水射流沖擊銷毀簡(jiǎn)易爆炸裝置仿真研究

任云燕,溫 瑞,陳 放

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

1 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的爆炸恐怖襲擊事件呈現(xiàn)出集中、高發(fā)的態(tài)勢(shì)，其規(guī)模不斷擴(kuò)大，受害人數(shù)不斷增多。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，犯罪活動(dòng)的組織化、預(yù)謀化程度不斷增強(qiáng)，襲擊目標(biāo)不斷平民化，如美國(guó)波士頓馬拉松爆炸案中采用爆炸裝置是用高壓鍋制得的[1]。此類爆炸案件往往在人員較為密集處發(fā)生，一旦發(fā)生爆炸容易造成惡劣的社會(huì)影響，對(duì)爆炸裝置的現(xiàn)場(chǎng)安全排除提出了迫切的要求。面對(duì)這一背景需求，利用爆炸物解體器產(chǎn)生高速水射流，侵徹?fù)舸┭b填炸藥的爆炸裝置殼體的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，可實(shí)現(xiàn)非爆炸銷毀簡(jiǎn)易爆炸裝置的目的。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)水射流銷毀爆炸裝置進(jìn)行了相關(guān)研究，龔建華等[2]介紹了爆炸物解體器的工作原理，研究了爆炸物解體器水射流對(duì)鋼制靶板的侵徹規(guī)律，分析了口徑、速度對(duì)侵徹效應(yīng)的影響；黃玉平等[3]利用高壓水射流對(duì)B炸藥進(jìn)行了破碎數(shù)值模擬，并對(duì)破碎炸藥過(guò)程中的安全性及有效性進(jìn)行了研究，得出針對(duì)不同截面下破碎炸藥的水射流速度范圍；于瑞華[4]對(duì)爆炸物銷毀器的可靠性及分解炸藥的可行性進(jìn)行詳細(xì)分析，并進(jìn)行相關(guān)安全銷毀試驗(yàn)；蔣大勇等[5-6]建立了水射流飛片沖擊模型，通過(guò)水錘壓力對(duì)沖擊起爆的影響及滯止壓力對(duì)溫升變化的影響,研究HTPB推進(jìn)劑發(fā)生沖蝕破碎過(guò)程中的安全性，得出動(dòng)態(tài)加載過(guò)程及準(zhǔn)靜態(tài)加載過(guò)程中水射流的出口壓力臨界值；Parate Bhupesh等[7-8]對(duì)爆炸物處理裝置產(chǎn)生水射流的過(guò)程進(jìn)行了后坐力計(jì)算，完成不同工況下雙基和單基推進(jìn)劑破壞試驗(yàn)并利用高速攝像對(duì)水射流速度進(jìn)行測(cè)定；Premsiri Hongthong[9-10]設(shè)計(jì)了一種用于機(jī)器人遠(yuǎn)程銷毀的無(wú)后坐力高壓水槍，進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)模擬及沖擊不同厚度靶板的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明該無(wú)后座水槍產(chǎn)生的水射流能夠穿透2 mm金屬板。從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀看，國(guó)外對(duì)于此方面的研究已發(fā)展到試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)入工程化應(yīng)用階段，而國(guó)內(nèi)研究主要是針對(duì)水射流侵徹靶板及裸炸藥，對(duì)于水射流沖擊銷毀簡(jiǎn)易爆炸裝置，尚缺少系統(tǒng)性研究。本文中利用LS-DYNA有限元軟件對(duì)水射流銷毀簡(jiǎn)易爆炸裝置開(kāi)展數(shù)值模擬研究，在不同水射流速度、不同沖擊位置下,分析裝藥承受壓力、反應(yīng)度、單元失效數(shù)等參數(shù)，得出簡(jiǎn)易爆炸裝置水射流作用下的起爆機(jī)理以及安全銷毀的水射流速度。

2 水射流銷毀簡(jiǎn)易爆炸裝置安全性分析

2.1 計(jì)算方法與計(jì)算模型

目前，簡(jiǎn)易爆炸裝置中炸藥來(lái)源一部分是由戰(zhàn)爭(zhēng)遺留炮彈所得，裝填物多為TNT、黑梯炸藥等；而爆炸恐怖分子常用來(lái)裝藥的承裝物主要有滅火器罐、液化氣罐、高壓鍋和水暖管件等承壓金屬物品，破壞威力較大。故本文中簡(jiǎn)易爆炸裝置炸藥選用B炸藥，殼體材料選用45號(hào)鋼，厚度為1 mm。

殼體采用Lagrange算法、solid164單元進(jìn)行描述；B炸藥采用SPH粒子進(jìn)行描述，尺寸為Φ8 cm×10 cm；水射流采用SPH粒子進(jìn)行描述，尺寸為Φ1 cm×20 cm。SPH算法是一種無(wú)網(wǎng)格Lagrange算法，可用于解決連續(xù)體結(jié)構(gòu)解體、碎裂和固體層裂、脆性斷裂等物理問(wèn)題，不存在網(wǎng)格畸變和單元失效問(wèn)題[11]，對(duì)于本文中高速水射流以及炸藥爆轟時(shí)的網(wǎng)格畸變非常適用。利用前處理軟件TrueGrid進(jìn)行建模，幾何模型如圖1所示。

