DNAN基熔鑄裝藥榴彈跌落沖擊特性與安全性分析?

沙洪博 袁俊明 黃求安 夏 韜 邢曦偉 溫 旭

①中北大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院(山西太原，030051)

②中國兵器裝備集團(tuán)自動化研究所有限公司智能制造事業(yè)部(四川綿陽，621000)

引言

在運(yùn)輸過程中，由于各種意外原因，彈藥會發(fā)生跌落或撞擊，可能會造成彈體變形、彈藥損傷加深及炸藥穩(wěn)定性降低。彈藥損傷加重會導(dǎo)致彈藥性能劣化，影響爆轟波的傳遞，減弱彈藥毀傷效果；炸藥的穩(wěn)定性降低會導(dǎo)致炸藥在受到外界刺激時，易發(fā)生點(diǎn)火和爆炸等意外事件，引起人員傷亡。

跌落試驗(yàn)是評價彈體安全性的重要試驗(yàn)之一，眾多學(xué)者對此系統(tǒng)地進(jìn)行了研究。南宇翔等[1]采用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬了子彈在不同工況下的沖擊特性及子彈降落的角度和速度對子彈過載峰值的影響。代曉淦等[2]以PBX-2炸藥為例，設(shè)計了炸藥加速模擬跌落試驗(yàn)裝置，分析了在殼體約束條件下的PBX-2跌落響應(yīng)過程，并與Spigot試驗(yàn)做對比，驗(yàn)證了約束條件對彈藥跌落反應(yīng)的影響。王晨等[3]應(yīng)用點(diǎn)火增長反應(yīng)速率方程、炸藥熱力耦合和自熱反應(yīng)模型描述了在跌落過程中炸藥的起爆和破碎過程，并實(shí)現(xiàn)了對炸藥跌落響應(yīng)的分析。高大元等[4]設(shè)計了炸藥撞擊試驗(yàn)，分析了跌落高度和彈藥老化對炸藥安全性的影響。Dienes等[5]針對熱點(diǎn)引起炸藥爆炸的可能性，比較了幾種機(jī)理，認(rèn)為閉合裂紋的界面摩擦引起爆炸的可能性較高。Bennett等[6]開發(fā)并演示了PBX(高聚物黏結(jié)炸藥)的數(shù)值本構(gòu)模型；該模型可用于預(yù)測高能材料的非沖擊點(diǎn)火和機(jī)械響應(yīng)，并用于預(yù)測彈藥跌落對炸藥的損傷。Yang等[7]采用二維力學(xué)化學(xué)模擬，通過流體力學(xué)代碼DREXH-2D，有效地描述了PBX受到中低水平撞擊時的力學(xué)和點(diǎn)火爆燃響應(yīng)，并應(yīng)用計算模型準(zhǔn)確預(yù)測了炸藥意外起爆時的動態(tài)響應(yīng)。

綜上所述，國內(nèi)外專家針對跌落對PBX損傷的影響進(jìn)行了全面的研究，主要進(jìn)行了宏觀跌落試驗(yàn)以及細(xì)觀模擬點(diǎn)火分析，而針對DNAN(2，4-二硝基苯甲醚)基熔鑄炸藥在跌落過程中受到應(yīng)力載荷以及沖擊加速度的變化規(guī)律缺乏系統(tǒng)性研究。

DNAN基熔鑄炸藥塑性變形能力低，在跌落過程中易發(fā)生斷裂。同時，DNAN基熔鑄炸藥在裝藥過程中易出現(xiàn)縮孔、縮松、裂紋及孔洞等缺陷；在跌落撞擊過程中，裝藥缺陷易引發(fā)熱點(diǎn)，造成爆炸，引起人員傷亡。所以，開展DNAN基熔鑄裝藥彈體在意外刺激作用下的力學(xué)響應(yīng)特性及安全性分析具有重要的工程應(yīng)用價值和現(xiàn)實(shí)意義。

