熱-力耦合作用下B炸藥的撞擊安全性

屈可朋，沈 飛，肖 瑋，李亮亮，呂永柱，董樹南，陳 鵬

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引 言

炸藥在運(yùn)輸、貯存及使用過程中，常會(huì)受到多種意外刺激的復(fù)合作用，使得炸藥意外燃燒、爆燃甚至爆炸，其中溫度和機(jī)械撞擊的耦合作用是典型的工況之一[1]，由此引發(fā)炸藥熱損傷和機(jī)械損傷的疊加，使其反應(yīng)過程具有較強(qiáng)的不可預(yù)見性，進(jìn)而可能導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。因此，迫切需要開展熱-力耦合作用下炸藥點(diǎn)火機(jī)理和安全性方面的研究。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用多種類模型試驗(yàn)開展了熱-力耦合下炸藥性能研究。Sandusky等[2]研究結(jié)果表明，當(dāng)溫度上升至240℃時(shí)，PBX-9502炸藥的撞擊點(diǎn)火閾值降低；Forbes等[3]研究了不同溫度下LX-04和LX-17炸藥的撞擊安全性，在170℃和250℃下兩種炸藥的點(diǎn)火閾值均有所降低；代曉淦等[4]研究表明，當(dāng)加熱不超過120℃時(shí)，PBX-2炸藥撞擊點(diǎn)火反應(yīng)速度閾值升高，超過120℃時(shí)其閾值則顯著降低；申迎春等[5-6]研究結(jié)果表明，溫度對(duì)于炸藥點(diǎn)火閾值的影響呈現(xiàn)出非線性變化特征；上述模型實(shí)驗(yàn)所采用的藥柱尺寸不同，而藥柱點(diǎn)火具有較強(qiáng)的尺寸效應(yīng)[7-8]。因此，在分析熱力耦合下炸藥撞擊安全性時(shí)，還需要考慮藥柱點(diǎn)火的尺寸效應(yīng)。

本研究以B炸藥為研究對(duì)象，利用大型落錘加載裝置進(jìn)行了不同溫度(-40、25、70℃)、不同尺寸(Φ20mm×20mm,Φ40mm×40mm,Φ60mm×60mm)下B炸藥的撞擊安全性實(shí)驗(yàn)，獲取了不同狀態(tài)下B炸藥的點(diǎn)火閾值，探討了熱-力耦合及尺寸效應(yīng)對(duì)炸藥點(diǎn)火特性的影響，以期為熱-力耦合作用下相關(guān)炸藥的安全性設(shè)計(jì)及使用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料和儀器

B炸藥由西安近代化學(xué)研究所提供，藥柱尺寸分別為Φ20mm×20mm、Φ40mm×40mm和Φ60mm×60mm，密度均為1.68g/cm3，無肉眼可見缺陷。

采用西安近代化學(xué)研究所400kg落錘沖擊加載系統(tǒng)進(jìn)行撞擊實(shí)驗(yàn)；利用A-GDW-800安全型高低溫箱實(shí)現(xiàn)溫度控制；應(yīng)力測(cè)試采用應(yīng)變式壓阻傳感器[9]；瞬態(tài)波形存儲(chǔ)采用Tektronix公司DPO4104型示波器。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

落錘實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，400kg落錘被提升到一定高度(H)，以自由落體方式下降并撞擊實(shí)驗(yàn)樣彈上活塞，通過上活塞傳力于樣品，壓力傳感器記錄落錘給予試驗(yàn)樣品的應(yīng)力加載波形，通過換算即可得到炸藥所受應(yīng)力峰值(σm)及應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間(t)。

圖1 落錘實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)樣彈結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of drop-weight loading device and experimental bomb structure

實(shí)驗(yàn)溫度分別選擇高溫70℃和低溫-40℃。將裝配好的樣彈整體置于高低溫箱內(nèi)，待達(dá)到所需溫度后保溫4h，取出后利用保溫棉包裹，在保溫條件下迅速完成實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3發(fā)，取其平均值。

1.3 材料模型及參數(shù)

利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了落錘和實(shí)驗(yàn)樣彈的仿真模型。因模型軸對(duì)稱，故物理模型選用1/4模型，如圖2所示。其中，落錘、套筒及活塞所用材料均為熱處理后的T10鋼，采用Johnson-Cook(J-C)模型描述；墊片材質(zhì)為聚乙烯，采用彈塑性隨動(dòng)硬化模型描述；B炸藥采用分段線性塑性模型MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY描述。各類材料的物理參數(shù)列于表1。

圖2 落錘撞擊實(shí)驗(yàn)仿真模型Fig.2 Simulation model of drop-weight impact test

表1 材料的物理參數(shù)

利用上述模型及參量對(duì)不同尺寸藥柱在常溫下的響應(yīng)情況進(jìn)行模擬，并與傳感器實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行了對(duì)比，因各尺寸的結(jié)果類似，Φ60mm×60mm藥柱計(jì)算曲線與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比如圖3所示。

