近域爆炸瞬態(tài)溫度場(chǎng)作用下聚脲涂層灼燒損傷特性

陶 臣，王 昕，紀(jì) 沖，王鈺婷，趙長嘯，韓澤巖

（陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

0 引 言

聚脲是一種高強(qiáng)度、高延展性的彈性體聚合物，具有固化成型快速、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、粘附力強(qiáng)、抗腐蝕性及防水性等優(yōu)異性能。近年來研究發(fā)現(xiàn)，聚脲涂層能有效提高金屬、混凝土及纖維復(fù)合材料等結(jié)構(gòu)的抗爆性能，在提升結(jié)構(gòu)防護(hù)能力中具有廣闊的應(yīng)用前景［1-2］。燃油、輸油管路和儲(chǔ)油罐等儲(chǔ)液容器在戰(zhàn)場(chǎng)中易受到針對(duì)性打擊，采用聚脲防護(hù)可在一定程度上增強(qiáng)此類儲(chǔ)液容器結(jié)構(gòu)的抗爆性能［3-4］。當(dāng)聚脲暴露在爆轟產(chǎn)物作用區(qū)域時(shí)，不可避免受到爆炸溫度場(chǎng)的灼燒作用，造成聚脲材料的熱分解和損傷［5］；若產(chǎn)生明火，將導(dǎo)致內(nèi)部?jī)?chǔ)存液體面臨燃燒和爆炸的巨大威脅。因此，對(duì)于爆炸溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)以及聚脲在爆炸溫度作用下燒蝕行為的精準(zhǔn)評(píng)估顯得尤為重要。然而，爆炸是復(fù)雜的物理化學(xué)過程，具有高溫度、強(qiáng)破壞和快速性的特點(diǎn)，瞬態(tài)爆炸溫度場(chǎng)的測(cè)量和模擬本身極具挑戰(zhàn)性。同時(shí)，以往研究主要集中在聚脲材料種類、涂覆厚度及涂覆位置等因素對(duì)基體結(jié)構(gòu)抗爆炸動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程的影響，極少有涉及爆轟產(chǎn)物高溫對(duì)聚脲的損傷機(jī)理的研究。

為了研究爆炸溫度場(chǎng)對(duì)聚脲涂層的灼燒機(jī)理，針對(duì)聚脲材料涂覆膠囊式儲(chǔ)液容器開展近距爆炸條件下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。采用掃描電鏡-能譜（SEM-EDS）獲得聚脲表面灼燒深度；利用高速攝像、Python 溫度代碼和Autodyn 軟件，研究近場(chǎng)爆炸條件下鈍化黑索今（RDX）爆轟產(chǎn)物的溫度、密度和速度等因素對(duì)聚脲涂層的影響；結(jié)合熱傳遞方式理論推導(dǎo)，獲得聚脲發(fā)生熱分解的主要原因。研究成果可為聚脲涂層抗瞬態(tài)爆炸溫度場(chǎng)的研究提供思路和理論指導(dǎo)。

1 比色測(cè)溫原理及標(biāo)定

爆炸溫度的測(cè)量主要分為接觸式和非接觸式兩類，接觸式測(cè)溫只能測(cè)得固定點(diǎn)的溫度且儀器不能重復(fù)利用，非接觸測(cè)溫可測(cè)得爆炸場(chǎng)外表層的溫度，適合瞬態(tài)爆炸溫度場(chǎng)的測(cè)量。比色測(cè)溫基于普朗克黑體輻射理論，依托高速攝像拍攝原始圖像進(jìn)行處理得到溫度場(chǎng)，能夠得到各時(shí)刻爆炸過程的瞬態(tài)溫度場(chǎng)，相較于紅外輻射測(cè)溫而言無需額外補(bǔ)償物體的發(fā)射率，近些年已逐漸在粉塵、氣體和炸藥等爆炸測(cè)溫領(lǐng)域得到應(yīng)用［6-7］。數(shù)值模擬能夠準(zhǔn)確描述爆轟產(chǎn)物的膨脹過程［8-9］，結(jié)合比色測(cè)溫可以得到爆炸溫度場(chǎng)的各種物理參數(shù)。

比色測(cè)溫法依據(jù)普朗克輻射定律（也稱黑體輻射定律），光譜輻射亮度L（W·m-2·sr-1））可由式（1）確定［10］：

式中，ε為光譜發(fā)射率（介于0 與1 之間的數(shù)值），C1為第一輻射常數(shù)，C1≈3.742×10-16m·K；C2為第二輻射常數(shù)，C2≈1.4388×10-2m·K；λ為輻射波長，m；T為溫度，K。對(duì)不同波長的輻射亮度比可由式（2）計(jì)算得到［11］：