在跌落過程中，含DNAN基熔鑄裝藥榴彈的主裝藥受低幅值、長脈沖的低速沖擊力作用而易產(chǎn)生損傷，形成熱點(diǎn)，誘發(fā)成燃燒甚至轉(zhuǎn)為爆轟，所引起的爆炸后果及安全事故要遠(yuǎn)大于只發(fā)生燃燒現(xiàn)象的發(fā)射藥。由此可知，對榴彈主裝藥的研究意義要高于發(fā)射藥。因此，進(jìn)行了含模擬裝藥的榴彈跌落安全性試驗(yàn)，采用有限元軟件模擬了彈體以不同姿態(tài)及高度的跌落過程，比較試驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)，分析了數(shù)值模擬方法的可行性，并通過分析DNAN基熔鑄炸藥受到的應(yīng)力載荷及加速度過載，提出了跌落沖擊對DNAN基熔鑄炸藥安全性的影響規(guī)律。

1 榴彈跌落試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示。包括:MYDL-14壓電石英力傳感器，靈敏度為4 pC/N，量程為300 kN；示波器；信號放大器；榴彈，材料為45＃鋼，口徑為57 mm，彈頭直徑為20 mm，彈尾直徑為56 mm，高度為225 mm，質(zhì)量為2.6 kg；底座，材料為鋼塊；模擬裝藥，質(zhì)量為3 kg，直徑為56 mm，高度為50 mm；導(dǎo)向裝置，材料為PVC管，口徑為63 mm，高度為500 mm。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test device

1.2 試驗(yàn)原理

彈體受到的沖擊壓力

式中:F為沖擊壓力，kN；α為力傳感器靈敏度系數(shù)，pC/N；β為信號放大器的放大倍數(shù)，β＝1；V為示波器示數(shù)，mV。

彈體受到的沖擊應(yīng)力載荷

式中:p為壓強(qiáng)，MPa；F為沖擊壓力，kN；S為受力面積，m2。

1.3 試驗(yàn)方案

鑒于彈體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，將跌落高度設(shè)為30 cm和40 cm。在試驗(yàn)過程中，按照選定的高度，選擇彈頭頂部垂直跌落在力傳感器上，并在力傳感器底部放置一個鋼塊，目的是減少由于沖擊引起的地面振動以及地面過軟帶來的緩沖，并應(yīng)用導(dǎo)向裝置控制跌落角度，通過示波器和信號放大器采集數(shù)據(jù)，做出沖擊壓力曲線。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

圖2 為在30 cm和40 cm高度跌落時彈體受到的沖擊壓力曲線；圖3為由式(2)計算得到的彈體受到的沖擊應(yīng)力載荷曲線。

圖2 彈體跌落沖擊壓力曲線Fig.2 Drop impact pressure curve of the projectile

圖3 彈體跌落沖擊應(yīng)力載荷曲線Fig.3 Drop impact stress load curve of the projectile

2 彈體跌落數(shù)值計算

2.1 建立有限元模型

采用有限元軟件中的三維實(shí)體，按照實(shí)際尺寸1∶1對彈體建模，單位制為mm·t·s，主要包括彈殼、主裝藥、發(fā)射藥3個部分，彈體外形和內(nèi)部裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示。外殼材質(zhì)為45＃鋼[8]；主裝藥為DNAN基熔鑄炸藥[9-11]，組分為DNAN/HMX，質(zhì)量比20∶80，采用雙線性本構(gòu)模型；發(fā)射藥組分為硝胺、RDX和聚氨酯彈性體，采用黏彈性模型[12]；靶板長為2 000 mm，寬為2 000 mm，厚度為750 mm，材質(zhì)為高強(qiáng)度鋼[13]。材料參數(shù)如表1所示。

圖4 彈體有限元模型與內(nèi)部裝藥剖面網(wǎng)格圖Fig.4 Finite element model and grid diagram of internal charge section of the projectile

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

為增加計算效率，網(wǎng)格屬性為六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，單元類型為八結(jié)點(diǎn)熱耦合六面體單元。在模擬跌落過程中，不計算空氣阻力，假設(shè)彈體跌落為自由落體運(yùn)動。根據(jù)能量守恒定律，可求得彈體在跌落至靶板時的瞬時速度[14]為

式中:v為速度，m/s；g為重力加速度，g＝10 m/s2；h為高度，m。

將該瞬時速度設(shè)為彈體的臨界速度，為節(jié)省計算時間，采用初始速度等效跌落高度的方法[15]。

2.2 計算工況

首先，模擬跌落高度為30 cm和40 cm的彈體跌落。對于跌落安全性試驗(yàn)，國外制定了極其嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)[16-17]；同時，分析在實(shí)際跌落過程中跌落姿態(tài)對彈體沖擊的影響，選取了4個跌落角度。因此，彈體跌落高度設(shè)為1.5 m和12.0 m，跌落角度設(shè)為30°、45°、60°和90°。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)與模擬對照分析