圖3 計(jì)算曲線與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比Fig.3 Comparison between experimental curve and simulation curve

從圖3可知，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，所選模型及參量可較好地描述落錘加載下B炸藥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱-力耦合作用下B炸藥落錘撞擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

400kg落錘撞擊不同溫度、不同尺寸B炸藥藥柱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2。

表2 400kg落錘撞擊B炸藥實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注： *代表此高度下炸藥開始反應(yīng)的應(yīng)力。

由表2可知，常溫(25℃)、高溫(70℃)下B炸藥的臨界反應(yīng)高度相同，低溫(-40℃)下略有提高；隨著藥柱尺寸的增大，B炸藥所能承受的最大應(yīng)力逐漸降低，當(dāng)藥柱尺寸由Φ20mm×20mm增至Φ40mm×40mm時(shí)，常溫下藥柱可承受的最大應(yīng)力由1543MPa降至1125MPa，當(dāng)藥柱尺寸增至Φ60mm×60mm時(shí)，在落錘極限高度(4000mm)下，藥柱雖未反應(yīng)，但所受應(yīng)力僅為750MPa，遠(yuǎn)低于1125MPa。

2.2 溫度對(duì)B炸藥撞擊安全性的影響

與沖擊起爆(輸入壓力2GPa以上)相比，落錘撞擊的作用壓力低、脈沖時(shí)間長(zhǎng)，屬于典型低強(qiáng)度沖擊范疇，低強(qiáng)度沖擊作用下炸藥首先承受機(jī)械刺激，機(jī)械能以塑性功的形式轉(zhuǎn)化成熱能，在炸藥局部進(jìn)行熱積累，炸藥內(nèi)部溫升一方面來自于塑性功引起的熱積累，同時(shí)又與環(huán)境進(jìn)行熱交換。目前對(duì)于這類起爆機(jī)理還沒有十分清晰的認(rèn)識(shí)，一般認(rèn)為低強(qiáng)度沖擊下炸藥的點(diǎn)火反應(yīng)與其力學(xué)性能(強(qiáng)度、模量等)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素相關(guān)。因此，本研究主要從溫度對(duì)B炸藥力學(xué)性能、局部形變及內(nèi)部組織變化等方面分析引發(fā)其撞擊安全性變化的原因。

高溫(70℃)實(shí)驗(yàn)時(shí)，藥柱強(qiáng)度和彈性模量均大幅降低[10]，使得撞擊產(chǎn)生的能量被藥柱通過整體形變而吸收，相應(yīng)的單位體積內(nèi)積累的有效塑性功降低，在炸藥內(nèi)部難以形成局部高溫區(qū)；但另一方面，實(shí)驗(yàn)溫度已接近TNT熔點(diǎn)，軟化后的TNT弱化了對(duì)RDX顆粒的包裹作用，可能導(dǎo)致RDX顆粒更易于破碎而形成“熱點(diǎn)”，但綜合來看，在實(shí)驗(yàn)溫度下其撞擊安全性與常溫下相同。低溫(-40℃)實(shí)驗(yàn)時(shí)，藥柱強(qiáng)度和彈性模量均升高，裝藥在局部區(qū)域塑性變形的“隨機(jī)性”降低，使其難以在局部形成高溫區(qū)和“熱點(diǎn)”，另一方面，即使炸藥顆粒因剪切、摩擦生熱，也會(huì)因初始溫度低、熱交換快而使得能夠用于形成“熱點(diǎn)”的熱量大幅降低，進(jìn)而延遲“熱點(diǎn)”形成，使其撞擊安全性升高。

2.3 藥柱尺寸對(duì)B炸藥撞擊安全性的影響

表2中的結(jié)果表明，藥柱所能承受的最大應(yīng)力隨藥柱尺寸增大而減小。從“熱點(diǎn)”理論分析，由于藥柱并非完全均勻介質(zhì)，尺寸越大，其內(nèi)部的非均勻性和非連續(xù)性越強(qiáng)，藥柱局部塑性變形的“隨機(jī)性”增大，更易形成多的“熱點(diǎn)”，導(dǎo)致其臨界點(diǎn)火閾值降低。

為直觀分析藥柱尺寸對(duì)B炸藥撞擊安全性的影響，采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同尺寸藥柱在臨界反應(yīng)高度下的應(yīng)變分布狀態(tài)進(jìn)行了分析，常溫下不同尺寸藥柱的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖4所示。

圖4 不同尺寸藥柱在撞擊時(shí)的等效塑性應(yīng)變?cè)茍DFig.4 Equivalent plastic strain contour of samples with different size under impact

