高能炸藥毀傷威力數值仿真實驗研究

王良全，商 飛，張建偉，孔德仁，王 瑞

(1.南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094；2.672靶場，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

0 引 言

高能炸藥因爆炸產生的高溫高壓會對生物、非生物有極強的毀傷能力受到軍事界廣泛關注.在未來的常規(guī)武器研究與發(fā)展中，高能炸藥必將成為提高常規(guī)武器高效毀傷能力的主要發(fā)展趨勢[1].故對典型的高能炸藥進行數值模擬仿真分析并結合公認的毀傷標準進行相應的毀傷威力評判具有重要的參考意義[2].

目前，國內外學者對高能炸藥毀傷威力的研究較多.茅靳豐等[3]利用LS-DYNY對 100 kg 溫壓炸藥坑道口部爆炸過程及沖擊波在空氣中的傳播進行了比例尺為1:6的縮比例數值模擬研究，并對沖擊波毀傷范圍和毀傷威力進行了分析，結果表明：溫壓炸藥爆炸沖擊波衰減緩慢，持續(xù)時間長，遠場優(yōu)勢明顯，可以確定不同傷亡等級下的爆炸沖擊波毀傷范圍.周莉[4]在相同的靜爆場試驗內多次將TNT和溫壓藥進行引爆，應用不同的測試儀器和方法對炸藥的爆炸場參數進行觀察記錄，綜合得到炸藥的毀傷威力評估，結果表明：試驗結果和理論分析吻合，對3種炸藥的毀傷威力進行對比研究，得到了較為直觀的結果，對軍事生產和高能炸藥毀傷威力評估具有一定的實際意義.張玉磊等[5]為研究溫壓炸藥內爆炸壓力特性和威力，基于爆炸相似律與理想氣體狀態(tài)方程分析建立了沖擊波超壓及準靜態(tài)壓力計算模型，并利用爆炸罐開展了溫壓炸藥和TNT炸藥裸藥柱內爆炸試驗，結果表明：內爆炸壓力效應包括沖擊波壓力和準靜態(tài)壓力，準靜態(tài)壓力上升伴隨著沖擊波的多次反射，反射結束后準靜態(tài)壓力上升到峰值并維持較長時間.劉想炎等[6]為了提出地面戰(zhàn)場中云爆彈對人員綜合殺傷作用的評判標準，結合超壓和熱輻射作用建立了云爆彈的綜合毀傷概率評估模型，并通過計算機進行仿真試驗研究，結果表明不同云爆劑含量對人員綜合殺傷具有不同的影響效果.趙未平等[7]提出了新的破片戰(zhàn)斗部毀傷雷達目標的評估方法，用AUTODYN仿真軟件對破片戰(zhàn)斗部進行數值模擬，獲取破片的質量、速度及密度分布，并結合AUTODYN和目標易損性軟件對雷達目標進行毀傷評估，仿真結果表明：仿真計算的破壞現(xiàn)象與試驗結果基本吻合，選用的評估方法有效.

本文采用AUTODYN對4種常見爆炸材料按照實際靶場測試方案建立數值建模仿真試驗，通過數值仿真獲取高能炸藥爆炸過程中產生的沖擊波和溫度數值分析其毀傷威力，并對其沖擊波及溫度峰值進行對比，研究不同種類炸藥毀傷威力元特性.

1 數值仿真模型

本文按照實際靶場測試方案建立數值仿真模型.模型中可見空氣域尺寸為6 000 mm×200 mm×800 mm，網格劃分大小為2 mm×2 mm×2 mm，為了模擬實際靶場無限空氣域的環(huán)境，除地面之外的其余 5個面邊界條件都設置為壓力流出，這樣可以模擬除地面以外的其余5個面不存在壓力反射.地面采用沙土進行填充，裝藥方式為球體裸裝藥，采用模塊填充，爆心距地面 0.5 m 高，起爆方式為中心點起爆.測點共布設10個，測點距爆心距離分別為1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m、5.0 m、5.5 m.地面沙土及裝藥采用Lagrange 求解器進行求解.建立的數值仿真模型如圖1 所示.

圖1 數值仿真模型Fig.1 Numerical simulation model

在上述的模型中，空氣為理想氣體，密度為0.001 225 g/cm3，E=4.29×106J/ kg，JWL狀態(tài)方程為[8，9]

式中：P為壓力；V為體積；E為內能；A和B為材料參數；R1，R2和ω為常數參數.根據實際試驗測試研究分析，材料各個參數的具體取值如表1 所示[10].

表1 TNT中JWL狀態(tài)方程參數Tab.1 JWL state equation parameters in TNT

因為本試驗采用了4種不同的爆炸材料，為了定量研究4種材料的毀傷威力，在進行仿真設置時，裝藥質量及裝藥半徑如表2 所示.

表2 爆炸材料參數表Tab.2 Parameters of explosive materials

2 毀傷威力對比分析

2.1 沖擊波毀傷威力對比分析

通過上述仿真參數的設置，對4種爆炸材料進行數值仿真，仿真完成后獲取爆炸沖擊波的數據并對其進行處理.得到的4種材料的爆炸沖擊波壓力時程曲線如圖2 所示，圖中1～10對應于高斯測點Gauge#1～Gauge#10.

