装药密度和约束效应对冲击起爆特性规律研究.pdf
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1、第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:韩甲旭()男硕士研究生:.通信作者:王健()博士副研究员硕士生导师:.:./.装药密度和约束效应对冲击起爆特性规律研究韩甲旭王 健刘通有(.南京理工大学 能源与动力工程学院 南京 .江西洪都航空工业集团 南昌)摘要:为揭示 种不敏感炸药在不同装药条件下与鉴定块相互作用的冲击起爆特性探明炸药爆轰波传递规律和评估炸药威力 基于起爆试验和数值仿真结合 律方程得到了较为准确的不同密度的 及钝化 的 点火增长模型参数在典型 雷管为轴向输出情况下进行数值模拟和实验研究探究了装药密度和壳体约束强度对 种钝感炸药的爆轰传播特性
2、的影响 结果表明:号电雷管轴向输出能力可靠爆轰波作用雷管底部凹窝变形产生翻转弹丸的最大速度为 /针对密度为 ./、./、./的 起爆试验测得最小和最大钢凹值相差.得出炸药的输出能力与密度线性正相关约束强度增加冲击阻抗增大鉴定块凹坑值增加传爆药的轴向输出能力增强关键词:爆炸力学冲击起爆 模型数值模拟本文引用格式:韩甲旭王健刘通有.装药密度和约束效应对冲击起爆特性规律研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):././././.:引言炸药是武器系统输出动力和威力的核心是爆破式武器实现高效毁伤效果的根本 探明炸药作用于物体的爆轰传播与特性以及提高炸药威力一
3、直都是各国武器弹药的研究热点 本文通过理论分析拟合和数值模拟相结合对不同密度的钝化黑索金()及三氨基三硝基苯()传爆药在受到雷管冲击起爆后的爆轰成长过程及作用机理进行研究分析药柱密度、壳体约束强度对传爆药冲击波作用过程及输出威力的影响在实验研究方面张琪敏等利用组合式电磁粒子速度计对 炸药 的冲击起爆增长规律进行了研究拟合得到了未反应 炸药的 关系 王玮等通过爆轰波加载研究了炸药柱长径比与 基含铝炸药爆速与爆压的关系 在数值模拟方面黄奎邦等采用模型拉氏弹塑性流体力学程序对 基非均质炸药预冲击减敏进行了数值模拟 王虹富等通过实验研究与数值模拟结合发现铝粉粒径与非均质炸药的冲击起爆感度存在一定相关性
4、 陈海利等采用 软件对钢破片撞击带铝壳 炸药的起爆进行了数值模拟分析了冲击起爆机理及破片形状、着速、铝壳厚度等因素对炸药起爆特性的影响规律综上所述目前大多数研究集中在冲击起爆增长规律以及含铝基钝感炸药的装药尺寸对爆轰特性的影响对钝感炸药与物体间的相互作用影响因素研究尚不完善因此本文研究的结论为提高钝感炸药起爆的安全性和可靠性具有一定的指导意义 理论模型.物理模型传爆药在引信中一般通过压铸法被压制成一定密度、强度及形状的药柱后再与受主炸药进行配合完成传爆 根据 传爆药柱传爆性能测试方法 及 小隔板试验综合确定传爆装置结构试验装置实物以及结构尺寸见图 本传爆装置由 号雷管、钢/尼龙壳体、传爆药和
5、钢鉴定块组成图 传爆试验装置.基本方程钝化 和 炸药采用 状态方程它是描述含能材料爆轰产物压力、比能以及密度的一种不显含化学反应的方程在模拟爆轰波传播以及爆炸侵彻方面应用广泛其形式及具体参数为 ()()()式()中:为压力 为爆轰产物的内能 为相对体积、为待定常数钢套筒、雷管铝合金外壳、鉴定块采用()强度模型和 状态方程进行描述 雷管外壳及钢套筒在爆炸作用下近似于绝热熵增过程使用 方程更加准确 模型形式为()()()()()式()中:为屈服应力 为有效塑性应变 为无量纲应变率为参考应变率/为无量纲应变率为材料的参考温度为材料开始熔化时的温度、为待定常数为相似温度 方程定义为 ()()()()式
6、()中:为压力项为初始密度为体积声速为初始内能 为压缩比 /为 常数韩甲旭等:装药密度和约束效应对冲击起爆特性规律研究尼龙材料在巨大爆炸作用下使用流体动力模型()对其破碎失效进行描述当单元内的流体动压强低于拉伸极限值为 时即认为体积失效已经发生压力被设置为并重新计算内能.点火增长模型的推导验证 点火增长模型 基于热点理论以大量试验数据为依据将炸药起爆过程分为点火、成长、完成等 个阶段能够准确地模拟钝感炸药受强冲击后内部热点的成长与发展模拟计算反应速率方程选择 点火增长模型即()()()()()式()中:为炸药反应度 为时间为初始密度、为待定参数 为临界压缩度 及 决定热点数量增长率 及 决定点
