炸藥裝藥在落錘撞擊下的應力測試方法研究

王世英

(西安近代化學研究所，陜西西安710065)

0 引言

炸藥裝藥在成型加工、儲存運輸、戰場使用等環境下，經常性地要經受撞擊、振動等沖擊載荷，對于炸藥裝藥而言，這些沖擊載荷的宏觀表現為加載應力和響應應力。而落錘加載裝置是模擬炸藥裝藥在沖擊載荷作用下應力響應的常用試驗手段，該試驗可以模擬裝藥件在低速撞擊應力加載下的響應，但如何實現對響應應力的可靠表征，以此分析判斷炸藥裝藥的安全性，需要針對落錘加載試驗系統，建立穩定、可靠的應力測試方法。

1 落錘撞擊加載實驗系統特性分析

落錘實驗裝置包括錘頭、炸藥裝藥實驗彈、應力測試系統等組件，其功能是模擬炸藥裝藥受到的外界應力加載刺激，通過錘頭的質量和落高來控制刺激量，實現對炸藥裝藥的模擬應力加載，利用測試系統對其響應應力進行測試。實驗裝置如圖1 所示。為使該系統測得的應力波形穩定、重復性好，通過分析落錘實驗系統的應力刺激及響應過程，得到了系統的加載特性［1］。

圖1 落錘加載實驗系統

表1 大落錘撞擊加載裝置的主要特性參數

大落錘的工作原理可簡化為圖2 的一個彈性體的模型來描述。由于重錘質量遠遠超過實驗彈的質量，因此所有的質量都概括為重錘的質量M，并視為剛體。在研究炸藥的撞擊起爆實驗中，落錘的體積要比藥柱的大得多，落錘對炸藥藥柱的加載是通過柱塞(活塞)實現的，只有通過活塞才能將落錘的加載應力集中作用于炸藥裝藥上。

對實驗彈各種材料組件的彈性概括為一個剛度為k的彈簧，簡化成一個彈簧振子來處理，設位移軸OX軸豎直向下為正，平衡位置為原點，平衡點距初始位置的距離可由下式決定:Mg = kδ，其中δ 為彈簧振子初始位置到平衡位置的距離。該振子的運動方程為

如果用長度為l，截面積為A，彈性模量為E 的

圖2 大落錘加載的簡化模型

彈性體來代替彈簧，則

彈性體的最大應力為

所以，當裝藥條件確定時，落錘加載應力和應力率可簡化為

當K1，K2為常數時，炸藥裝藥的響應應力σ 與成正比，但是，考慮到炸藥裝藥約束體中的密封或緩沖材料，一般σ 與的關系為

其中a，b 為與系統材料有關的常數。

2 炸藥裝藥測試件約束狀態分析

炸藥在實際應用過程中，藥柱一般處于一維或三維這兩種約束狀態。一維約束，即只對炸藥柱的軸向施加約束，落錘試驗中的藥柱的裝配類似圖3 (a);三維約束，即對炸藥柱的軸向和施加約束，落錘試驗中的藥柱的裝配類似圖3 (b)。

圖3 中藥柱兩端均加入聚乙烯墊。在戰斗部實際裝藥狀態下，炸藥與殼體或其他金屬部件之間都要有緩沖層，用于提高炸藥裝藥的抗沖擊振動以及安全性等，所以，為了模擬這種狀態，便在活塞與炸藥之間加入一個彈性模量和屈服強度與炸藥接近的聚乙烯墊。

圖3 實驗彈裝配示意圖

3 測試系統

落錘撞擊加載時落錘的運動方式為自由落體，其加載前的下落速度可直接計算得到，又考慮到落錘的撞擊屬于低速加載且過載加速度為恒定值，故重點對落錘撞擊的加載應力(刺激量)和作用后炸藥裝藥(藥柱)的響應應力(響應量)進行測試［2］。應力的測量采用應變式壓阻傳感器，數字采集系統采用瞬態存儲示波器，最大采樣速率為1 GS/s，4 通道，可實現數據的存儲和轉換。

為了使測試系統更好地滿足炸藥裝藥落錘撞擊起爆加載與相應信號采集的要求，需對傳感器的制作和安裝進行特殊或專門設計。

3.1 應力測量方法

炸藥裝藥撞擊實驗中，在撞擊作用下炸藥內部產生相應的應力［3］，由于裝藥密度的不均勻性，使得各點應力大小也不盡相同，即使同一橫截面上的應力也不可能完全一致。尤其在炸藥內部存在目測可見缺陷時，應力分布與缺陷尺寸、位置等因素有密切關系。所以僅對炸藥端面附近的平均應力進行測量。應力傳感器平均應力計算為

式中:σcp為炸藥端面附近平均應力;F 為力傳感器測得的沖擊力;S 為炸藥裝藥截面面積。

3.2 測力傳感器的設計與制作

根據炸藥裝藥落錘撞擊加載的特性指標并考慮實驗彈的結構特征［4］，首先對測力傳感器的量程進行估算設計:當落錘的重量和加載落高一定后，在軸向加載作用下，藥柱軸向端面的應力與藥柱的直徑直接相關，選落錘重量400 kg、落高2.5 m，按圖3 形式加載時，利用式(6)計算炸藥端面的最大加載應力，計算結果見表2。

