聚黑-14C的傳爆裝置沖擊起爆實驗及數值模擬

李 碩，袁俊明，劉玉存，覃文志，邢宗仁，唐 鑫

(1.中北大學化工與環境學院，山西 太原 030051；2.中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900)

聚黑-14C的傳爆裝置沖擊起爆實驗及數值模擬

李 碩1，袁俊明1，劉玉存1，覃文志2，邢宗仁2，唐 鑫1

(1.中北大學化工與環境學院，山西 太原 030051；2.中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900)

基于聚黑(JH)-14C傳爆藥的小隔板試驗方法及結果，建立了小隔板試驗有限元模型并進行了模擬計算，確定了密度為1.65g/cm3時JH-14C的Lee-Tarver參數。以RDX-8701為主發藥柱，對實際裝藥條件下JH-14C的傳爆裝置進行了沖擊起爆實驗，得到了鋼鑒定塊的凹坑深度。根據小隔板試驗確定的JH-14C傳爆藥Lee-Tarver參數，建立了全尺寸的沖擊起爆實驗有限元模型，并對比分析了模擬結果與實驗結果，通過改變導爆藥柱頂部的鋼隔板厚度，確定了JH-14C的傳爆裝置發生沖擊起爆的臨界鋼隔板厚度。結果表明，沖擊起爆實驗中鋼鑒定塊的凹坑深度約為2.1mm，模擬計算結果與實驗結果基本吻合；JH-14C的傳爆裝置沖擊起爆的臨界鋼隔板厚度在4～5mm。

爆炸力學；傳爆裝置；沖擊起爆；點火增長模型；數值模擬；聚黑-14C；小隔板試驗

引 言

現代戰爭的快速變化及戰場環境的日益惡化使具有較高安全性能的鈍感彈藥成為武器彈藥發展的趨勢，彈藥系統在生產、運輸及使用過程中會受到碰撞、沖擊起爆以及跌落等多種意外刺激引發彈藥安全系統失效，導致事故的發生。

彈藥沖擊起爆是引發彈藥安全系統失效的一個典型意外刺激，深入研究彈藥沖擊起爆機理，對于安全起爆彈藥和避免彈藥在意外沖擊下引發爆炸具有重要的意義。對于單純固體炸藥的沖擊起爆，Walker和Wasley[1]用氣泡和平面波裝置研究了LX-04和TNT炸藥的沖擊起爆行為。陶為俊[2]通過二維沖擊起爆試驗測量了RDX-8701炸藥的臨界隔板厚度，得到了其點火增長反應模型參數。馮長根[3]采用非線性有限元方法模擬了JO-9159炸藥沖擊起爆過程，得到了裝藥尺寸對炸藥沖擊起爆壓力閾值的影響規律。炸藥的沖擊起爆性能除與炸藥本身的性質有關外，還與環境溫度有關，為研究受熱炸藥的沖擊起爆規律，A.M. Renlund等[4]進行了不同約束條件下受熱TATB炸藥的飛片撞擊起爆實驗，結果表明該炸藥受熱膨脹是導致沖擊波感度升高的主要原因。陳朗[5]利用設計的炸藥驅動飛片起爆受熱炸藥實驗裝置，對HMX/TATB炸藥進行了5種不同加熱溫度下的沖擊起爆實驗，測量了該炸藥內部壓力的成長歷程。隨著研究的繼續深入，溫麗晶等[6]進行了不同加載壓力下炸藥沖擊起爆過程實驗和數值模擬研究，得到兩種不同粒度的PBX炸藥起爆壓力和爆轟距離的關系。張濤[7]對新型高能鈍感炸藥JBO-9X在較高入射壓力下的沖擊起爆行為進行了實驗及數值模擬研究，提出以化學反應比例作為沖擊作用下炸藥安定性的表征指標。在炸藥沖擊起爆過程中，國內外對于單純主裝藥、傳爆藥的沖擊起爆研究已經能夠進行較好的描述，但是對彈藥引爆系統即傳爆序列的沖擊起爆卻沒有系統的研究。如果傳爆序列在沖擊起爆作用下的安全性不能保證，就可能導致爆炸事故發生。