式中，λ1和λ2為不同輻射波長，nm；R為波長為λ1和λ2在溫度T下輻射亮度比值。對(duì)式（2）兩邊取對(duì)數(shù)并化簡(jiǎn)得到式（3）［11］：

由公式（2）和（3）推導(dǎo)得出輻射亮度之比與溫度的比值基本為常數(shù)，因此可以根據(jù)物體輻射亮度反推出物體表面的溫度。為了得到輻射亮度之比與溫度比值的數(shù)值，選擇鎢絲燈作為標(biāo)準(zhǔn)溫度源進(jìn)行溫度反演。圖1a 所示為構(gòu)建的比色測(cè)溫標(biāo)定系統(tǒng)示意圖，由高速相機(jī)、鎢絲燈、高精度萬用表和直流穩(wěn)壓電源組成。實(shí)驗(yàn)中鎢絲實(shí)質(zhì)上是焦耳熱效應(yīng)加熱的電阻，鎢絲的電阻值與溫度值之間存在穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系［12］。光學(xué)相機(jī)拍攝得到的圖片是由紅、綠、藍(lán)（R、G、B）三色按照拜爾陣列排列組成，可以對(duì)像素點(diǎn)提取綠與紅的信號(hào)強(qiáng)度比值來獲取輻射亮度［11］。通過拍攝不同溫度鎢絲圖片獲得溫度與輻射亮度之間的比值常數(shù)。具體標(biāo)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，將FASTCAMSA-Z 高速相機(jī)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，對(duì)加熱后的鎢絲燈拍攝得到灰度圖像，并根據(jù)電流表和電壓表數(shù)值獲得鎢絲燈的電阻，進(jìn)而得到鎢絲圖像G/R 值隨溫度變化關(guān)系。利用自編Python 程序提取圖片中像素點(diǎn)G、R 像素值，擬合得到溫度與G/R比值的線性關(guān)系如圖1b 所示（相關(guān)系數(shù)為0.9979，擬合效果較好）。由公式（3）計(jì)算得出G/R 值隨溫度變化為常數(shù)，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的目的是為了獲得該常數(shù)值。標(biāo)定的溫度范圍雖然為1400～2600 K，由上述公式推導(dǎo)得出圖1b 斜率不變，可以延伸曲線測(cè)量高于2600 K的物體溫度，運(yùn)用比色測(cè)溫準(zhǔn)確反演爆炸場(chǎng)溫度值是可行的。

圖1 比色測(cè)溫標(biāo)定示意圖Fig.1 Colorimetric temperature calibration diagram

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

鈍化黑索今藥柱為壓裝成型，直徑為50 mm，長40 mm，重130 g；采用青島海洋新材料科技有限公司生產(chǎn)的AMMT-30 型聚脲；6063-T5 鋁管，直徑16 cm，壁厚5 mm；采用揚(yáng)州科動(dòng)電子有限責(zé)任公司KD2002L-10M 空中自由場(chǎng)傳感器測(cè)量空氣沖擊波壓力，量程10 MPa；采用FASTCAMSA-Z 高速攝像記錄裝藥的爆轟及爆轟產(chǎn)物飛散過程。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 聚脲涂覆儲(chǔ)液容器近場(chǎng)爆炸實(shí)驗(yàn)設(shè)置及實(shí)驗(yàn)

聚脲涂覆儲(chǔ)液容器抗爆實(shí)驗(yàn)布局如圖2 所示。其中，儲(chǔ)液容器圓柱部為直徑16 cm、長度35 cm、壁厚5 mm 的6063-T5 鋁合金圓管，容器兩端的鋁質(zhì)穹形堵頭與圓柱部以螺紋方式連接；容器外部分別涂覆1，4，6 mm 厚度AMMT-30 型聚脲，內(nèi)部注入50%水介質(zhì)；聚脲涂覆儲(chǔ)液容器兩端使用鋼制夾具固定，防止在爆炸過程中發(fā)生大位移而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果；RDX 藥柱底端距離容器外表面中心點(diǎn)為7 cm，高度約為60 cm；空中自由場(chǎng)壓力傳感器安裝在距離裝藥中心75 cm 和100 cm 處，高度約為80 cm；高速攝像機(jī)設(shè)置于距離爆炸源20 m 處，高度約為50 cm。

圖2 實(shí)驗(yàn)布局示意圖Fig.2 Schematic diagram of experiment layout

2.2.2 聚脲掃描電鏡-能譜實(shí)驗(yàn)

