動能塊對屏蔽B炸藥沖擊引爆效應研究*

高 鵬,徐豫新,趙春龍,王樹山

(1 北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室,北京 100081;2 中北大學機電工程學院,太原 030051)

動能塊對屏蔽B炸藥沖擊引爆效應研究*

高 鵬1,徐豫新1,趙春龍2,王樹山1

(1 北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室,北京 100081;2 中北大學機電工程學院,太原 030051)

研究動能塊對屏蔽B炸藥沖擊起爆機制與臨界起爆速度。采用AutoDyn-3D仿真軟件,對鎢合金動能塊撞擊不同蓋板厚度屏蔽裝藥仿真計算,獲得著角0°～80°動能塊引爆屏蔽裝藥臨界起爆速度,擬合獲得速度與著角函數關系。結果表明,臨界起爆速度在蓋板不同厚度條件下隨著角增大非線性變化。著角大于40°起爆閾值速度隨角度增加而增大,但增速不同;著角小于40°蓋板厚度大于10 mm速度隨著角增大而減小,蓋板厚度10 mm屏蔽裝藥臨界起爆速度具有隨機性。

爆炸力學;沖擊起爆;動能塊;臨界起爆速度

0 引言

對于大質量動能塊對屏蔽裝藥的沖擊起爆試驗,因加載條件多為二級輕氣炮,工作量極大且對于各物理量變化規律的直接測試是有難度的,因此目前大量采用數值仿真方法研究該問題。在仿真計算方法選取上,大部分采用拉格朗日算法和歐拉算法。近年來,隨著光滑粒子流體動力法(SPH)的日益成熟,更多的爆炸問題使用了該種算法。時立國[5]采用SPH方法,模擬一維炸藥一端沖擊起爆的主要特性,驗證了SPH方法在模擬爆轟問題方面的可行性。研究表明[6-7],SPH算法較傳統的拉格朗日(Lagrange)算法、歐拉(Euler)算法、ALE耦合算法等能更好的描述高速撞擊下材料的破碎行為,更適宜于高速條件下仿真分析。已有研究雖多,但針對動能塊作用于屏蔽炸藥沖擊起爆的臨界起爆速度與蓋板厚度、著角關系的研究較少。

文中采用AUTODYN-3D軟件,使用SPH算法,建立了動能塊對蓋板不同厚度下的屏蔽裝藥沖擊起爆數值仿真模型;據此,進行了不同著角下,動能塊對不同蓋板厚度下屏蔽裝藥沖擊起爆仿真,獲得了不同著角及蓋板厚度B炸藥起爆閾值,并分析了不同蓋板厚度起爆閾值隨碰撞角度變化規律。研究結果可對反導戰斗部設計提供技術基礎支持。

1 仿真計算模型

1.1 仿真模型離散化

建立仿真計算模型如圖1所示。單位制為cm-g-μs-GPa。動能塊形狀選用常見的圓柱體動能塊,大小為Φ16 mm×60 mm,屏蔽裝藥為不同厚度10#鋼板+Comp.B炸藥,炸藥周圍為鋁殼。

由于動能塊及屏蔽裝藥模型均為對稱結構,為縮短計算時間,建立了動能塊和屏蔽裝藥的1/2模型。采用Truegraid網格劃分軟件對兩模型劃分網格后,導入到AutoDyn軟件中仿真計算,網格尺寸1 mm。為觀察炸藥內部壓力變化及判斷是否發生爆炸反應,在炸藥內部設置了24個觀測點,均位于1/2模型對稱平面內,每行觀測點距離0.5 cm,每行設置6個觀測點,每個觀測點間隔3 cm,如圖1所示。

圖1 仿真計算模型

1.2 材料本構模型及相關參數

根據已有小質量破片對帶殼B炸藥沖擊起爆試驗結果[8-10],驗證獲得的數值仿真用材料模型后,進行材料模型參數賦值。根據美國PAC-3[11]愛國者導彈,選擇圓柱體動能塊,質量為211 g,材料為鎢合金(W232),采用Shock狀態方程和Steinberg Guinan強度模型。

作為歐·亨利代表作品之一的《警察和贊美詩》早已進入了研究者的視野。無論是小說的人物形象還是小說的作品主題，就連對其語言特色也早都有研究者進行過分析。可惜的是，在其語言及相關問題的研究中，卻存在著以下諸多的局限性：

