高過載條件下火工品裝藥的響應(yīng)特性

王威威 耿繼東 魯楠

摘要：火工品是武器彈藥的首發(fā)部件及始發(fā)能源，為高新武器裝備提供高新火工技術(shù)支撐，是整個國防工業(yè)的基礎(chǔ)專業(yè)及核心基礎(chǔ)技術(shù)之一。本文采用非線性顯式動力學(xué)仿真軟件ANSYS/LS-DYNA，計算空氣炮高過載試驗裝置發(fā)射的彈體撞擊鋼靶及混凝土靶板時獨腳橋絲電雷管的損傷過程。分析了裝藥結(jié)構(gòu)、溫度、壓力變化，揭示了高過載條件下火工品裝藥的損傷及點火機理，為高過載火工品裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：高過載條件;火工品;裝藥

火工品作為彈藥系統(tǒng)的初始能量引發(fā)裝置，其可靠性對彈藥系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)彈藥撞擊、侵徹艦船、地下工事等深部或多級目標時，只有當(dāng)彈藥侵徹預(yù)定深度時，火工品才能引爆。若火工品過早爆炸或結(jié)構(gòu)與功能受損，勢必影響整個武器系統(tǒng)的最終毀傷效能。

一、火工品概述

火工品是指在含有火藥或炸藥的外部能量刺激下能產(chǎn)生特種效應(yīng)的一次性元器件或裝置的總稱。其包括火帽、底火、點火管、延期件、雷管、傳爆管、導(dǎo)火索、導(dǎo)爆索、爆炸開關(guān)、爆炸螺栓、啟動器、切割索等。

二、空氣炮過載實驗方法

空氣炮實驗系統(tǒng)由支架、發(fā)射炮管、彈體、氣動控制系統(tǒng)、測速系統(tǒng)、回收靶室組成。發(fā)射炮管水平安裝在支架上，發(fā)射炮管一端與高壓氣室密封連接，另一端為出口端，靠近回收靶室，面向靶板。炮管出口端裝有彈體測速系統(tǒng)，用于測量彈體速度?；厥瞻惺已b有靶板調(diào)整裝置，可更換不同材質(zhì)靶板，以獲得不同過載加速度。在實驗過程中，彈丸在高壓氣體瞬時推動下沿直徑為37mm的炮管向前運動，通過遮擋式雙光路測試系統(tǒng)后，撞擊回收室內(nèi)鉛直放置的靶板上，形成高加速度過載環(huán)境，實現(xiàn)火工品加載。

因彈體尺寸的限制，無法采用彈載加速度傳感器標定彈體著靶加速度。因此，根據(jù)WJ/Z112-81系列標準，采用銅柱測壓法標定過載加速度與高壓氣體壓力間的關(guān)系。用于標定的彈體配備有撞擊桿及銅柱，銅柱在撞擊桿沖擊下被壓縮變形，過載加速度是通過測量變形量查表獲得。彈體及沖擊桿由GCr15軸承鋼制成，彈體尺寸為36.5×97mm，重量625g，沖擊桿質(zhì)量10.0g，測壓銅柱6mm×9.8mm圓錐形銅柱。

三、數(shù)值仿真模型

1、幾何模型。采用圓頭圓柱形彈體，直徑36.5mm，長107mm。圓頭直徑30mm，長30mm，獨腳橋絲電雷管由金屬外殼、電極塞、端帽、裝藥組成。電雷管直徑為4.9mm，總長12.7mm，其中殼體長9.4mm。電極塞內(nèi)電極直徑1.48mm。電雷管內(nèi)裝Comp-B復(fù)合炸藥，裝藥長5.8mm，密度1.717g/cm3，質(zhì)量158mg。電雷管與彈體以軸向輸出端加載方式組裝，即電雷管輸出端朝向彈體運動方向。兩種材料靶板經(jīng)淬火GCr15鋼及單軸抗壓強度為48MPa的混凝土，尺寸為30cm×24cm×3cm及30cm×24cm×9cm。

2、計算模型。考慮到彈靶結(jié)構(gòu)及初邊值條件的對稱性，計算時采用1/2模型建模。為更好地描述混凝土靶板的大變形問題，采用光滑質(zhì)點流體力學(xué)（SPH）方法建立了混凝土靶板模型，模型的其他部分采用8節(jié)點六面體實體單元進行單元網(wǎng)格劃分。采用單點積分及基于剛性的沙漏控制，節(jié)省機時，提高計算效率，避免單點積分造成的非物理沙漏模式。網(wǎng)格劃分是在保持計算精度和提高運算速度的前提下進行的。經(jīng)網(wǎng)格劃分后，剛性靶板單元數(shù)為15552個，彈體單元數(shù)為45600個，火工品組件共46420個單元?；炷涟邪逵?1600個SPH質(zhì)點組成。

點-面接觸侵蝕算法用于計算彈體與混凝土靶間的接觸，而自動面-面接觸算法用于計算彈體與鋼性靶板、彈體和火工品及火工品各組件間的接觸。在計算模型的軸對稱面上應(yīng)用對稱約束，并約束靶板側(cè)面節(jié)點位移，以固定靶板位置。