掃描電鏡-能譜（SEM-EDS）實(shí)驗(yàn)的儀器型號(hào)為FEI Nova NanoSEM450，可以將樣品放大100000 倍，能夠清晰觀察聚脲材料的微觀結(jié)構(gòu)。聚脲彈性體取樣體積控制在1 cm3以下，切割后放入掃描電鏡內(nèi)觀察微觀形貌，選取位置點(diǎn)進(jìn)行能譜分析。本實(shí)驗(yàn)做的三組樣品分別是：爆炸前聚脲層取樣、4 mm 厚度聚脲層聚脲爆炸后取樣和6 mm 厚度聚脲爆炸后取樣。

2.2.3 聚脲材料熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)

使用STA 449C 同步熱分析儀測(cè)試聚脲材料的熱穩(wěn)定性，設(shè)置升溫區(qū)間為25～700 ℃，升溫速率為5 ℃·min-1，保護(hù)氣體N2流速為50 mL·min-1。稱取約10 mg 聚脲放置于70 μl 氧化鋁坩堝，坩堝放在熱傳感器上。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.3.1 爆炸溫度場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

藥柱從底部中心起爆后，爆轟產(chǎn)物具有高溫度，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的亮度。鈍化RDX 藥柱爆炸過程如圖3 所示。RDX 藥柱在10 μs 時(shí)已完成爆轟過程，轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏旱谋Z產(chǎn)物（爆炸火球）向外膨脹，并在16 μs時(shí)爆炸火球到達(dá)聚脲層表面。隨著火球體積的持續(xù)增大，火球膨脹受到聚脲涂覆鋁管阻擋，聚脲層也受到火球的灼燒作用。在10～75 μs 火球中心區(qū)域亮度未發(fā)生明顯改變。在75 μs 后，火球體積持續(xù)增加且亮度快速降低，火球?qū)垭鍖拥淖茻饔瞄_始減弱。爆炸火球在整個(gè)過程中體積都在膨脹，亮度先保持不變，然后快速降低，在450 μs 時(shí)聚脲層附近觀察不到火球。

圖3 高速攝像拍攝RDX 藥柱的瞬態(tài)爆炸過程Fig.3 Transient explosion process of RDX grain photographed by high-speed camera

將圖3 處理得到灰度圖片，利用前述編制的Python 程序?qū)Ω魉矔r(shí)圖像進(jìn)行計(jì)算處理，反演得到爆炸瞬態(tài)溫度場(chǎng)如圖4 所示。使用自編Python 程序提取溫度場(chǎng)云圖數(shù)據(jù)得到爆炸初始階段（10 μs）的爆炸溫度最大值約為3792 K，10～75 μs 火球中心區(qū)域亮度雖然未發(fā)生明顯改變，但75 μs 時(shí)爆炸火球溫度最大值約為2370 K。說明隨著時(shí)間推移，火球溫度逐漸降低。450 μs 時(shí)爆炸火球溫度最大值降低為2064 K。爆炸過程壓縮周圍空氣做功消耗能量，自身產(chǎn)生的聲、光、熱、振動(dòng)等也會(huì)損耗能量，隨著體積的增大，爆炸火球溫度逐漸降低，但在整個(gè)爆炸過程具有較高溫度［13］。分析認(rèn)為爆炸持續(xù)過程約450 μs，溫度降低主要是火球體積增大造成，說明聚脲層在爆炸溫度場(chǎng)內(nèi)受到爆炸場(chǎng)的高溫灼燒時(shí)間短暫。

圖4 瞬態(tài)爆炸不同時(shí)刻溫度分布圖Fig.4 Temperature distribution of transient explosion at different time

2.3.2 聚脲涂覆的灼燒損傷

在近場(chǎng)爆炸作用下聚脲涂層的灼燒結(jié)果如圖5 所示。鋁管中心向內(nèi)凹陷發(fā)生塑性變形，聚脲在鋁管凹陷處出現(xiàn)近似圓形的灼燒區(qū)域，表面呈不規(guī)則斑點(diǎn)狀，平均直徑為7.3 cm。分析認(rèn)為聚脲表層受到爆炸溫度場(chǎng)作用發(fā)生熱分解，冷卻后出現(xiàn)凹凸不平的褶皺。由于拉伸應(yīng)力波作用，聚脲在爆炸沖擊下會(huì)發(fā)生脫膠和拉伸破壞，導(dǎo)致1 mm 厚聚脲發(fā)生局部脫落，4 mm厚聚脲出現(xiàn)撕裂破壞。說明聚脲層受到爆炸場(chǎng)的力熱聯(lián)合作用。

圖5 不同厚度聚脲涂層的灼燒結(jié)果Fig.5 Burning results of polyurea layers with different thickness

