沖擊加載下分步壓裝裝藥抗過載響應特性的數值模擬與實驗

何　超，屈可朋，李亮亮，王曉峰，王世英

(西安近代化學研究所，陜西西安710065)

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沖擊加載下分步壓裝裝藥抗過載響應特性的數值模擬與實驗

何超，屈可朋，李亮亮，王曉峰，王世英

(西安近代化學研究所，陜西西安710065)

摘要：為研究沖擊加載下分步壓裝裝藥的響應特性，利用ANSYS/LS-DYNA軟件對分步壓裝含鋁炸藥大型落錘沖擊加載過程進行了數值模擬，得到不同密度分布狀態藥柱在沖擊載荷作用下的應力分布及形變特征。探討了徑向密度差對分步壓裝裝藥撞擊安全性的影響，并進行了實驗驗證。結果表明，與傳統模壓成型藥柱不同，沖擊加載下分步壓裝藥柱中心區的響應應力大于邊緣區，且1/2半徑處的炸藥微元具有較大的徑向流動速率。實驗驗證結果與模擬結果一致。由于徑向密度差的存在，沖擊加載下分步壓裝裝藥內部應力分布不均，使得炸藥顆粒呈現由中心向邊緣流動的趨勢，進而增加分步壓裝裝藥內部“熱點”形成的幾率。

關鍵詞：分步壓裝；數值模擬；應力分布；沖擊加載；裝藥安全性；ANSYS/LS-DYNA軟件

引言

炸藥的裝藥質量一直是影響戰斗部裝藥安全性的重要因素，采用新型的分步壓裝工藝能有效減少傳統澆鑄、熔鑄炸藥中存在的底隙、環隙及氣泡等缺陷[1-2]，從而降低沖擊載荷作用下缺陷部位局部溫升引起早炸的風險。分步壓裝裝藥是通過螺桿多次搗壓后成型的工藝過程，其裝藥工藝特點決定了藥柱具有一定的密度分布，中心密度高，而邊緣密度低，在這種密度分布狀態下, 能否保證裝藥的抗過載能力成為關注的重點。

近年來，國內針對分步壓裝炸藥配方、裝藥工藝對裝藥質量及安全性的影響進行了一些研究工作，王淑萍[1]對不同配方分步壓裝含鋁炸藥的力學強度進行了實驗研究；刁小強[3]對分步壓裝裝藥工藝參數對裝藥密度及密度分布的影響進行了研究；董軍[4]對不同黏結劑制備的分步壓裝炸藥的撞擊安全性進行了實驗研究。然而，針對沖擊加載下分步壓裝裝藥內部響應特性的研究卻鮮有報道。

本實驗以分步壓裝新型含鋁炸藥為研究對象，利用ANSYS/LS-DYNA模擬軟件，進行了沖擊加載過程的三維數值模擬，分析了沖擊載荷作用下分步壓裝裝藥與傳統模壓裝藥力學響應特性的差異，并探討了可能影響分步壓裝裝藥抗過載能力的因素，以期為分步壓裝裝藥的安全應用提供參考。

1模型建立及計算

1.1物理模型

本研究以大型落錘實驗裝置為基礎[5-6]，利用ANSYS/LS-DYNA模擬軟件建立三維模型，模型采用Lagrange六面體網格劃分，各部分間采用自動面面接觸算法。計算過程中，落錘作為加載源以一定的速度對模擬樣彈中的活塞進行撞擊，活塞將沖擊力作用于樣品。落錘質量為400kg，通過改變落錘的初速調節加載應力的大小。模擬樣彈由活塞、墊片、樣品及套筒組成，結構如圖1所示。

圖1　模擬樣彈模型圖Fig.1　Model of trial sample bomb

對傳統模壓藥柱和分步壓裝藥柱分別建立了模型，其中傳統模壓藥柱模型為尺寸Φ40mm×40mm的圓柱體；為模擬分步壓裝裝藥真實的密度狀態，分步壓裝藥柱模型設計為含內、外雙層結構的圓柱體，其結構如圖2所示，為制造裝藥中心與邊緣的密度差，將內、外兩層裝藥設定為不同的密度。

圖2　分步壓裝藥柱模型圖Fig.2　Model of the step-press-loading charges

1.2材料模型及參數

1.2.1落錘、套筒及活塞

落錘、套筒及活塞所用材料為T10鋼，密度為7.85g/cm3，彈性模量為207GPa，泊松比為0.3，利用Johnson-Cook材料模型描述。Johnson-Cook材料模型常用于模擬金屬材料從低應變率到高應變率下的動態行為。該模型利用變量乘積關系分別描述應變、應變率和溫度的影響，屈服應力計算公式為

(1)

1.2.2墊片

墊片所用材料為聚乙烯，密度為0.95g/cm3，彈性模量為1.1GPa，泊松比為0.42，采用彈塑性隨動硬化模型描述，應變率用Cowper-Symonds模型來考慮，用與應變率有關的因素表示屈服應力, 屈服應力計算公式為

(2)

(3)