由圖5可知:彈體跌落高度為30 cm時，應(yīng)力峰值區(qū)間為8.1～8.5 MPa；跌落高度為40 cm時，應(yīng)力峰值區(qū)間為8.8～9.0 MPa；試驗(yàn)與模擬應(yīng)力峰值誤差小于10%。含模擬裝藥的彈體跌落試驗(yàn)的仿真模擬應(yīng)力載荷曲線的規(guī)律及作用時間，與榴彈跌落試驗(yàn)過程中彈體的應(yīng)力曲線基本相同，證明彈體模型建立正確，同時材料模型參數(shù)選擇合理。因此，可以采用有限元軟件模擬彈藥跌落過程，并分析其沖擊特性。在此基礎(chǔ)上，開展DNAN基熔鑄裝藥榴彈在不同跌落高度、跌落姿態(tài)以及彈體內(nèi)部裝藥整體升溫變化等多種工況的仿真模擬計算，并對其跌落狀態(tài)安全性進(jìn)行分析。

圖5 彈體所受應(yīng)力的模擬與試驗(yàn)結(jié)果對照Fig.5 Simulation and experiment comparison of stress on the projectile

3.2 不同跌落高度下DNAN基熔鑄炸藥沖擊載荷分析

為了分析彈藥在垂直跌落時的沖擊載荷傳遞規(guī)律，在DNAN基熔鑄炸藥上選取了3個節(jié)點(diǎn)。如圖6所示，節(jié)點(diǎn)1＃為彈體裝藥頭部，節(jié)點(diǎn)2＃為中部，節(jié)點(diǎn)3＃為尾部。對各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力載荷和加速度過載進(jìn)行分析。

圖6 節(jié)點(diǎn)位置分布圖Fig.6 Distribution of the nodes

3.2.1 彈體在1.5 m高度處跌落

圖7 為彈體在1.5 m高度處垂直跌落時DNAN基熔鑄炸藥受到的應(yīng)力載荷和沖擊加速度過載曲線。由圖7可知:彈體在跌落時，應(yīng)力載荷和加速度過載峰值均在節(jié)點(diǎn)1＃處達(dá)到最大，分別為35.0 MPa和30 000g；在節(jié)點(diǎn)3＃處最小，分別為26.8 MPa和20 000g。應(yīng)力載荷作用時間均在節(jié)點(diǎn)1＃處最大，為1.0 ms；節(jié)點(diǎn)3＃處最小，為0.9 ms。加速度過載作用時間均在節(jié)點(diǎn)1＃處最大，為1.7 ms；節(jié)點(diǎn)3＃處最小，為1.5 ms。

圖7 1.5 m跌落時DNAN基熔鑄炸藥的應(yīng)力載荷和加速度過載曲線Fig.7 Stress load curves and acceleration overload curves of DNAN-based melt-cast explosive during 1.5 m drop

3.2.2 彈體在12.0 m高度處跌落

圖8 為彈體在12.0 m高度處垂直跌落時DNAN基熔鑄炸藥受到的應(yīng)力載荷和沖擊加速度過載曲線。由圖8可知:彈體在跌落過程中，應(yīng)力載荷和加速度過載峰值均在節(jié)點(diǎn)1＃處達(dá)到最大，分別為85 MPa和73 000g；在節(jié)點(diǎn)3＃處最小，分別為80 MPa和48 000g。應(yīng)力載荷作用時間均在節(jié)點(diǎn)1＃處最大，為1.0 ms；節(jié)點(diǎn)3＃處最小，為0.9 ms。加速度過載作用時間均在節(jié)點(diǎn)1＃處最大，為1.9 ms；節(jié)點(diǎn)3＃處最小，為1.6 ms。

圖8 12.0 m跌落時DNAN基熔鑄炸藥的應(yīng)力載荷和加速度過載曲線Fig.8 Stress load curves and acceleration overload curves of DNAN-based melt-cast explosive during 12.0 m drop