3、材料模型?；鸸て费b藥采用流體彈塑性模型，炸藥反應(yīng)物及最終產(chǎn)物的壓力變化采用基于JWL的Lee-Tarver點火增長模型描述。

炸藥爆炸的化學(xué)反應(yīng)速率方程包括三個理想物理階段：少量炸藥在沖擊壓縮下發(fā)生反應(yīng)的點火階段;初始反應(yīng)擴散的慢速增長階段;高溫高壓下快速完全反應(yīng)階段。

鋼性靶板、彈體、火工品等組件采用隨動硬化彈塑性模型描述，該模型適用于描述材料的塑性變形行為，如應(yīng)變率效應(yīng)、損傷失效等。

混凝土材料由Holmquist-Johnson-cook材料模型描述，該模型能較好地描述混凝土在大應(yīng)變、高應(yīng)變率、高壓下的動態(tài)力學(xué)行為。

四、結(jié)果與討論

1、電雷管受載環(huán)境。根據(jù)上述材料模型，通過仿真計算得出彈體以80m/s的初速撞擊鋼靶及混凝土靶時的彈體過載加速度。彈體撞擊鋼靶時，最大加速度為149000g，平均加速度約112000g，過載加速度脈寬90s。彈體撞擊混凝土靶板時，過載加速度峰值52000g，平均加速度約30000g，加速度脈寬180s。

2、裝藥的溫度分布。過載后，通過LS-Prepost后處理程序獲得各單元沿藥柱長度方向、藥柱表面、軸心處溫度-時程，然后用Matlab軟件編寫程序，得到各單元的最高溫度。同樣的方法用于獲得沿藥柱徑向、頭部（輸出端）、尾部（輸入端）的裝藥溫度變化。

從藥柱內(nèi)部溫度分布來看，無論是沿裝藥軸還是在裝藥表面，頭、尾部裝藥溫度都明顯高于中間裝藥溫度，表明兩端裝藥的損傷程度大于中間裝藥。頭部裝藥溫度高于尾部裝藥溫度，表明頭部輸出端裝藥的損傷大于尾部輸入端的損傷。

從過載環(huán)境不同角度分析，通過比較兩種環(huán)境下裝藥溫度的變化，發(fā)現(xiàn)火工品裝藥軸心處分布規(guī)律相同。換言之，不同的過載環(huán)境不會導(dǎo)致軸心處裝藥損傷的變化。在裝藥表面，裝藥侵徹鋼靶過載時的溫度高于侵徹混凝土靶時的溫度。這說明鋼靶加載時的過載環(huán)境惡劣，對火工品裝藥損傷大。

在裝藥頭部，裝藥外表面溫度最大，其次是軸心處。這是由于裝藥外表面與端帽和管殼間的相對滑動引起的劇烈摩擦，而軸心處裝藥主要受端帽彈性變形的反復(fù)沖擊。在裝藥尾部，從軸心處到裝藥外表面溫度變化不大，但在侵徹鋼靶的過載條件下，藥柱溫度高于侵徹混凝土靶時的溫度。

五、火工品裝藥的點火機理

在火工品結(jié)構(gòu)中，裝藥與外殼和電極塞緊密接觸。在高加速過載條件

下，電雷管的外殼形變和電極塞運動等結(jié)構(gòu)變形會擠壓裝藥。在此過程中，火工品結(jié)構(gòu)與裝藥間會發(fā)生相互滑動及摩擦。由于摩擦過程中產(chǎn)生的熱量將加熱火工品裝藥，提高裝藥溫度，并在裝藥表面形成熱點。對于低熔點炸藥，當(dāng)溫度超過炸藥熔點時，炸藥會熔化，產(chǎn)生塑性流動，形成整體加熱。這一過程進一步提高了炸藥材料的溫度，并最終引爆炸藥。

從應(yīng)力波傳播角度來看，在彈體撞擊靶體的高過載條件下，彈-靶界面產(chǎn)生的應(yīng)力波沿彈體軸向傳播，在彈體與火工品界面發(fā)生耦合，并傳遞到火工品上。應(yīng)力波的作用會導(dǎo)致火工品裝藥的損傷和微裂紋。隨著應(yīng)力波的反射過程，微裂紋不斷長大、擴展和匯聚，導(dǎo)致裝藥從均質(zhì)狀態(tài)變?yōu)榉蔷|(zhì)顆粒狀態(tài)。同時，顆粒慣性運動引起顆粒間的相互碰撞和摩擦，導(dǎo)致裝藥溫度升高，在裝藥局部區(qū)域形成熱點。另外，電極塞的前向運動也會壓縮裝藥，從而加劇破碎顆粒間的摩擦過程，增強溫升效應(yīng)。

六、結(jié)論

以空氣炮過載實驗裝置為基礎(chǔ)，利用ANSYS/LS-DYNA仿真軟件，研究高過載條件下火工品裝藥的意外發(fā)火作用機理。結(jié)果表明，火工品裝藥主要受壓縮應(yīng)力的影響，致使其長度減小?；鸸て凡煌恢醚b藥溫度變化不同，頭、尾部裝藥溫度上升最為明顯，中部裝藥的溫度上升較小，當(dāng)靶板為鋼靶時，裝藥溫升較大。裝藥與結(jié)構(gòu)間的相互作用和炸藥顆粒的內(nèi)部摩擦?xí)纬蔁狳c，但前者是裝藥意外發(fā)火的主要原因。本文的數(shù)值計算為高過載火工品的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了技術(shù)支持。

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