式中：E為彈性模量；Etan為切線模量。

1.2.3炸藥

炸藥裝藥在動態沖擊載荷作用下的力學行為與靜態或準靜態時存在較大的差異[7-8]。研究表明[9]，該含鋁炸藥的力學性能與應變率相關，隨著應變率的增加，炸藥的壓縮強度逐漸增大。為了考慮應變率效應，反映不同應變率下的應力—應變關系，模擬計算時炸藥采用分段線性塑性模型MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY來模擬，該模型可以向程序輸入材料的真實應力及真實應變之間的關系曲線。實際計算過程中，材料首先發生彈性變形，在材料應力達到屈服應力后，材料開始沿輸入的材料應力—等效應變曲線硬化。炸藥的部分物理參數見表1。

表1　炸藥的物理參數

注：ρ為密度；E為彈性模量；ν為泊松比。

1.3計算

保持加載源的狀態不變，針對兩種不同的藥柱模型進行計算，得到傳統模壓藥柱與分步壓裝藥柱的力學響應特性差異，其中包括軸向和徑向應力分布規律、軸向壓縮量和裝藥內部微元的流動情況，相關計算參數見表2。

表2　兩種不同藥柱模型的計算參數

圖3為沖擊加載時藥柱剖面的應力云圖，其中藍色區域為應力較大區域、紅色區域為應力較小區域，從圖3(a)和圖3(b)可看出，模型A應力沿徑向分布較均勻，而模型B應力沿徑向分布不均勻，中心應力大而周邊應力小。

圖3　藥柱剖面的應力云圖Fig.3　Stress contours of the charge profile

2結果與分析

2.1分步壓裝裝藥的應力分布特性

為得出藥柱沿軸向及徑向的應力分布數據，在藥柱模型上設置若干觀測點，如圖4所示(單位mm)。

圖4　藥柱觀測點布局圖Fig.4　Layout of observation point on charge

圖5為藥柱軸向H1、H2、H3、H4四個觀測點的應力曲線。由圖5可見，兩種模型的應力峰值從H1到H4均呈逐漸減小的趨勢，模型A的應力峰值為909～1008MPa，模型B的應力峰值為952～1050MPa。

圖6為藥柱徑向R1、R2、R3、R4四個觀測點的應力曲線。由圖6可見，模型A的四個觀測點應力峰值相當，而模型B的R1和R2觀測點應力峰值較高，約為1051MPa；R3和R4觀測點應力峰值較低，為946MPa。

圖5　藥柱軸向觀測點應力曲線Fig.5　Stress curves of observation points on axisorientation for charge

圖6　藥柱徑向觀測點應力曲線Fig.6　Stress curves of observation points onradius orientation for charge

從圖5和圖6各觀測點的應力曲線可看出，沖擊加載過程中分步壓裝裝藥內部不同位置的應力分布并不是均勻一致的，沿軸向自上而下應力峰值逐漸減小，裝藥中心高密度區的響應應力大于邊緣低密度區。

圖7為分步壓裝裝藥(模型B)與傳統模壓裝藥(模型A)不同部位應力峰值的統計結果，其中，h表示觀測點距離藥柱上端面的距離。可以看出模型A距離上端面4.5、15.0、25.0、35.0mm處的應力峰值分別為1008、991、930、908MPa，模型B距離上端面4.5、15.0、25.0、35.0mm處的應力峰值分別為1050、1042、992、950MPa，說明分步壓裝裝藥與傳統模壓裝藥相同，應力波在藥柱內部自上向下，傳遞過程中逐漸衰減，導致應力峰值沿軸向自上而下逐漸減小。圖7(b)為徑向不同位置處應力峰值的統計結果，可看出模型A在半徑為3、8、12、18mm處的應力峰值均在965MPa左右，而模型B在半徑為3和8mm處的應力峰值約為1051MPa，半徑12和18mm處的應力峰值約為946MPa，說明傳統模壓裝藥應力沿徑向較為一致，而分步壓裝裝藥在半徑10mm以內的高密度區域應力較大，半徑10mm以外的低密度區域應力較小。通過以上比較可看出，與傳統模壓裝藥相比，分步壓裝裝藥的應力分布特點為裝藥中心高密度區的響應應力大于邊緣低密度區。

圖7　應力峰值沿軸向和徑向分布的統計結果Fig.7　Statistical results of maximum stress onaxis and radius orientation

2.2分步壓裝裝藥內部微元運動特性

圖8為藥柱高度變化曲線，可看出壓縮后模型A的藥柱高度由40mm變為37.5mm，模型B變為37.2mm。

圖8　藥柱高度變化曲線Fig.8　Curves of change in height of charge

圖9為在裝藥1/2半徑處微元的徑向移動位移曲線，可看出模型A在1/2半徑處的微元最大徑向位移為0.02mm，模型B為0.12mm。

從圖8和圖9可以看出，分步壓裝裝藥與傳統模壓裝藥在受到落錘的沖擊加載時，均會發生軸向的壓縮，其壓縮量分別為2.8mm和2.5mm，說明微元的軸向運動趨勢基本一致；分步壓裝裝藥和傳統模壓裝藥在半徑1/2處微元向邊緣流動的最大徑向位移分別是0.12mm和0.02mm，最大流動速度分別為0.1m/s和0.02m/s，說明兩者在徑向移動上存在很大的差異，分步壓裝裝藥具有明顯的裝藥由中心高密度區向邊緣低密度區流動的趨勢。