聚脲在高溫作用下發(fā)生化學(xué)鍵破壞和組分分解，而爆炸沖擊波僅破壞聚脲分子內(nèi)部化學(xué)鍵。因此，可利用掃描電鏡-能譜（SEM-EDS）獲得聚脲切面微觀結(jié)構(gòu)和元素分布，以精準(zhǔn)分析爆炸溫度因素對(duì)聚脲表面灼燒損傷特性的影響。從圓管灼燒區(qū)域中心進(jìn)行取樣，觀測(cè)聚脲層切面SEM 如圖6 所示。未損傷聚脲材料內(nèi)部含有大量球形孔洞（圖6a），氣體的導(dǎo)熱系數(shù)小，熱量通過孔洞的阻力增加，多孔結(jié)構(gòu)阻滯熱量傳導(dǎo)。圖6b 和圖6c 分別為爆炸溫度場(chǎng)灼燒后的4 mm和6 mm 厚度聚脲層切面，可以看出聚脲表層發(fā)生灼燒，內(nèi)部未觀察到熱分解現(xiàn)象。分析認(rèn)為在沖擊波和爆轟產(chǎn)物作用下，表層與孔洞之間的薄層被貫穿，爆轟產(chǎn)物的進(jìn)入加劇了聚脲層的灼燒從而形成斑點(diǎn)狀。說明聚脲材料孔洞的存在對(duì)材料灼燒程度具有雙重作用，當(dāng)孔洞未破壞時(shí)，能夠阻礙熱量傳遞，減緩內(nèi)部溫度的升高；當(dāng)孔洞破壞時(shí)，爆轟產(chǎn)物進(jìn)入孔洞，加劇聚脲層的灼燒。

圖6 聚脲切面微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructure of polyurea longitudinal section

聚脲主要由碳、氫和氧元素組成，聚脲的表層至內(nèi)部（如圖7a 中紅線所示）碳、氫和氧元素分布如圖7b所示。聚脲材料不同厚度位置碳、氫和氧元素含量相差較小，曲線趨于水平波動(dòng)。受熱分解后各元素分解程度不同致使含量發(fā)生變化，曲線遠(yuǎn)離水平線。分析認(rèn)為爆炸溫度場(chǎng)的高溫持續(xù)時(shí)間短，短時(shí)間內(nèi)熱量主要作用于聚脲表層，表層聚脲在高溫下發(fā)生熱分解消耗能量。聚脲材料的導(dǎo)熱系數(shù)低，熱量短時(shí)間內(nèi)很難傳遞到聚脲內(nèi)部。說明聚脲表層發(fā)生灼燒，但聚脲層表面灼燒深度小，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)不變。

圖7 聚脲切面的電鏡圖像（左）與EDS 線能譜（右）分析Fig.7 Electron microscopic image （left）and EDS lineal energy spectrum analysis（right）of polyurea cross section

2.3.3 裝藥爆炸對(duì)聚脲涂層的損傷作用分析

根據(jù)掃描電鏡獲得聚脲層損傷微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)照灼燒區(qū)域及沖擊波作用區(qū)域?qū)垭宓膿p傷結(jié)果，參考已有文獻(xiàn)［1］中爆炸沖擊波對(duì)聚脲的損傷，綜合分析力熱耦合作用對(duì)聚脲損傷如圖8 所示。RDX 藥柱爆炸后產(chǎn)生高溫火球（爆轟產(chǎn)物）和沖擊波，沖擊波的傳播速度大于火球膨脹速度，因此沖擊波先于爆炸火球作用于聚脲層［14］，如圖8a 所示。沖擊波到達(dá)聚脲表層后將發(fā)生反射，并在聚脲層中形成壓縮波。在壓縮波的作用下聚脲層在厚度方向上被壓縮，內(nèi)部孔洞受壓變形吸收部分能量。沖擊波瞬態(tài)作用下聚脲內(nèi)部分子中脲鍵、氫鍵等化學(xué)鍵會(huì)發(fā)生斷裂并耗散部分能量［1］，如圖8b 所示。然后，高溫高壓的爆轟產(chǎn)物作用于聚脲層，并將熱量傳遞給聚脲層。聚脲材料受熱發(fā)生熱軟化效應(yīng)，表現(xiàn)為表層灼燒、孔洞消失、力學(xué)性能降低［15］。隨著溫度的升高，聚脲內(nèi)部分子受熱分解（分子破壞、化學(xué)健斷裂）。爆炸結(jié)束后，由于高溫將聚脲表層分子破壞，損傷作用是不可逆的，嚴(yán)重影響聚脲的二次抗爆，如圖8c 所示。由于聚脲屬于超彈性體材料，未受到高溫作用的區(qū)域內(nèi)部孔洞復(fù)原，部分脲鍵、氫鍵會(huì)重新結(jié)合進(jìn)行自愈合，如圖8d 所示。

圖8 爆炸沖擊波和火球?qū)垭鍖訐p傷示意圖Fig.8 Explosion shock wave and fireball damage diagram of polyurea