表2 傳感器量程

由表2 可知，傳感器的量程3 GPa 應該能滿足落錘撞擊加載實驗測試的要求，據此設計的傳感器如圖4所示，其結構是將量程3 GPa 的應變片貼于高強度鋼質彈性體表面上，鋼質彈性體的外形為棱柱形，傳感器的標定利用力標定機標定，其標定精度可達千分之一。

圖4 棱柱形應變式力傳感器

3.3 測試傳感器的安裝及測試系統構成

實驗彈與傳感器裝配過程中，單發實驗安裝兩個傳感器，其中一個與上活塞相連，見圖3，目的是測定落錘對炸藥裝藥的加載應力;另一個與下活塞相連，目的是測定炸藥裝藥的響應應力。嚴格來說，上傳感器測得的應力仍然為炸藥的響應應力，但在本實驗彈的炸藥裝藥結構及應力測試結構狀態下，可將其近似為加載應力來處理，這樣得到的結果對于炸藥的應用來說應該是有安全裕度的;另一方面，雖然傳感器未與炸藥端面直接接觸，但因活塞選用高強度的彈性體，其彈性模量要比聚乙烯墊和炸藥的彈性模量高2 ～3 量級，所以傳感器測得的加載應力和響應應力可近似作為炸藥裝藥的撞擊加載和響應應力來處理。

3.4 落錘加載和響應應力—時間曲線的測試

采用圖3 (b)的實驗彈結構，對φ40 mm×40 mm的鑄裝B 炸藥裝藥進行了落錘加載和響應應力－時間曲線的初步測試，實驗所采用的殼體、聚乙烯墊及活塞的尺寸如下:殼體壁厚17.5 mm、外徑φ75 mm、內徑φ40 mm、高150 mm;上下聚乙烯墊為φ40 mm ×5 mm(與裝藥接觸沒有間隙);上活塞φ40 mm ×115 mm，下活塞φ40 mm×40 mm。實驗時落錘的質量選400 kg，落高為1800 mm。圖5 為示波器記錄的典型炸藥未點火起爆的加載和響應的應力—時間曲線，其中圖5(a)為應力加載曲線、圖5 (b)為應力響應的曲線;圖6 為示波器記錄的典型炸藥點火起爆響應應力—時間曲線。

從圖5 (a)炸藥裝藥未起爆時示波器記錄的落錘加載應力—時間曲線可知，加載曲線平滑，當落錘加載到最大值后，按與上升沿基本對稱的曲線卸載，圖5(b)炸藥裝藥未點火起爆時示波器記錄的響應應力—時間曲線在形狀和平滑程度上與加載曲線基本一致，加載上升沿和卸載下降沿也是對稱的，這說明實驗彈各組件可當作彈塑性體來處理;加載和響應時間在毫秒量級，接近于炸藥裝藥在加工、使用過程中受到的撞擊、振動的外界刺激的時間，加載過程與理想狀態比較接近，完全能夠滿足于落錘撞擊模擬加載實驗的要求［5－6］。

圖5 未爆應力－時間曲線

由圖6 炸藥裝藥起爆時示波器記錄的炸藥裝藥響應應力—時間曲線可知，響應的初始階段應力上升平緩，2 ms 時應力形成跳躍，炸藥裝藥產生起爆，隨后傳感器損壞，形成無規則跳躍，測試結果與實驗現象相符。

圖6 爆炸響應應力—時間曲線

圖7 B 炸藥重復的加載應力—時間曲線

圖7 為落錘質量選400 kg，落錘落高1800 mm 時三發φ0 mm×40 mm 鑄裝B 炸藥裝藥的未爆時傳感器測得的加載應力—時間曲線，從圖中可以看出其加載應力和加載時間重復性很好，所以用大落錘撞擊加載實驗系統測試的實驗結果可以用于對比和分析。

為了檢驗測試系統的穩定性，對81 發未爆B 炸藥的落錘試驗結果進行了最大加載應力與落高擬合，擬合結果符合公式(8)的關系，擬合點應力－落高關系見圖8，從圖中可以看出，81 發試驗所測的應力與落錘落高的擬合系數可達0.99，重復性較好。

圖8 鑄裝B 炸藥未爆應力與落高關系

3.5 測試系統誤差分析及計算

應力測試系統的誤差主要來自:波形記錄儀，12 Bit，精度誤差＜1%，選用的YE3817 應變放大器的誤差為±0.3%;自制應力傳感器的綜合誤差＜2%。因此應力測試系統誤差為

4 結論

落錘加載應力及響應應力測試系統可以滿足炸藥裝藥撞擊、振動等沖擊響應的測試要求，系統滿足重復性高、穩定性好以及測試系統誤差小等特點。

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