圖1 水射流銷毀簡(jiǎn)易爆炸裝置模型

水射流材料模型為空材料模型，狀態(tài)方程為Gruneisen狀態(tài)方程，水射流速度設(shè)置為500～1 100 m/s，步長(zhǎng)為100 m/s，材料參數(shù)如表1所示。

表1 水射流Gruneisen狀態(tài)方程參數(shù)

殼體采用Johnson-Cook材料模型、Grunsisen狀態(tài)方程進(jìn)行描述，殼體參數(shù)如表2所示。

表2 殼體材料參數(shù)

B炸藥材料模型為彈塑性流體動(dòng)力材料模型,狀態(tài)方程為點(diǎn)火增長(zhǎng)模型[12-13]，參數(shù)如表3所示。

表3 B炸藥狀態(tài)方程參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

圖2為水射流速度1 100 m/s時(shí)B炸藥不同時(shí)刻壓力云圖。從圖2可以看出，水射流接觸簡(jiǎn)易爆炸裝置瞬間，水錘壓力達(dá)到763 MPa，此壓力遠(yuǎn)不足以起爆B炸藥；隨著沖擊的持續(xù)進(jìn)行，水射流的沖擊壓力在200～300 MPa，在此過(guò)程中B炸藥與殼體發(fā)生摩擦，頂部多處產(chǎn)生熱點(diǎn)，如圖2中60 μs壓力云圖所示，達(dá)到并超過(guò)B炸藥的臨界起爆壓力5.63 GPa，隨后壓力持續(xù)增加，最大壓力遠(yuǎn)超B炸藥爆轟波壓力29.5 GPa[14]，B炸藥發(fā)生爆轟。

圖2 B炸藥壓力云圖

水射流速度為500～1 000 m/s時(shí)B炸藥的最大壓力變化曲線如圖3所示。水射流速度為500～1 100 m/s時(shí)B炸藥的反應(yīng)度變化曲線如圖4所示。

圖3 B炸藥最大壓力-時(shí)間曲線

圖4 不同水射流速度B炸藥反應(yīng)度-時(shí)間曲線

從圖4中可以看出,水射流速度為1 000 m/s以上的反應(yīng)度達(dá)到1，結(jié)合最大壓力曲線分析，水射流速度超過(guò)1 000 m/s時(shí)，B炸藥發(fā)生爆炸；水射流速度在800～900 m/s時(shí)，最大壓力達(dá)到B炸藥臨界起爆壓力但并未持續(xù)增加，且反應(yīng)度保持穩(wěn)定，可知B炸藥發(fā)生輕微反應(yīng)但不會(huì)引起爆炸；水射流速度小于800 m/s時(shí)，最大壓力始終小于2 GPa，反應(yīng)度保持在0.2附近，B炸藥未發(fā)生反應(yīng)。

綜合考慮最大壓力和反應(yīng)度認(rèn)為，水射流速度超過(guò)1 000 m/s，炸藥發(fā)生爆轟，水射流速度在800～1 000 m/s時(shí)，B炸藥會(huì)發(fā)生反應(yīng)，根據(jù)上述分析，為確保簡(jiǎn)易爆炸裝置能夠安全銷毀，不引起炸藥發(fā)生爆轟，水射流的速度不應(yīng)超過(guò) 800 m/s。

2.3 簡(jiǎn)易爆炸裝置起爆機(jī)理

根據(jù)應(yīng)力波理論，可將水射流的沖擊過(guò)程分為2個(gè)階段[15]：① 高壓水射流接觸到簡(jiǎn)易爆炸裝置表面瞬間，水射流的狀態(tài)參數(shù)發(fā)生突變，在射流頭部產(chǎn)生較高的沖擊壓力，即水錘壓力，這個(gè)過(guò)程為動(dòng)態(tài)加載過(guò)程；② 隨著水射流對(duì)簡(jiǎn)易爆炸裝置的繼續(xù)作用，水射流中狀態(tài)參數(shù)的變化不大，為準(zhǔn)靜態(tài)加載過(guò)程，此水射流沖擊壓力稱為滯止壓力。

炸藥在動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中發(fā)生爆轟的過(guò)程為沖擊轉(zhuǎn)爆轟(SDT)過(guò)程，在準(zhǔn)靜態(tài)加載過(guò)程中發(fā)生爆轟的過(guò)程稱為長(zhǎng)持續(xù)脈沖時(shí)間壓力起爆(LALDS)過(guò)程。

在動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中，炸藥發(fā)生爆轟的準(zhǔn)則為：

(1)

式(1)中：pt為水錘壓力，MPa；τ為水錘壓力作用時(shí)間，s；K為實(shí)驗(yàn)常數(shù)。

由于水錘壓力作用時(shí)間極短，僅為微秒量級(jí)，現(xiàn)階段很難測(cè)量獲得。SDT過(guò)程可認(rèn)為水錘壓力pt是否超過(guò)B炸藥的臨界起爆壓力pc，即若：

pt≤pc

(2)