(a) TNT

圖2 的沖擊波壓力時程曲線只能從整體趨勢上分析爆炸沖擊波壓力隨時間的變化規(guī)律，無法對其進行量化分析，所以，對上述的沖擊波壓力曲線進行數值提取，得到4種炸藥在不同測點距離下的爆炸沖擊波超壓峰值數據，如表3 所示.

表3 沖擊波超壓峰值表Tab.3 Peak table of shock wave overpressure 單位：kPa

將表3 沖擊波超壓峰值數據繪制成曲線、曲面，如圖3 和圖4 所示.

對表3、圖3 和圖4 進行分析可以看出：① 爆炸沖擊波壓力隨時間的衰減具有明顯的規(guī)律，沖擊波壓力在很短的時間內上升到一個峰值，然后隨著爆炸時間的推移，壓力逐漸下降，沖擊波壓力衰減過程相對于壓力上升較為緩慢，沖擊波壓力逐漸衰減至常壓.② 越靠近爆心的測點沖擊波壓力峰值到達時刻越早，并且壓力峰值越高，隨著測點距離的增加，沖擊波壓力的峰值逐漸下降，峰值到達時刻逐漸推遲，因此可得爆炸沖擊波在空氣中的傳播是以球面波的形式向外進行擴散，在擴散過程中沖擊波的壓力逐漸衰減，越靠近爆心的位置毀傷威力越大，隨著距離的增加，毀傷威力逐漸減小.③ 對上述沖擊波超峰值進行量化分析，同等裝藥質量情況下，PBX9010在各個測點處的沖擊波超壓峰值最大，AL/AP-HE的沖擊波超壓峰值最小，4種材料爆炸沖擊波對目標的毀傷威力為PBX9010>H6>TNT>AL/AP-HE.

圖3 沖擊波壓力峰值曲線Fig.3 Peak shock pressure curve

圖4 沖擊波壓力峰值曲面Fig.4 Shock wave pressure peak surface

2.2 熱效應毀傷威力對比分析

高能材料爆炸過程中在產生沖擊波的同時也伴隨產生大量熱量，對于高能戰(zhàn)斗部來說，爆炸熱效應也是其非常重要的毀傷參量之一，因此，在上述對沖擊波壓力進行處理的同時，研究了上述 4種高能炸藥的熱毀傷效應，其溫度時程曲線如圖5 所示，圖中1～10對應于高斯測點Gauge#1～Gauge#10.

(a) TNT

對上述4種材料爆炸溫度時程曲線進行峰值提取，得到不同測點距離處的溫度峰值，如表4 所示.

表4 爆炸溫度峰值數據表Tab.4 Peak temperature peak data table 單位：K

將上述溫度峰值數據繪制成曲線、曲面，如圖6 和圖7 所示.

圖6 爆炸溫度峰值曲線Fig.6 Peak explosion temperature curve

圖7 爆炸溫度峰值曲面Fig.7 Peak surface of explosion temperature

對表4、圖6 和圖7 進行分析可以看出：① 溫度和沖擊波的變化規(guī)律有很大的差別，各個測點處的溫度變化規(guī)律并不是在某一時刻達到溫度峰值后就逐漸衰減，而是存在著多個溫度上升過程，溫度峰值趨向于多次累加的結果.② 各個測點處的溫度衰減速率較為緩慢，在距離爆心一定范圍內，溫度場的溫度可以保持一個較高的溫度，所以，溫度場可以對目標造成持續(xù)的毀傷.③ 同一爆炸材料爆炸產生毀傷元的毀傷威力并不是保持一致的，在上述4種材料爆炸沖擊波威力分析中，其沖擊波毀傷力由大到小為PBX9010>H6>TNT>AL/AP-HE，熱效應毀傷威力由大到小為AL/AP-HE>PBX9010>H6>TNT.

3 結 論

本文采用AUTODYN對TNT、H6、PBX9010、AL/AP-HE 4種高能爆炸材料進行數值仿真試驗，并對其爆炸產生的沖擊波壓力、溫度進行分析，仿真及分析結果表明：

1) 上述4種高能爆炸材料在同一裝藥質量下爆炸產生的沖擊波超壓峰值及溫度峰值存在著較大的差異，沖擊波威力由大到小為PBX9010>H6>TNT>AL/AP-HE，熱效應毀傷威力由大到小為AL/AP-HE>PBX9010>H6>TNT.

2) 高能材料爆炸時在爆心周圍一定距離處會產生局部高溫，該溫度能夠保持較長的時間，并且溫度的衰減速率相比于沖擊波的衰減速率要小得多，因此，溫度場對多目標的毀傷作用時間要高于沖擊波場對目標的毀傷時間.

3) 同一爆炸材料爆炸產生毀傷元的毀傷威力并不是一致的，需要依據對于目標的實際毀傷需求選擇具有合適毀傷元的彈藥種類，從而達到對目標的最佳毀傷效果.