2.3.4 聚脲材料熱穩(wěn)定性分析

聚脲是由異氰酸酯和氨基化合物聚合而成，熱穩(wěn)定結(jié)果如圖9 所示。從圖9a 可以看出試樣存在三個(gè)失重階段：第一階段為238.5 ℃以下，質(zhì)量損失約為2.1%，主要是水分子和易揮發(fā)助劑等。第二階段為238.5～404.9 ℃，聚脲的質(zhì)量損失為82%，在375.1 ℃處達(dá)到最大分解速度。圖9b 的DSC 曲線中吸熱峰峰值溫度為345.1 ℃，溫度區(qū)間在231.2～353.3 ℃，對(duì)應(yīng)聚脲的解聚。硬段中脲鍵熱穩(wěn)定性較低，在238.5～310.8 ℃溫度區(qū)間脲鍵被分解，造成質(zhì)量下降［16］。DSC曲線中玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度出現(xiàn)在310.6 ℃，由氫鍵斷裂造成［17］。說明隨著溫度的升高和氫鍵的斷裂，脲鍵等化學(xué)鍵分解速度逐漸加快。DSC 曲線中放熱峰峰值溫度為374.8 ℃，可知，310.8～404.9 ℃質(zhì)量損失對(duì)應(yīng)軟段中氨基化合物分解成小分子揮發(fā)［18］。第三階段為404.9 ℃以上，在651.1 ℃出現(xiàn)一個(gè)吸熱峰，主要是未分解的物質(zhì)熔融、蒸發(fā)造成吸熱和質(zhì)量損失。由此可知，聚脲的初始分解溫度在231.2 ℃，且在231.2 ℃以下，聚脲分子結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，具有較好的穩(wěn)定性。

圖9 聚脲熱分析曲線Fig.9 Thermal analysis curves of polyurea

2.3.5 聚脲材料層熱傳遞方式分析

由前述可知，爆炸場(chǎng)的溫度高達(dá)3792 K，爆轟產(chǎn)物熱量傳遞給聚脲。聚脲材料溫度升高至231.2 ℃時(shí)開始分解，隨著溫度的升高熱分解加劇，表層出現(xiàn)灼燒現(xiàn)象。自然界中的熱傳遞主要通過三種基本方式進(jìn)行，分別是熱對(duì)流、熱輻射和熱傳導(dǎo)。由于聚脲材料為固體，爆轟產(chǎn)物近似為氣體，因此，不會(huì)發(fā)生熱對(duì)流現(xiàn)象。另外，物體溫度高于絕對(duì)零度時(shí)都會(huì)產(chǎn)生熱輻射，溫度越高熱輻射能量越大，爆轟產(chǎn)物通過熱輻射傳遞能量到聚脲層。熱輻射是以波的形式傳播，聚脲表層會(huì)快速受到熱輻射。實(shí)驗(yàn)中聚脲層中心區(qū)域出現(xiàn)灼燒，平均直徑為7.3 cm。分析認(rèn)為，炸藥爆炸溫度持續(xù)時(shí)間短（約為284 μs），聚脲層受到熱輻射作用溫度未達(dá)到熱分解溫度，爆炸溫度場(chǎng)的熱輻射不會(huì)對(duì)聚脲材料造成灼燒。根據(jù)爆轟產(chǎn)物的傳播規(guī)律，僅分析爆轟產(chǎn)物熱傳導(dǎo)對(duì)聚脲層的影響。其中，熱傳導(dǎo)過程遵循傅里葉定律［19］，為公式（4）：

式中，φ為熱流量，W·m-2；K為導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·k-1；S為橫截面積，m-2；ΔT為溫度差，K；x、y和z為傳熱距離，m。由公式（4）可知，導(dǎo)熱過程中通過截面的導(dǎo)熱量正比于垂直截面方向上的溫度變化率，熱量傳遞方向與溫度升高方向相反。爆轟過程近似為瞬態(tài)，爆轟產(chǎn)物接觸聚脲材料才會(huì)發(fā)生熱傳導(dǎo)，爆轟產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)方向可以看成熱傳導(dǎo)方向，傳遞給聚脲有效熱量為沿聚脲層厚度方向?？捎霉剑?）計(jì)算爆轟產(chǎn)物質(zhì)量：

式中，m為爆轟產(chǎn)物質(zhì)量，kg；ρ為密度，kg·m-3；V為體積，m-3；U為速度，m·s-1；t為時(shí)間，s。由公式（5）可知，爆轟產(chǎn)物質(zhì)量與密度、爆速正相關(guān)。將公式（4）帶入比熱容計(jì)算公式，計(jì)算爆轟產(chǎn)物的熱量，得到公式（6）：