圖9　兩種裝藥模型1/2半徑處的徑向移動曲線Fig.9　Displacement curves of 1/2 radius positionfor two charge models

由于分步壓裝裝藥的密度分布不均勻，在徑向應力的作用下，藥柱內部物質會趨于均勻化分布。如裝藥為理想的均勻密度狀態，則藥柱內部主要發生的是軸向壓縮，幾乎沒有徑向的相對移動.如裝藥為帶有徑向密度差的分步壓裝裝藥，則藥柱內部除了有軸向的壓縮外，還存在徑向密度均勻化的趨勢，即裝藥由中心高密度區域向邊緣低密度區域流動的趨勢，裝藥內部的物質流動可能造成炸藥內部的不均勻運動，使得不同部位的應變率存在差異，進而產生剪切流動。國外針對剪切點火模型進行了初步的研究[10-11]，結果表明剪切流動可能是導致炸藥產生點火的一個重要因素。

3實驗

通過分析認為，與均勻密度藥柱相比，帶有徑向密度差的藥柱在沖擊加載下裝藥內部徑向流動更加明顯，導致產生剪切流動，快速的剪切流動使得裝藥局部快速升溫，炸藥發生點火的幾率增加。為此，設計了落錘沖擊加載實驗，在相同加載條件下分別對均勻密度藥柱和帶有徑向密度差的含鋁炸藥藥柱進行沖擊加載實驗。采用傳統模具，制備了3種Φ40mm×40mm、平均密度1.70g/cm3、帶有徑向密度差的藥柱(中心密度1.75g/cm3邊緣密度1.67g/cm3)。

圖10為藥柱底部軸向應力實測曲線與計算曲線的對比。由圖10可見，計算曲線與實測曲線相吻合，因此認為該模型能夠合理反映落錘的沖擊加載過程。

圖10　藥柱底部軸向應力實測曲線與計算結果的對比Fig.10　Comparison of the experimental results andsimulated ones for radius stress on botton of charge

表3為落錘加載實驗結果。由表3可見，在1800mm落高加載下，均勻密度藥柱可承受997MPa的峰值應力，而帶徑向密度分布的藥柱在應力值達到894MPa時即發生爆炸；同樣在2000mm落高加載下，均勻密度藥柱可承受1050MPa的峰值應力，而帶徑向密度分布的藥柱在應力值達到664MPa時即發生爆炸。表3結果表明，在相同加載條件下，帶有徑向密度差的藥柱點火幾率更大，這與模擬計算的結果一致。

表3　落錘加載試驗結果

注：H為落高；σ為應力峰值。

4結論

(1)在沖擊加載過程中，分步壓裝裝藥徑向密度差的存在導致裝藥內部應力分布不均勻，裝藥中心高密度區域的響應應力大于邊緣低密度區。

(2)沖擊加載下，分步壓裝裝藥內部炸藥顆粒存在由中心高密度區向邊緣低密度區流動的趨勢，這種趨勢引起的剪切流動使得炸藥內部局部快速升溫，增加“熱點”形成的幾率。

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Numerical Simulation and Experiment on Anti-overload Response Characteristics of

Step-press-loading Charges under the Impact Loading

HE Chao，QU Ke-peng，LI Liang-liang，WANG Xiao-feng，WANG Shi-ying

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

Abstract:To study the response characteristics of step-press-loading charges under the impact loading, a numerical simulation for large-sized drop hammer impact loading process of aluminized explosive was carried out using ANSYS/LS-DYNA software. The stress distribution and deformation character of explosive charges with different density distribution states under the action of impact load stress were obtained. The effect of radial density difference on the impact safety of step-press-loading charges was analyzed and the experimental verification was performed. Results show that unlike traditional molding processing charges, the response stress in centre area is higher than that in edge area for step press loading charges, and the explosive components on 1/2 radius have greater flow velocity in the radius direction. The experimental verification results are in agreement with simulated ones. The internal stress distribution of step press loading charges under the impact loading is non-uniform due to the density difference in radius direction, making the explosive particles reveal the flow trend from center area to edge area and then increase the probability of internal “hot spot” formation of step-press-loading charges.

Keywords:step-press-loading; numerical simulation; stress distribution; impact loading; safety of charge; ANSYS/LS-DYNA software

作者簡介:何超(1988-)，男，碩士，工程師，從事彈藥動態力學研究工作。

基金項目:國家安全重大基礎研究項目(0040105)

收稿日期:2014-12-08；修回日期:2015-03-21

中圖分類號：TJ55; X93

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7812(2015)06-0061-06

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.06.012