由圖4可知，Φ20mm×20mm藥柱僅在其端面邊緣位置存在明顯的應(yīng)變集中區(qū)(圖4(a)紅色區(qū)域)，該區(qū)域最大應(yīng)變值約為0.5，而其他位置的應(yīng)變值則遠(yuǎn)低于應(yīng)變集中區(qū)。Φ40mm×40mm在其端面邊緣也出現(xiàn)了明顯的應(yīng)變集中區(qū)(圖4(b)紅色區(qū)域)，該區(qū)域最大應(yīng)變值約為0.2，但其他區(qū)域的應(yīng)變值僅略小于該區(qū)域的應(yīng)變值(約0.18～0.19)。上述模擬結(jié)果與陳春燕等[11]的研究結(jié)果一致，更多的局部大應(yīng)變區(qū)使得“熱點(diǎn)”出現(xiàn)的幾率和數(shù)量均增大，導(dǎo)致其點(diǎn)火閾值降低。而Φ60mm×60mm藥柱在落錘極限高度下(4000mm)，藥柱塑性變形較為均勻，未出現(xiàn)明顯的應(yīng)變集中區(qū)，最大應(yīng)變值僅約為0.05，藥柱未發(fā)生反應(yīng)，這可能與塑性變形導(dǎo)致的溫升尚未達(dá)到B炸藥熱點(diǎn)溫度有關(guān)。

為定量分析藥柱端面應(yīng)變集中區(qū)對(duì)于炸藥點(diǎn)火的影響，對(duì)由塑性變形引發(fā)的炸藥溫升進(jìn)行了簡(jiǎn)易估算。藥柱在撞擊過程中單位體積的變形能和熱能[12]可分別由公式(1)和(2)計(jì)算：

dEs=σdε

(1)

式中：Es為變形能，J；σ為應(yīng)力，MPa；ε為應(yīng)變。

dQ=ρCpdT

(2)

式中：Q為熱量，J；ρ為藥柱密度，g/cm3；Cp為炸藥比熱容，J/(kg·K)，T為溫度，K。

然而，藥柱的變形能只有部分能量轉(zhuǎn)為熱能，假定轉(zhuǎn)換系數(shù)為b(b<1，通常取0.9)，故藥柱塑性變形引發(fā)的溫升可表示為：

(3)

為便于計(jì)算藥柱溫升，此處采用J-C模型描述其力-熱關(guān)系，將J-C模型的應(yīng)力σ表達(dá)式代入式(3)，可得：

(4)

參照文獻(xiàn)[13]的參數(shù)，為便于計(jì)算，B炸藥熱軟化系數(shù)m近似取1，并對(duì)式(4)積分可得：

(5)

即炸藥表面塑性區(qū)溫度為：

(6)

對(duì)于B炸藥，式(6)中ρ取1.68g/cm3，Tr取298K，Tm取353K[14]，Cp、A、B、C、n等參量值取自文獻(xiàn)[13]，計(jì)算得到藥柱塑性區(qū)溫度隨應(yīng)變的變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 塑性區(qū)溫度隨應(yīng)變的變化曲線Fig.5 Change curve of temperature in plastic zone vs. strain

由圖5可見，落錘撞擊作用下B炸藥塑性變形區(qū)的溫度隨應(yīng)變量增大呈現(xiàn)非線性增大趨勢(shì)。當(dāng)Φ60mm×60mm藥柱應(yīng)變值為0.05時(shí)塑性變形區(qū)溫度達(dá)到349.5K，但尚未超過B炸藥的熱點(diǎn)溫度(690K)[15]，理論分析和計(jì)算結(jié)果解釋了Φ60mm×60mm藥柱在4000mm落錘高度下未反應(yīng)的原因。

3 結(jié) 論

(1)B炸藥在撞擊作用下的點(diǎn)火閾值隨溫度變化呈現(xiàn)非線性變化特征，25℃和70℃條件下B炸藥的臨界反應(yīng)落錘高度均為3800mm，而-40℃條件下該值增大為3900mm；當(dāng)藥柱尺寸由Φ20mm×20mm增至Φ40mm×40mm時(shí)，常溫下藥柱可承受的最大應(yīng)力由1543MPa降至1125MPa，其撞擊安全性具有明顯的尺寸效應(yīng)。

(2)70℃條件下B炸藥藥柱撞擊安全性與25℃時(shí)相當(dāng)，這可能是70℃下藥柱整體形變吸能與RDX顆粒易于破碎生熱兩者共同作用的結(jié)果；而-40℃條件下藥柱的撞擊安全性有所提升，則可能與其力學(xué)性能升高、難以在局部形成高溫區(qū)以及熱交換速率高有關(guān)。

(3)落錘加載條件下，不同尺寸B炸藥藥柱的最大應(yīng)變區(qū)均出現(xiàn)在端面邊緣位置，但隨著尺寸增大，藥柱內(nèi)部與端面邊緣處的應(yīng)變值差異逐漸減小，更多的局部大變形區(qū)可能導(dǎo)致更多的“熱點(diǎn)”形成，進(jìn)而使得藥柱的點(diǎn)火閾值降低；Φ60mm×60mm藥柱在落錘極限高度下未反應(yīng)的原因是藥柱邊緣最大應(yīng)變導(dǎo)致的溫升尚未達(dá)到B炸藥的熱點(diǎn)溫度。