式中，Q為熱量，J；C為比熱容，J·（kg·℃）-1。結(jié)合公式（6）和（4），得等式（7）：

式中，聚脲材料的比熱容（C）、導(dǎo)熱系數(shù)（K）數(shù)值不變，聚脲層位置點(diǎn)x、y、z到傳熱源的距離固定，因此聚脲溫度與爆轟產(chǎn)物密度、爆速兩個(gè)變量正相關(guān)。通過實(shí)驗(yàn)可得到爆炸場(chǎng)溫度值和聚脲層灼燒區(qū)域尺寸，但對(duì)爆炸產(chǎn)物速度和密度的變化過程尚不清晰，尚需采用數(shù)值模擬方法對(duì)熱傳遞方式進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。為此，研究對(duì)聚脲涂覆儲(chǔ)液容器近場(chǎng)爆炸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，還原爆轟產(chǎn)物作用過程，具體如下。

3 數(shù)值模擬

利用Autodyn 軟件模擬爆轟產(chǎn)物的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，得到熱傳遞計(jì)算所需數(shù)據(jù)，深入了解RDX 爆炸對(duì)聚脲層的作用過程，研究爆炸溫度場(chǎng)對(duì)聚脲層的灼燒機(jī)理。

3.1 數(shù)值計(jì)算模型及材料參數(shù)

數(shù)值計(jì)算模型如圖10 所示?？紤]聚脲涂覆儲(chǔ)液容器結(jié)構(gòu)沿橫截面中心對(duì)稱，建立1/2 模型減少計(jì)算量。數(shù)值計(jì)算模型均采用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元建模，RDX炸藥、空氣和水采用Euler 單元，鋁管和聚脲采用Lagrange 單元。材料之間的接觸采用軟件提供的Euler/Lagrange 全接觸算法［20］?？諝夂退牟牧蠀?shù)來源于Autodyn 材料庫，狀態(tài)方程分別為Ideal Gas 和Polynomial［21］。RDX 選用能夠精確描述爆轟產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)過程的JWL 狀態(tài)方程，該狀態(tài)方程模擬爆轟產(chǎn)物膨脹過程的準(zhǔn)確性在試驗(yàn)和模擬中已得到了驗(yàn)證［8-9］。6063-T5 鋁采用Johnson-Cook 強(qiáng)度模型［4］，聚脲材料Mooney-Rivlin 超彈性材料模型［20］，材料參數(shù)參考公開發(fā)表文獻(xiàn)［4］。模擬中使用材料參數(shù)如表1 所示。網(wǎng)格尺寸是決定數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素，網(wǎng)格敏感性分析表明爆炸模擬中空氣域網(wǎng)格尺寸可設(shè)置為2 mm［22］?？紤]到模型尺寸，將炸藥橫截面區(qū)域空氣網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1 mm，外部采用漸變網(wǎng)格。炸藥至容器軸線區(qū)域空氣網(wǎng)格尺寸為1 mm，遠(yuǎn)離炸藥區(qū)域采用漸變網(wǎng)格，RDX 和水采用填充法填充空氣域中。本研究的重點(diǎn)在爆轟產(chǎn)物的傳播，不涉及儲(chǔ)液容器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。結(jié)合空氣尺寸，聚脲和鋁管網(wǎng)格尺寸設(shè)置為2 mm，不再進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)格敏感性分析。

表1 數(shù)值模擬中的材料參數(shù)Table 1 Material parameters in numerical simulation

圖10 爆炸沖擊聚脲涂覆儲(chǔ)液容器數(shù)值計(jì)算模型Fig.10 Numerical calculation model of explosion impact polyurea coated liquid-filled container

3.2 模型驗(yàn)證

考慮到Autodyn 軟件顯示的溫度是空氣膨脹或壓縮而引起的溫度變化，不能直接得到爆轟產(chǎn)物的溫度。因此，為驗(yàn)證仿真模型的正確性，將實(shí)驗(yàn)中空中自由場(chǎng)壓力傳感器測(cè)得沖擊波壓力數(shù)據(jù)及容器爆炸后塑性變形結(jié)果與數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)得到距離RDX 藥柱75 cm、100 cm 位置點(diǎn)的沖擊波壓力曲線如圖11 所示。實(shí)驗(yàn)中壓力傳感器在75 cm 和100 cm 測(cè)得峰值壓力分別為352.38 MPa 和258.61 MPa，數(shù)值模擬峰值壓力為344.26 MPa 和263.97 MPa，誤差為2.30%和2.07%。聚脲涂覆鋁管形變對(duì)比如圖12 所示。模擬中鋁管的截面變形參數(shù)與實(shí)驗(yàn)相比誤差為9.89%，較好地還原了實(shí)驗(yàn)中聚脲層變形后的凸起等現(xiàn)象，以上均表明數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的可信度。