7、火后热点增长率 为燃烧项压力系数、为燃耗阶数、表示爆轰过程反应速率表示线性燃烧速率炸药爆轰产物 方程拟合 律状态方程所确定的点火增长模型参数误差较小根据文献 中的方法推导出不同密度下 类炸药爆轰产物的 状态方程参数具体过程如下由 年 等提出的 形式的凝聚炸药爆轰产物状态方程为 /()将冷压取为()热压()/代入式()得到 /()式()、式()中:为温度、由炸药性质决定一般为常数 为炸药的多方指数一般情况下高于密度为./的凝聚态炸药当爆轰产物刚开始传播时不考虑热压的作用则式()可简化为 ()式()即为 律状态方程 根据 面上的参数关系为 ()式()在波阵面上同样成立结合式()可得到()()使用
8、状态方程中的相对比容 将式()代入式()中得到()()对于 型混合炸药 值可通过下式计算(.).()利用式()及式()只需要知道凝聚炸药的密度、爆速 即可得到 曲线如图 所示 状态方程中的 个未知参数、通过差分进化方法对曲线进行拟合图 种炸药 方程 曲线拟合与文献值比较.根据上述方法对文献的 炸药、文献中的钝化 炸药采用试验值及拟合值分别绘制出 曲线由图 可知拟合值与文献值的 曲线在高压区及中压区吻合度较好在低压区有部分偏差但低压区内爆轰产物对物质的作用很小误差在可接受范围内故本文研究采用 律状态方程确定爆轰产物的 状态方程参数的方法是可行的由文献给出的凝聚态炸药密度与 状态方程参数间的关系式
9、得到了 类不同密度炸药的 律状态方程参数绘制出 曲线利用差分进化方法对曲线进行拟合确定 状态方程参量同时根据文献及 程序材料库中炸药参数对炸药的反应速率参数进行微调调整、等参数以满足炸药在不同密度下的爆轰成长及爆压稳定情况最终得到炸药的 模型的主要参数如表 所示兵 器 装 备 工 程 学 报:/./表 ./钝化 炸药 模型参数 ./参数未反应产物反应产物反应速率常数 ././.计算模型及方法.号电雷管标准输出模拟有限元模型雷管在爆炸时其输出能量形式包括 个方面:雷管内部装药爆炸的反应产物、雷管管壳和加强帽在爆炸中产生的破片效应、雷管的爆炸冲击波输出 种能量在不同引爆条件下其作用效应不同当与炸药
10、直接接触时以冲击波为主管壳破片次之 本文中通过 号电雷管直接对钝感 和 炸药进行起爆主要考虑爆炸冲击波及雷管底部破片对传爆药的影响 根据蒋俊等通过试验测试得到的压力曲线可知 号雷管底部中心峰值点压力为.通过数值模拟得到的底部压力为.偏差为.说明采用数值方法对雷管底部爆轰成长过程计算可靠图 雷管标准输出有限元模型.根据 号雷管实际形状在数值软件中建立 计算模型如图 所示 雷管输出模型设置为二维轴对称模型药柱、雷管壳体、钢套筒、空气域均采用欧拉网格 为保证模拟精度对雷管底部凹坑处的网格进行加密其中细网格尺寸为.粗网格尺寸为.雷管内 炸药直径为 、长度为 雷管外壳厚度.雷管壳底部为深度.下底直径 上
11、底直径.的漏斗状凹窝外部套有 厚的 钢套筒 模型中省略引信、点火药等部分在 炸药端面中心处设置起爆点进行起爆采用 建模.传爆药起爆及传爆过程数值模拟有限元模型钝感传爆药起爆装置整体模型采用二维 轴对称建模方式包括起爆药、雷管壳、套筒、传爆药、鉴定块有限元模型如图 所示 其中起爆药、雷管壳、套筒、传爆药网格划分为欧拉网格尺寸为.鉴定块网格采用拉格朗日网格尺寸为.炸药与物体的相互作用过程属于典型的流固耦合问题故采用接触方式为自动耦合的流固耦合算法进行仿真 边界条件的设定为:试验中鉴定块处于水平固定状态故将鉴定块底部轴向速度设定为 /试验在自由空间中进行考虑到网格范围不能无限制扩大故套筒外表面之外设
12、定为流出边界以模拟药柱在开放空间中起爆的情况 观测点的设定为:以整个装置上表面和下表面的轴线为基准设定间隔为 的观测点用于描述在爆轰波侵彻下物体内部压力和反应度的动态变化图 壳体约束冲击起爆数值计算模型.计算结果与分析.号电雷管标准输出模拟图 是雷管内部 药柱引爆后不同时刻的爆轰反应压力云图爆轰波由起爆点处到达药柱底部与凹窝接触历时.最大压力达.由于铝合金材料的冲击波阻抗大于起爆药的冲击波阻抗使得在 种材料的交界面即凹窝顶部处的压力陡升 在 药柱中心轴线处每隔 设置观测点得到的雷管内部药柱的爆轰压力曲线如图 所示 从图 可知有限元计算模型中雷管底部猛炸药 的轴向输出压力约 与文献中雷管底部爆轰
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