本研究基于JH-14C傳爆藥的小隔板試驗及結果，確定了密度為1.65g/cm3時JH-14C的Lee-Tarver參數。以RDX-8701為主發藥柱，進行了實際裝藥條件下JH-14C傳爆裝置的沖擊起爆實驗，得到鋼鑒定塊的凹坑深度。建立全尺寸的沖擊起爆實驗有限元模型，通過改變導爆藥柱頂部鋼隔板厚度，確定了該傳爆裝置發生沖擊起爆的臨界鋼隔板厚度。

1 實 驗

1.1 樣 品

在傳爆裝置的沖擊起爆實驗中，主發藥柱為RDX-8701炸藥，密度為1.667g/cm3，配方(質量分數)為：RDX 95%、DNT 3%、硫化促進劑(CZ)2%、硬脂酸0.5%。主發藥柱下方是以JH-14C為傳爆藥的傳爆裝置，密度為1.65g/cm3，配方(質量分數)為：RDX 96.5%、氟橡膠(FPM)3%、石墨0.5%。

1.2 實驗裝置及材料

傳爆裝置的沖擊起爆實驗裝置圖如圖1所示。其中，鋼約束套筒材料為45號鋼[8]，鑒定塊為A3鋼[9]。整個裝置外徑17mm，主發藥柱RDX-8701直徑10mm、高12mm，底部鋼殼體厚度為1mm；導爆藥柱有兩種尺寸：直徑5mm、高6mm和直徑15mm、高13mm。

圖1 沖擊起爆實驗裝置示意圖Fig.1 Sketch of shock initiation experimental apparatus

小隔板試驗模型中的有機玻璃[10]、鋼約束套筒、鋼鑒定塊以及沖擊起爆實驗有限元模型中藥柱殼體的鋼約束套筒和鑒定塊均采用Johnson-Cook強度模型。該模型適合模擬金屬材料從低應變率到高應變率下的動態行為，利用變量乘積關系分別描述應變、應變率和溫度的影響。

1.3 實驗方法

實驗中由雷管起爆主發藥柱，主發藥柱爆炸產生的沖擊波經過底部鋼隔板衰減后作用于整個傳爆裝置，觀察鋼殼體的碎裂情況、殼體內側炸藥殘留情況，并測量出鑒定塊的凹坑深度。沖擊起爆實驗現場照片如圖2所示。

圖2 沖擊起爆實驗裝置照片Fig.2 Photo of shock initiation experimental apparatus

根據GJB2178.1A-2005的小隔板試驗方法進行測試，當主發藥柱為丙酮精制RDX(密度為1.463g/cm3)時，JH-14C傳爆藥(密度為1.65g/cm3)的50%臨界起爆隔板值為10.47mm，故分別建立隔板厚度為10和11mm的小隔板有限元模型。

2 數值計算

2.1 材料參數的確定

在小隔板試驗模擬計算中，JH-14C的三項式點火增長模型參數是以C4炸藥[11]和RDX-8701炸藥[2]的計算參數為基礎進行微調得到的，因為JH-14C的組成成分和密度與這兩種炸藥相似。根據文獻資料[12]以及JWL經驗計算公式[13]得到JH-14C炸藥爆轟產物JWL狀態方程的參數。通過模擬小隔板試驗，有規律地調整模型方程中a、d、G1、G2以及FG1max和FG2min等Lee-Tarver參數，使模擬計算結果滿足JH-14C在小隔板厚度10mm時發生爆轟，11mm時不爆，從而確定JH-14C的三項式點火增長模型參數。所確定的JH-14C具體參數見表1。

表1 JH-14C的Lee-Tarver參數

實驗測得RDX-8701密度為1.667g/cm3時，實際輸出壓力約為27GPa，爆速為8122m/s。模型建立時，在藥柱內部的中心軸處每隔1mm設置一個觀測點，用此密度下RDX-8701的JWL參數進行模擬運算，藥柱網格為0.1mm，其壓力-時間曲線如圖3所示。由圖3可知，爆轟壓力形成后期穩定在27GPa左右，與實驗測得的爆轟輸出壓力相近。