圖11 空中沖擊波實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison between experimental data and simulation results of air shock wave

圖12 聚脲涂覆鋁管模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.12 Comparison of simulation and experimental results of polyurea coated aluminum tube

3.3 爆轟產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)規(guī)律

數(shù)值計(jì)算得到爆轟產(chǎn)物密度變化過程如圖13 所示。裝藥爆炸后爆轟產(chǎn)物迅速膨脹，密度逐漸減小，在16 μs 爆轟產(chǎn)物到達(dá)聚脲層，與高速攝像拍攝時(shí)刻一致。爆轟產(chǎn)物首先到達(dá)鋁管的中心位置，在圓管中心傳播受到阻礙，開始沿聚脲層向四周擴(kuò)散。在30 μs時(shí)可以看到爆轟產(chǎn)物外側(cè)密度低于中心區(qū)域，中心區(qū)域爆轟產(chǎn)物到達(dá)聚脲表層改變方向。在84 μs 時(shí)，爆轟產(chǎn)物密度顯著降低，密度最大區(qū)域集中在鋁管中心上方。爆轟產(chǎn)物主要集中在圓管中心區(qū)域，爆轟產(chǎn)物的直接沖擊使聚脲發(fā)生灼燒。圓管兩側(cè)受到爆轟產(chǎn)物的作用時(shí)間和質(zhì)量都遠(yuǎn)小于中心區(qū)域，爆轟產(chǎn)物對(duì)兩側(cè)聚脲灼燒程度小。

圖13 爆轟產(chǎn)物密度變化過程Fig.13 Density change process of detonation products

為了直觀了解聚脲層不同位置處爆轟產(chǎn)物的差異，測(cè)得聚脲表層不同位置點(diǎn)爆轟產(chǎn)物密度時(shí)程曲線，如圖14 所示。在圓管中心爆轟產(chǎn)物密度最大，作用時(shí)間最長，最大密度為0.192 g·cm-3。隨著距離的增加作用時(shí)間逐漸減小，爆轟產(chǎn)物密度呈指數(shù)形式遞減。在距離圓管中心4 cm 爆轟產(chǎn)物密度最大值為0.051 g·cm-3，相對(duì)于中心密度最大值降低了73.4%。柱型藥柱爆轟過程中爆轟產(chǎn)物主要沿軸線區(qū)域傳播，隨著產(chǎn)物體積膨脹，密度降低，到達(dá)圓管兩側(cè)時(shí)爆轟產(chǎn)物密度已經(jīng)很小。密度和作用時(shí)間決定了爆轟產(chǎn)物作用于聚脲層的質(zhì)量，通過曲線面積可知，爆轟產(chǎn)物主要作用于圓管中心。

圖14 爆轟產(chǎn)物密度時(shí)程曲線Fig.14 Density-time curves of detonation products

爆轟產(chǎn)物的速度和運(yùn)動(dòng)方向決定熱傳遞效果，爆轟產(chǎn)物在垂直和平行聚脲層方向的速度如圖15 所示。圖15a 為垂直于聚脲層方向速度，在圓管中心區(qū)域峰值速度最大，為3868.6 m·s-1。隨著距離的增加，整體呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。圖15b 為水平于聚脲層方向速度，中心位置速度為0 m·s-1。對(duì)比不同位置速度曲線，隨著距離中心位置越遠(yuǎn)峰值速度呈先增加后減小的趨勢(shì)。通過速度大小和方向可得，在圓管中心處爆轟產(chǎn)物垂直作用于聚脲層運(yùn)動(dòng)。隨著距離的增加，爆轟產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)方向逐漸變?yōu)槠叫杏诰垭鍖印?/p>

3.4 聚脲材料層在爆轟產(chǎn)物作用下的熱傳導(dǎo)

通過數(shù)值模擬獲得爆轟產(chǎn)物作用于聚脲層的密度和速度數(shù)據(jù)，由公式（7）可得聚脲層溫度與爆轟產(chǎn)物的密度和速度正相關(guān)，密度和速度的積分如公式（8）所示：

式中，Φ為質(zhì)量通量，kg·m-2·s-1，即單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的質(zhì)量；Uy為爆轟產(chǎn)物沿聚脲層厚度方向速度，m·s-1。對(duì)質(zhì)量通量隨時(shí)間變量進(jìn)行積分，得到公式（9）：

