轟波傳至傳感器上時，傳感器首先出現(xiàn)一個接近直線的電壓躍變，這就是壓阻信號；根據(jù)△和的值，由傳感器的標定公式即可得到?jīng)_擊波壓力。圖6為實驗得到的——曲線，其中曲線1為感應電動勢較強時雜波干擾較大的曲線，其余為消除感應電動勢影響后的曲線。

圖5 錳銅傳感器輸出的典型記錄波形

圖6 雷管輸出壓力測試U——t曲線

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

ANSYS AUTODYN是一種顯式非線性動力分析軟件，可以對固體、流體和氣體的動態(tài)特性及它們之間相互所用進行分析，非常適用于爆炸與沖擊問題的計算[13]。本文采用AUTODYN軟件中的流固耦合算法來模擬雷管底部RDX炸藥的爆轟成長與能量傳遞過程。計算中采用二維軸對稱模型，在雷管底部管殼中心位置上設置觀測點，記錄沖擊波壓力并與實測值進行對比。

圖7 數(shù)值計算模型

2.2 材料模型

本研究中涉及的材料包括RDX炸藥、約束殼體、有機玻璃、聚酰亞胺薄膜、空氣。試驗中直接測量的是經(jīng)過保護介質(zhì)（有機玻璃、聚酰亞胺薄膜）衰減后的壓力，根據(jù)沖擊波在有機玻璃中的衰減規(guī)律可以推算出保護介質(zhì)表面處的入射壓力。因此，為了簡化材料模型，只需選取RDX炸藥、約束殼體，得到殼體底部中心位置的壓力，并與試驗所得的保護介質(zhì)表面處的入射壓力進行對比。

2.2.1 雷管主裝藥

試驗中所用的工業(yè)8#雷管輸出藥為RDX裝藥，在計算中以JWL狀態(tài)方程來描述其描述產(chǎn)物的膨脹過程：

式（4）中：為爆轟產(chǎn)物的壓力；為相對體積；為比熱力學能；A，B，R1，R2和ω是用圓筒實驗的擬合常數(shù)。取值見AUTODYN材料庫[13]。

2.2.2 約束殼體

為了準確描述材料在高壓狀態(tài)下的狀態(tài)，采用沖擊狀態(tài)方程來描述材料的狀態(tài)方程：

式（5）中：u和u分別為固體介質(zhì)沖擊波速度和波陣面上的粒子速度；0為介質(zhì)彈性波速；s為實驗常數(shù)。對于約束殼體硬鋁來說，0為0.532 8cm·μs-1，s為1.338[14]。已知材料的雨貢紐參數(shù)，則可借助沖擊波的質(zhì)量和動量關系得到相應的狀態(tài)方程[14]。

2.2.3 空氣

歐拉網(wǎng)格中填充的空氣用理想氣體狀態(tài)方程描述為：

（6）

式（6）中：為絕熱指數(shù)，對于理想氣體，=1.4；為密度，空氣的初始密度為0.001 225g·cm-3，初始壓力為1×105Pa；g為氣體比內(nèi)能。

3 數(shù)值模擬與試驗結果對比

利用H型錳銅壓阻傳感器，測試了隨機抽取的8發(fā)同一批次8#雷管底部沖擊波壓力，得到了沖擊波經(jīng)過1mm有機玻璃板后的壓力值，根據(jù)衰減公式計算出保護介質(zhì)表面處，即雷管底部中心處的壓力。通過AUTODYN軟件模擬了8#雷管底部的爆轟成長過程。圖8是設置的觀測點得到的典型壓力曲線，可得峰值點的壓力值為19.74GPa。表1是數(shù)值模擬和試驗值的對比結果，從表1中可以看出，數(shù)值模擬結果與試驗值偏差較小，為3.51%，說明采用數(shù)值模擬方法來計算雷管底部裝藥的爆轟成長過程是可靠的。

表1 數(shù)值模擬值與實驗值比較

圖8 數(shù)值模擬典型壓力曲線

4 結論

本研究在前人錳銅壓阻感器法的基礎上，對試驗裝置的搭建進行了補充優(yōu)化，分析了測量過程中易出現(xiàn)的干擾信號問題，提供了簡單易行的解決方案，較好地解決了恒流脈源與雷管作用之間的同步性匹配問題。此外，通過AUTODYN軟件對雷管底部爆轟過程進行了數(shù)值模擬，得到了雷管底部中心位置的壓力變化曲線和峰值壓力，并與試驗值進行了對比，計算結果與試驗值偏差為3.51%，說明采用數(shù)值模擬方法計算工業(yè)雷管底部的爆轟成長過程是可靠的，對工業(yè)雷管輸出威力的定量評價有實際意義。

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[4] 王翔,傅秋衛(wèi).一種錳銅壓阻測量新方法[J].高壓物理學報，1996(02):78-81.

[5] 伊芳,王桂兵.利用傳感器測量爆壓的研究[J].兵工學報(火化工分冊),1997(01):61-62,60.

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[10] 黃正平,馮喜春,劉長林.測試雷管輸出壓力的方法和設備:中國,90109527.3[P].1991-05-08.

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[13] Dynamics Ltd Century. Interactive non-linear dynamic analy- sis software user manual[M].USA:Century Dynamics Inc,2001.

[14] 張寶玶,張慶明,黃風雷.爆轟物理學[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2001.

Experiment and Numerical Simulation Research on Measuring the Detonation Pressure of Industrial Detonator

JIANG Jun，YAN Nan，BAO Bing-liang

(State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing,100081)

In order to quantitatively evaluate the output power of industrial detonator, a combination of experiment and numerical simulation method was used to get the detonation pressure of industrial detonator. In view of the signal interference in the process of testing, the test system has been improved so as to get clear curves of the measurement. The commercial software AUTODYN was employed to simulate the detonation process which was described by JWL equation of state. The obtained pressure was compared with that from experimental data. The results show that the deviation of the numerical simulation results with the experimental values ??is 3.51%, indicating that the numerical simulation method can be used to study detonation growth process of industrial detonator.

Industrial detonator；Pressure；Manganin piezo-resistance method；Numerical simulation

1003-1480（2017）02-0001-05

TJ450.6

A

2016-11-15

蔣?。?991 -），男，在讀碩士研究生，主要從事工業(yè)雷管發(fā)火模塊起爆性能研究。