對于沖擊問題傳統采用拉格朗日和歐拉算法進行求解,拉格朗日算法可更好的觀察到物質點的運動過程,但對于高速沖擊時的大變形,會因網格畸變存在難以在不刪除畸變網格的情況下計算下去,歐拉算法雖能很好的解決這一問題,但無法很好的描述多物質間的界面以及材料的固體失效斷裂行為。作為近20多年來逐步發展起來的SPH方法實質是一種無網格方法,基本思想是將連續的流體(或固體)用相互作用的質點組來描述,各個物質點上承載各種物理量,包括質量、速度等,通過求解質點組的動力學方程和跟蹤每個質點的運動軌道,求得整個系統的力學行為;因此,它可避免極度大變形時網格扭曲而造成的精度破壞等問題,并且也能較為方便的處理不同介質的交界面,特別適合于求解高速碰撞等動態大變形問題。文中針對高速侵徹大變形特點,對其使用光滑粒子流體動力法(SPH)進行計算。鋼板為STEEL 1006,使用Shock狀態方程和Johnson Cook強度模型,鋁殼為Al 7075-T6,采用Shock狀態方程和Steinberg Guinan強度模型。裝藥為B炸藥,采用Lee-Traver三項點火狀態方程[12]:

dF/dt=I(1-F)b(μ-a)x+G1(1-F)cFdpy+G2(1-F)eFgpz

(1)

式中:F是燃燒質量分數,它在模擬爆轟過程中控制著炸藥化學能的釋放;I、b、a、x、G1、c、d、y、G2、e、g、z為參數。參數a是阻止點火的臨界壓縮度;參數I和x控制著點火量,作為沖擊強度及持續的函數;參數G1和d控制著點火后反應的早期增長;參數G2和z確定高壓反應率。各材料本構模型及相關參數如表1所示。

表1 各材料本構模型及相關參數

2 仿真計算結果及分析

2.1 計算結果

沖擊速度按“低-高”次序,共計進行了36種工況沖擊起爆仿真計算,速度間隔50 m/s。因B炸藥的爆轟壓力為29.5 GPa,因此當炸藥內部壓力云圖或反應度云圖出現爆轟波傳播,且炸藥內觀測點壓力曲線形成脈沖峰,峰值超過20 GPa[13]時,認為炸藥發生了爆炸反應。

如圖2、圖3所示,圖2中蓋板厚度為10 mm,動能塊撞擊速度為1 300 m/s,壓力云圖中并未發生爆炸反應,觀測點處壓力峰值無明顯變化,最大峰值為2 GPa,可判斷裝藥在動能塊撞擊下僅發生了爆燃反應,并未達到穩定爆炸狀態;圖3中動能塊撞擊速度為1 350 m/s,壓力云圖中炸藥內部產生了爆轟波陣面并向遠處傳播,壓力曲線明顯形成壓力脈沖峰且峰值壓力超過20 GPa,表明裝藥發生了穩定爆炸反應。其他工況參考上述判斷方法進行了仿真計算,結果如表2示,臨界起爆速度取未起爆速度與已起爆速度均值。

圖2 蓋板厚10 mm、碰撞角度70°、裝藥未起爆(速度1 300 m/s)的壓力云圖及觀測點壓力曲線

圖3 蓋板厚10 mm碰撞角度70°裝藥已起爆(速度1 350 m/s)

蓋板厚度/mm速度動能塊碰撞角/(°)01020304050607080未起爆速度/(m/s)5507506509008508509501300150010已起爆速度/(m/s)600800700950900900100013501550臨界起爆速度/(m/s)57577567592587587597513251525未起爆速度/(m/s)950950950900900100010501300210020已起爆速度/(m/s)1000100010009509501050110013502150臨界起爆速度/(m/s)9759759759259251025107513252125未起爆速度/(m/s)13001050100010001050115012001550295030已起爆速度/(m/s)135011001050105011001200125016003000臨界起爆速度/(m/s)132510751025102510751175122515752975未起爆速度/(m/s)15001150110011001150130014002400390040已起爆速度/(m/s)155012001150115012001350145024503950臨界起爆速度/(m/s)152511751125112511751325142524253925

2.2 結果分析

由表2可見,當動能塊以大于40°撞擊屏蔽裝藥時,裝藥臨界起爆速度隨蓋板厚度和著角的增加逐漸增大;但以小角度撞擊時,蓋板厚度較小(10 mm)情況下臨界起爆速度大體上隨著角增大而增大,厚度較大(≥20 mm)情況下著角增大時,起爆速度變化不大或逐漸減小。分析原因如下:

1)著角大于40°,隨蓋板厚度增大,動能塊因高速侵徹過程中的侵蝕作用,質量損失較大,欲引爆屏蔽裝藥,需提高速度,沖擊波傳播至炸藥形成熱點,使裝藥發生穩定爆炸反應。速度提高產生了更高動能,但大多損失在侵蝕蓋板上,因此在該種情況下動能塊主要通過沖擊波引爆屏蔽裝藥。故大著角下臨界起爆速度隨著角穩定單調增加。