式中，G為單位面積質(zhì)量，kg·m-2，即爆轟產(chǎn)物作用于聚脲層的單位面積質(zhì)量。將數(shù)值模擬得到的聚脲層不同位置處爆轟產(chǎn)物的密度和速度帶入公式（9），得到單位面積質(zhì)量如圖16 所示。爆轟產(chǎn)物單位面積質(zhì)量在圓管中心最大，為0.3443 g·cm-2。隨著距中心距離的增加，單位面積質(zhì)量快速減小。實(shí)驗(yàn)中聚脲層灼燒區(qū)域平均直徑為7.3 cm，曲線下降拐點(diǎn)接近聚脲灼燒邊界位置。說明聚脲層灼燒主要是爆轟產(chǎn)物的熱傳導(dǎo)導(dǎo)致。聚脲灼燒途徑是爆轟產(chǎn)物接觸聚脲層傳遞熱量，熱量通過熱傳導(dǎo)由外表層向內(nèi)傳播。當(dāng)爆轟產(chǎn)物作用于聚脲層的單位面積質(zhì)量達(dá)到0.0195 g·cm-2時(shí)，傳遞的能量能夠使聚脲層達(dá)到熱分解溫度，聚脲外表層開始灼燒。聚脲的導(dǎo)熱系數(shù)小且存在大量孔洞，熱量在短時(shí)間內(nèi)難以傳遞到聚脲內(nèi)部，因此內(nèi)部不會(huì)發(fā)生灼燒?？锥吹钠茐募氨Z產(chǎn)物對(duì)孔洞表層的灼燒，使聚脲層灼燒后呈現(xiàn)出不規(guī)則斑點(diǎn)狀。

圖16 爆轟產(chǎn)物作用于聚脲層的單位面積質(zhì)量Fig.16 Mass per unit area of detonation products acting on polyurea layer

根據(jù)實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果分析可得，鈍化RDX爆炸溫度場(chǎng)對(duì)聚脲層的灼燒可以通過單位面積質(zhì)量進(jìn)行量化分析。爆轟產(chǎn)物有效單位面積質(zhì)量達(dá)到0.0195 g·cm-2，聚脲發(fā)生灼燒現(xiàn)象，單位面積質(zhì)量越大聚脲外表層灼燒程度越嚴(yán)重。采用數(shù)值模擬獲得爆轟產(chǎn)物單位面積質(zhì)量，能夠?qū)垭鍖拥淖茻齾^(qū)域進(jìn)行預(yù)判，為工程防護(hù)評(píng)估及抗爆聚脲改性提供量化數(shù)據(jù)參考。

4 結(jié) 論

采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了爆炸溫度場(chǎng)對(duì)儲(chǔ)液圓管聚脲涂層的灼燒影響，得到以下主要結(jié)論：

（1）依據(jù)比色測(cè)溫原理和標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲得圖像G/R值隨溫度變化的線性關(guān)系，基于此編制了Python 程序?qū)?30 g 鈍化RDX 藥柱爆炸過程瞬時(shí)高速攝像圖像進(jìn)行計(jì)算處理，反演得到爆炸瞬態(tài)溫度場(chǎng)的溫度最大值約為3792 K。隨著爆炸火球體積不斷膨脹增大，其溫度呈快速下降趨勢(shì)，450 μs 后爆炸火球溫度最大值降低約為2064 K。

（2）聚脲表層受到爆炸溫度場(chǎng)作用發(fā)生熱分解，冷卻后出現(xiàn)凹凸不平的褶皺。拉伸應(yīng)力波作用于聚脲會(huì)發(fā)生脫膠和拉伸破壞，導(dǎo)致聚脲發(fā)生局部脫落和撕裂破壞。在沖擊波和爆轟產(chǎn)物作用下，表層與孔洞之間的薄層被貫穿，爆轟產(chǎn)物流入聚脲內(nèi)部孔洞，加劇聚脲灼燒。同時(shí)，聚脲初始分解溫度為231.2 ℃，在375.1 ℃處達(dá)到最大分解速度，主要是脲鍵分解和氫鍵斷裂導(dǎo)致分解速度加快。聚脲中未分解的物質(zhì)熔融、蒸發(fā)造成651.1 ℃時(shí)出現(xiàn)吸熱現(xiàn)象。

（3）聚脲灼燒主要是由爆轟產(chǎn)物熱傳導(dǎo)作用導(dǎo)致，聚脲材料內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)會(huì)阻滯熱量傳導(dǎo)。理論分析表明爆轟產(chǎn)物的密度、沿聚脲層厚度方向速度與聚脲升溫呈正相關(guān)關(guān)系。數(shù)值模擬得出爆轟產(chǎn)物單位面積質(zhì)量在圓管中心最大，為0.3443 g·cm-2。隨著距中心距離的增加，單位面積質(zhì)量快速減小。當(dāng)爆轟產(chǎn)物單位面積質(zhì)量達(dá)到0.0195 g·cm-2時(shí)聚脲表層發(fā)生灼燒，可為評(píng)判聚脲灼燒提供量化參考數(shù)據(jù)。