圖3 RDX-8701的爆轟壓力-時間曲線Fig.3 The detonation pressure-time curves of RDX-8701

2.2 有限元模型及狀態方程

采用非線性有限元計算軟件AUTODYN對該沖擊起爆實驗進行數值模擬計算，并根據實驗裝置建立相應的二維計算模型，如圖4所示。為了簡化模型以及減少模型的計算量，將模型建為二維的軸對稱模型，且不考慮雷管，使用中心點火起爆方式，將主發藥柱頂端的中心點設置為起爆點, 即圖4中的紅色點。為避免運行過程中出現炸藥單元的畸變問題，本計算模型使用二維實體Lagrange單元網格進行劃分，藥柱和約束套筒殼體、鑒定塊之間采用Lagrange/Lagrange單元之間的Self-interaction算法，在殼體邊界面以及鑒定塊邊界面上施加無反射邊界條件，采用cm-g-us建模。計算模型中JH-14C的網格為0.2mm，兩種鋼材料的網格均為0.5mm。

圖4 沖擊起爆實驗有限元模型Fig.4 The finite element model of shock initiation experiment

主發藥柱選用RDX-8701炸藥，炸藥爆轟后，用JWL狀態方程來計算各產物的膨脹壓力：

(1)

式中：p為爆轟產物的壓力；V為爆轟產物的相對比容；A、B、R1、R2、ω為待擬合參數。

對于JH-14C，未反應炸藥采用JWL狀態方程，爆轟產物的反應速率用三項式反應速率方程計算：

(2)

式中：λ為炸藥反應度；t為時間；ρ為密度；p為反應壓強；a為臨界壓縮度；y為壓強指數；b、c表示內向的球形顆粒燃燒；I、x為控制點火熱點的數量；G1、d為控制點火后熱點早期的反應增長；G2、e、g、z決定高壓下的反應速率；I、G1、G2、a、b、x、c、d、y、e、g和z為12個可調的擬合系數。

3 結果與討論

3.1 JH-14C傳爆裝置的沖擊起爆實驗

主發藥柱爆炸后產生的沖擊波經鋼隔板衰減后作用于JH-14C的傳爆裝置，引起JH-14C起爆，鋼鑒定塊上有明顯凹坑，如圖5所示。

圖5 JH-14C沖擊起爆實驗凹坑Fig.5 The cave of JH-14C shock initiation experiment

經測量，凹坑深度平均值約為2.1mm，凹坑端面口徑與傳爆裝置的外徑基本一致。鑒定塊上無任何殘留物，表明JH-14C被完全起爆。

爆炸完成后鋼材料的碎裂狀況如圖6所示，試件殼體發生脆性碎裂，產生大量碎小的破片。由此可判定此沖擊起爆實驗中JH-14C發生完全爆轟。

圖6 殘留碎片Fig.6 The residual fragments

3.2 小隔板試驗模擬計算

在0μs時刻以點起爆方式引爆丙酮精制RDX(密度為1.463g/cm3)主發藥柱，在藥柱頂端發生非理想爆轟，主發藥柱爆炸后產生的沖擊波經過有機玻璃隔板衰減后作用于下方的JH-14C傳爆裝置，根據爆轟波在JH-14C藥柱中的傳播方向，于藥柱中心軸處從頂部到底部選取不同位置的單元點，觀察爆轟波在JH-14C藥柱內的成長狀況。不同小隔板厚度各位置單元點的壓力-時間曲線如圖7所示。各壓力-時間曲線圖中的第1個點均為藥柱頂部的中心點，其余單元點為藥柱縱向截面上的內部點，間距為4mm，各個單元點在藥柱上的位置均由圖像上的標注確定。

由圖7(a)可以看出，主發藥柱爆炸產生的沖擊波經有機玻璃衰減后在7.242μs時進入導爆藥，頂端點(1號觀測點)的初始峰值壓力為1.86GPa。從10.89μs開始，其峰值壓力略有增加，到4號觀測點時為4.46GPa，此后藥柱的壓力一直保持緩慢增加趨勢，到14.73μs時,5號觀測點的峰值壓力明顯上升，達到16.89GPa。15.24μs時，8號觀測點的峰值壓力達到25.6GPa。隨著爆轟波繼續向下傳播，在藥柱中下部穩定在27GPa左右，接近JH-14C傳爆藥的爆壓值，發展形成了穩定的爆轟波，JH-14C發生完全爆轟。