3.3 不同跌落姿態(tài)下DNAN基熔鑄炸藥沖擊載荷分析

由于彈體在較高處跌落時，跌落姿態(tài)在空中會發(fā)生變動。針對跌落姿態(tài)對沖擊載荷的影響，在仿真計算時，模擬了彈體在12.0 m高度處以30°、45°、60°和90°的角度跌落的過程，并對DNAN基熔鑄炸藥在不同角度跌落時節(jié)點(diǎn)2＃處的應(yīng)力載荷和加速度過載峰值進(jìn)行了分析，如圖9所示。

圖9 不同跌落姿態(tài)下DNAN基熔鑄炸藥的應(yīng)力載荷和加速度過載曲線Fig.9 Stress load curves and acceleration overload curves of DNAN-based melt-cast explosive under different drop angles

由圖9可知:彈體在12.0 m處跌落時，應(yīng)力載荷和加速度過載峰值均在90°時最大，分別為81 MPa和57 045g，作用時間約為2.1 ms；在30°時最小，分別為9 MPa和5 271g，作用時間約為2.0 ms。

3.4 不同跌落高度下DNAN基熔鑄炸藥升溫變化

選取下部節(jié)點(diǎn)來分析DNAN基熔鑄炸藥整體升溫變化。同時，為了獲得彈體裝藥在更極端跌落高度的升溫規(guī)律，還研究了跌落高度為20.0、25.0 m和30.0 m時內(nèi)部裝藥的升溫變化。

由圖10可知:在1.5 m時，彈體內(nèi)部DNAN基熔鑄裝藥整體升溫為0.5℃；其余跌落高度(如12.0、20.0、25.0 m及30.0 m)時，整體升溫分別為2.3、3.8、4.8℃以及5.8℃。同時也可知，不同跌落高度時DNAN基熔鑄裝藥整體升溫速率近似相等，表現(xiàn)出急劇上升趨勢，且都在0.5 ms左右出現(xiàn)升溫拐點(diǎn)，逐漸趨于平穩(wěn)。通過圖11可知，DNAN基熔鑄炸藥的升溫變化與彈體跌落高度呈線性關(guān)系，隨著跌落高度的增加，升溫也逐漸增大，但增幅不大。

圖10 不同跌落高度下DNAN基熔鑄炸藥的升溫變化Fig.10 Temperature rise change of DNAN-based melt-cast explosive under different drop heights

圖11 DNAN基熔鑄炸藥的升溫與跌落高度的關(guān)系Fig.11 Relationship between temperature rise and drop height of DNAN-based melt-cast explosive

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)相對比，證明了有限元軟件模擬彈體內(nèi)部裝藥沖擊特性的可行性。

1)由仿真計算可知，當(dāng)彈體在1.5 m與12.0 m高度處跌落時，DNAN基熔鑄炸藥裝藥受沖擊力的峰值、作用時間分別是百兆帕與毫秒級，屬于典型的含能材料非沖擊點(diǎn)火響應(yīng)特性。同時，獲得了沖擊加速度過載變化規(guī)律。

2)當(dāng)?shù)涓叨仍O(shè)為12.0 m時，DNAN基熔鑄炸藥受到的沖擊加速度過載峰值隨著跌落角度的增加而變大。彈藥在垂直跌落時危險性最高，加速度過載峰值為57 045g；在30°跌落時，危險性最小，加速度過載峰值為5 721g。沖擊特性作用時間隨著高度及角度的增加而變大。

3)在30.0 m高度跌落時，DNAN基熔鑄裝藥榴彈跌落后內(nèi)部整體升溫最大，為5.8℃，不會影響裝藥安全性。但跌落沖擊應(yīng)力載荷及加速度過載可能會引發(fā)含裝藥缺陷的DNAN基熔鑄裝藥榴彈產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，導(dǎo)致發(fā)生意外爆炸或早炸現(xiàn)象。因此，未來可在此基礎(chǔ)上開展DNAN基熔鑄裝藥跌落狀態(tài)下的細(xì)觀模型升溫規(guī)律與點(diǎn)火機(jī)制研究。

總之，在進(jìn)行含DNAN基熔鑄裝藥榴彈跌落安全防護(hù)時，應(yīng)針對上述高過載的情況進(jìn)行跌落安全性分析，防止DNAN基熔鑄炸藥的應(yīng)力載荷及加速度過載超過安全閾值，引起炸藥爆炸，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。