則爆炸裝置安全，否則認(rèn)為炸藥在水錘壓力的作用下發(fā)生爆轟。

對(duì)于LALDS過(guò)程，起爆判據(jù)表述為：

pnτ=K(n>2.3)

(3)

結(jié)合壓力云圖以及反應(yīng)度曲線分析可知，殼體在簡(jiǎn)易爆炸裝置受到?jīng)_擊瞬間起到緩沖作用，水錘壓力pt遠(yuǎn)小于B炸藥臨界起爆壓力pc，B炸藥在水錘壓力的作用下不會(huì)發(fā)生爆炸；在水射流的持續(xù)沖擊作用下，炸藥的反應(yīng)度呈現(xiàn)階梯式增加，同時(shí)由于B炸藥與殼體接觸摩擦，形成局部高壓區(qū)域，并產(chǎn)生“熱點(diǎn)”，導(dǎo)致爆炸裝置發(fā)生爆炸。

3 水射流銷毀簡(jiǎn)易爆炸裝置有效性分析

3.1 計(jì)算方法與計(jì)算模型

由前文可知，銷毀簡(jiǎn)易爆炸裝置的水射流速度不應(yīng)超過(guò)800 m/s，將水射流速度設(shè)置為500～800 m/s，以25 m/s為步長(zhǎng)，改變水射流沖擊簡(jiǎn)易爆炸裝置的位置，研究水射流沖擊簡(jiǎn)易爆炸裝置的有效性。水射流同樣采用SPH粒子進(jìn)行描述；簡(jiǎn)易爆炸裝置中炸藥采用各項(xiàng)同性隨動(dòng)硬化塑性材料模型進(jìn)行描述，殼體材料參數(shù)不變。設(shè)置水射流沖擊簡(jiǎn)易爆炸裝置頂部以及中部，計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 水射流沖擊簡(jiǎn)易爆炸裝置模型

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

水射流沖擊簡(jiǎn)易爆炸裝置的位置對(duì)沖擊效果有較大影響，圖6為水射流速度為800 m/s時(shí)2種情況最終時(shí)刻的沖擊效果圖。

圖6 水射流速度800 m/s沖擊效果

從圖6可以看出，頂部沖擊造成的最大直徑為24.44 mm，中部沖擊造成的最大直徑為25.81 mm，可以看出水射流從中部沖擊B炸藥后還有較大的剩余速度穿透殼體，殼體在應(yīng)力作用下發(fā)生回彈。

通過(guò)不同速度下水射流沖擊簡(jiǎn)易爆炸裝置的失效單元數(shù)對(duì)簡(jiǎn)易爆炸裝置的銷毀情況進(jìn)行分析，圖7為2種沖擊位置下t=300 μs時(shí)水射流速度與失效單元數(shù)的關(guān)系圖。

圖7 水射流速度與失效單元數(shù)關(guān)系

從圖7可知，失效單元數(shù)隨著水射流速度的增加而增加，且增加逐漸趨于平緩，結(jié)合圖6分析，水射流速度為750m/s左右時(shí)已到達(dá)殼體底部，所以隨著水射流速度的增加，失效單元數(shù)變化不大。

速度較小時(shí)，從中部沖擊的失效單元數(shù)增加緩慢，隨后才與從頂部沖擊的失效單元數(shù)增加趨勢(shì)相似，這是由于水射流接觸的殼體為拱形，相比從頂部沖擊，需要更多能量才能沖破殼體，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)的破壞。

水射流可對(duì)簡(jiǎn)易爆炸裝置造成2.5倍自身直徑的穿孔，由于僅考慮核心區(qū)速度，忽略了水射流的霧化作用，實(shí)際情況會(huì)造成更大截面的破壞，甚至導(dǎo)致簡(jiǎn)易爆炸裝置發(fā)生解體。在對(duì)簡(jiǎn)易爆炸裝置銷毀過(guò)程中，可同時(shí)針對(duì)導(dǎo)火索、電子線路等部位實(shí)施銷毀，增加銷毀過(guò)程的可靠性。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)LS-DYNA有限元仿真軟件對(duì)不同速度下水射流銷毀簡(jiǎn)易爆炸裝置進(jìn)行數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

1)在處理簡(jiǎn)易爆炸裝置時(shí),為確保能夠安全銷毀，不引起炸藥爆炸，水射流速度應(yīng)小于800 m/s。

2)由于殼體的緩沖作用,過(guò)高的水射流速度并不會(huì)使簡(jiǎn)易爆炸裝置立即發(fā)生爆炸，而是由于持續(xù)沖擊作用下炸藥與殼體發(fā)生摩擦，產(chǎn)生局部高壓區(qū)域?qū)е抡ㄋ幈?，在?shí)施銷毀作業(yè)時(shí)，應(yīng)避免較大水量的持續(xù)沖擊。

3)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可根據(jù)爆炸裝置的尺寸選擇合理的沖擊銷毀位置及水射流速度，使其失去爆炸性能，安全排除危險(xiǎn)。由于條件有限，未進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，研究結(jié)果可為水射流銷毀爆炸裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化作參考。