圖7 不同隔板厚度的壓力—時間曲線Fig.7 The pressure-time curves for different gap thickness

由圖7(b)可以看出，7.37μs時沖擊波進入導爆藥，頂端點(1號觀測點)的初始峰值壓力為1.42GPa。從15.24μs開始，峰值壓力略有增加，7號觀測點的峰值壓力為3.98GPa，此后藥柱的壓力一直保持緩慢增加趨勢，到16.97μs時,10號觀測點的峰值壓力達到9.27GPa。隨著爆轟波繼續向下傳播，峰值壓力仍有上升趨勢，但一直低于20GPa，爆轟波沒有完全成長起來，由此認為藥柱沒有發生完全反應，JH-14C未發生爆轟。

3.3 沖擊起爆實驗模擬計算

導爆藥和傳爆藥的壓力—時間曲線如圖8所示。

圖8 導爆藥和傳爆藥的壓力—時間曲線Fig.8 The pressure-time curves of detonating and booster charge

主發藥柱爆炸后產生的沖擊波經過鋼隔板衰減后，在1.47μs時沖擊波進入傳爆裝置，首先起爆導爆藥，由圖8(a)可以看出，頂端點(1號觀測點)的初始峰值壓力為14.06GPa，隨后導爆藥的壓力一直保持緩慢增加趨勢，到1.88μs時，3號觀測點的峰值壓力達到23.2GPa，隨著爆轟波繼續向下傳播，在導爆藥藥柱底部壓力穩定在27GPa，達到JH-14C的爆壓值，發展形成穩定的爆轟波，導爆藥發生完全爆轟。沖擊波經過導爆藥與傳爆藥之間的鋼隔板，受到鋼隔板的二次衰減作用，在2.5μs時沖擊波進入傳爆藥，傳爆藥的壓力—時間曲線如圖8(b)所示。由圖8(b)可以看出，傳爆藥頂端點(1號點)的初始峰值壓力衰減為5.7GPa，此后一直維持在此壓力值左右。直到4.03μs開始，傳爆藥藥柱內熱點增多，內部壓力升高至16.5GPa，隨之沖擊波繼續向下傳播，后期壓力持續維持在25.7GPa左右，接近JH-14C的爆壓值，導爆藥和傳爆藥均發生穩定爆轟。分析炸藥在歷經幾微秒的傳播后才慢慢達到爆轟壓力，實現穩定爆轟的原因，是因為在有鋼隔板衰減作用下的沖擊起爆實驗中，通過鋼隔板衰減后的沖擊波是一種典型低壓持續脈沖的沖擊波[14]，被發藥柱在受到經過衰減作用沖擊波的沖擊壓力作用后，在接觸到爆轟波的沖擊前沿只有一部分炸藥發生反應，要使炸藥最終在前沿后發生完全反應，只能使爆轟波在炸藥內部繼續向下傳播。

同理，在該數值模擬計算中，作用在傳爆藥底部的沖擊波繼續向下傳播，導致傳爆裝置底部鋼鑒定塊上的網格發生擠壓以及變形，在鑒定塊上留下一個凹坑。所以，在鑒定塊頂端中心處設置一個觀測點，經過模擬計算，得到該觀測點在此模擬計算中移動的距離，即凹坑深度隨時間的變化曲線如圖9所示。

圖9 鋼鑒定塊的凹坑深度隨時間的變化曲線Fig.9 The changing curve in the cave depth of steel identification block with time

圖9中，傳爆藥柱底部的沖擊波大約在5.0μs時刻開始進入鋼鑒定塊，并經過約十幾微秒的作用時間，鑒定塊的凹坑逐漸形成，并最終保持在穩定狀態，由圖9可知，此凹坑深度約為1.9mm，與實驗測得的鋼凹平均值2.1mm大致相符。

在保持其他參數條件不變的情況下，增加導爆藥頂部的鋼隔板厚度，繼續模擬在不同鋼隔板厚度下JH-14C傳爆裝置的起爆狀況。通過觀察分析不同鋼隔板厚度下JH-14C的壓力曲線，確定JH-14C的傳爆裝置發生沖擊起爆的臨界鋼隔板厚度。經過一系列的數值模擬計算及分析，得到鋼隔板厚度分別為4mm和5mm時傳爆藥柱的壓力—時間曲線，如圖10所示。