2)著角小于40°,蓋板厚度大于等于20 mm時,臨界起爆速度隨著角變化不大。臨界起爆速度與動能塊作用炸藥的等效接觸面積有關。小于40°著角碰撞時動能塊碎裂程度小,角度越大,接觸面積越大,比動能越大。同時,動能塊侵徹厚蓋板產生崩落物降低了臨界起爆速度。此外,仿真所用圓柱動能塊長徑比(3.75)與質量(211 g)均較大,對厚蓋板具有更好的侵徹效果。

3)著角小于40°,蓋板厚度10 mm時,臨界起爆速度隨角度增加而增大。分析該4種工況起爆過程發現,由于蓋板較薄,動能塊侵蝕蓋板后形狀質量幾乎無損失,剩余速度和動能很大,幾乎能夠以全部能量作用于炸藥,因此動能塊主要依靠自身動能侵徹蓋板后產生的應力波持續壓縮炸藥產生熱點,從而引爆裝藥,與蓋板較厚時規律不同。

4)當著角為10°和30°,蓋板厚度10 mm工況下,出現了這兩種工況的臨界起爆速度高于同蓋板厚度相鄰角度計算結果的情況。分析兩種工況下的引爆過程發現,動能塊在侵蝕蓋板進入裝藥后,對裝藥持續壓縮后才可引爆裝藥。可見,動能塊撞擊屏蔽裝藥的反應發展過程復雜,對于薄蓋板小撞擊角侵徹,前導沖擊波作用還是后續機械作用是難以區分的,引爆裝藥情況存在隨機性。

由于各工況間起爆機理不同,且動能塊著角與蓋板厚度變化并非能夠直接等效成蓋板厚度的線性增加,所以難以采用傳統的Jacobs-Roslund(J-R)經驗公式進行擬合。在此,根據表2中臨界起爆速度,采用較為簡單的三次多項式形式,擬合得到臨界起爆速度隨著角和蓋板厚度變化曲線,如圖4、圖5所示。

圖4 臨界起爆速度隨著角變化曲線

由圖4可見,蓋板厚度較薄時,臨界起爆速度隨著角增大平緩增加,增速起初較緩慢,角度大于40°后加快;蓋板較厚時,速度隨著角存在先增大后減小過程,且減小(增大)速度隨蓋板厚度增大而加快,在碰撞角度40°附近存在極小值點,與上述原因分析一致。根據上述曲線,擬合得到臨界起爆速度隨碰撞角度在蓋板不同厚度條件下的函數表達式為:

(2)

式中:VCr為臨界起爆速度閾值(m/s);θ為撞擊角((°));h為蓋板厚度(mm)。

圖5 臨界起爆速度隨蓋板厚度變化曲線

由圖5可見,大碰撞角時,起爆速度隨蓋板厚度增大穩定增加,碰撞角為80°近似線性增加;小碰撞角時,起爆速度隨蓋板厚度增大存在先增大后減小過程,在大厚度蓋板情況下較明顯,與上述原因分析一致。

3 結論

通過分析211 g動能塊撞擊屏蔽B炸藥沖擊引爆效應仿真計算,得到如下結論:

1)屏蔽B炸藥的蓋板厚度不同,起爆機理并不完全相同。著角小于40°時主要依靠動能塊撞擊產生的機械作用引爆裝藥;大于40°時主要依靠透射沖擊波引爆裝藥。

2)臨界起爆閾值速度隨著角非線性變化,著角大于40°臨界起爆速度隨角度呈穩定單調增加,小于40°臨界起爆速度變化規律與蓋板厚度有關。

3)蓋板大于20 mm情況下,引爆帶殼CompB炸藥的臨界起爆速度存在極小值點,出現在著角40°附近。

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Study on Shock Detonation Effect of Kinetic Energy Block on Shielded Explosive B

GAO Peng1,XU Yuxin1,ZHAO Chunlong2,WANG Shushan1

(1 State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2 School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

The critical velocity for ignition and shock initiation mechanism of kinetic energy block to shielded explosive of Comp. B was described. The tungsten-alloy kinetic energy block impacting different covered explosive was simulated by using Ansys AutoDyn-3D simulation software, and critical velocity for ignition of kinetic energy block detonating covered explosive at the angle of 0 to 80 was obtained. Through fitting, the functional relationship between velocity and collision angle was also obtained. The results showed that critical velocity for ignition changed nonlinearly with the increase of impact angle under conditions of different cover thickness. When impact angle was more than 40°, critical velocity for ignition of covered explosive increased with the increase of impact angle, but the growth rate was different. When impact angle was 40° or less and cover thickness was greater than 10 mm, critical velocity for ignition decreased with the increase of impact angle, and when the cover thickness was 10 mm, the critical velocity for ignition had characteristics of randomness.

explosion mechanics; impact initiation; kinetic energy block; critical initiation velocity

2015-11-29

高鵬(1990-),男,遼寧沈陽人,碩士研究生,研究方向:武器系統總體技術研究，通訊作者：徐豫新，講師，博士，E-mail:xuyuxin@bit.edu.cn。

TJ410.2

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