圖10 不同鋼隔板厚度傳爆藥柱的壓力—時間曲線Fig.10 The pressure-time curves of booster charge at different steel gap thicknesses

由圖10(a)可以看出，當鋼隔板厚度為4mm時，JH-14C后期的壓力值穩定在25GPa左右，接近JH-14C的爆壓值，說明藥柱被完全起爆。由圖10(b)可以看出，繼續增加鋼隔板厚度至5mm時，通過觀察藥柱內部各個觀測點的壓力曲線可知，隨著爆轟波在藥柱內部的傳播，藥柱的壓力雖然在增長，但是由于鋼隔板略厚，主發藥柱爆炸產生的沖擊波在鋼隔板內發生大幅度衰減，進入到藥柱的初始沖擊波壓力減小，藥柱后期的峰值壓力僅為18GPa，未形成穩定爆轟。由此可以判定，在此狀態下，JH-14C(密度為1.65g/cm3)的傳爆裝置發生沖擊起爆的臨界鋼隔板厚度在4～5mm。

4 結 論

(1)根據GJB2178.1A-2005定型的JH-14C(密度為1.65g/cm3)已知臨界隔板厚度，建立相應的小隔板有限元模型進行模擬計算，確定了此密度下JH-14C的三項式點火增長模型參數。

(2)以RDX-8701為主發藥柱，對實際裝藥條件下JH-14C的傳爆裝置進行了沖擊起爆實驗，建立全尺寸沖擊起爆實驗有限元模型，計算結果反映了此條件下JH-14C的傳爆裝置發生沖擊起爆的規律。

(3)在實際裝藥條件下JH-14C傳爆裝置的沖擊起爆實驗中，鋼鑒定塊的凹坑深度約為2.1mm，與模擬計算結果1.9mm基本吻合，由此也驗證了通過小隔板試驗確定出的JH-14C傳爆藥三項式點火增長模型參數的準確性。此實際裝藥條件下，JH-14C(密度為1.65g/cm3)的傳爆裝置發生沖擊起爆的臨界鋼隔板厚度為4～5mm。

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Experiment and Numerical Simulation of Shock Initiation of JH-14C Detonation Device

LI Shuo1，YUAN Jun-ming1，LIU Yu-cun1，QIN Wen-zhi2，XING Zong-ren2，TANG Xin1

(1.School of Chemical Engineering and Enivironment, North University of China, Taiyuan 030051,China; 2.Institute of Chemical Materials, CAEP, Mianyang Sichuan 621900,China)

Based on the test method and result of small scale gap test, the finite element model of small scale gap test was established and simulation calculation was carried out to determine the Lee-Tarver parameters of JH-14C booster explosive with the density of 1.65g/cm3. The shock initiation experiments of JH-14C detonation device were performed under the condition of actual charge, using RDX-8701 as the main charge, and the cave depth of steel identification block was obtained. According to the Lee-Tarver parameters determined by small scale gap test, the full size finite element model of shock initiation experiments for JH-14C detonation device was established, and the simulation results were compared and analyzed with the experimental ones. The critical steel gap thickness of JH-14C detonation device in the shock initiation experiment was determined by changing the steel gap thickness at the top of detonating explosive. The results show that the cave depth of steel identification block in the shock initiation experiments is 2.1mm, and simulated results are in well agreement with the experimental ones. The critical steel gap thickness of JH-14C detonation device in the shock initiation experiment is from 4mm to 5mm.

explosion mechanics；detonation device；shock initiation；ignition growth model；numerical simulation; JH-14C; small scale gap test

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.06.011

2016-03-16；

2016-05-25

中物院安全彈藥研發中心開放基金資助(NO.RMC2014B03)

李碩(1991-)，女，碩士研究生，從事炸藥安全性能評估與模擬計算研究。E-mail：18434364808@163.com

袁俊明(1979-)，男，副教授，從事含能材料制備與數值計算研究。E-mail：junmyuan@163.com

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