TNT炸药射流撞击响应仿真

2015-09-12王堃

兵器装备工程学报 2015年1期

王堃

(海装西安局，西安 710043)

炸药在高速金属射流作用下的引爆问题是炸药研究中极关心的问题。随着弹药在未来战争中受到聚能武器威胁的不断增加，炸药在战场环境条件下承受射流攻击时的射流感度安全性评估日益得到重视，成为炸药安全性研究的重点之一，炸药射流撞击试验作为炸药易损性试验方法之一也备受关注［1］。

西方国家非常重视弹药中炸药的易损性评价，典型的有美国的MIL-STD-2105C“非核弹药的危险性评估试验方法”，其中一项重要试验项目为射流撞击试验。易损性中射流撞击试验采用50 mm标准射流源，其v2d要求不小于360 mm3/μs2［2］，通过研究 50 mm 标准射流形成的射流形态，并对其经过隔板后撞击炸药时炸药的响应情况进行仿真研究，为射流撞击试验装置的设计以及研究炸药样品的响应类型提供依据。利用目前的显式动力学分析软件AUTODYN，采用有限元方法，对药型罩在炸药爆轰过程中被压垮形成射流的过程进行仿真，并通过对射流侵彻隔板和射流经过隔板作用于炸药后压力变化，判断炸药的响应情况，并通过试验进行了验证。

1 模型选择

1.1 材料模型的选择

由于标准射流源选用的聚奥炸药［3］，该炸药没有相应的状态方程，因此选用性能接近的PBX-9404炸药［4］，表1为这两种炸药性能的对比。

表1 2种炸药性能对比

对于射流形成，炸药使用JWL状态方程，药型罩选用Shock状态方程，其材料参数分别见表2和表3，空气采用理想气体模型，内能设置为2.066E-3 Mbar·cm3/cm3。

表2 PBX-9404的材料参数

表3 铜的材料参数

射流仍采用表3所示Shock状态方程，IRON采用Shock模型，炸药选用TNT，使用Lee-Tarver状态方程，使用的参数均为AUTODYN中材料数据库数据。

1.2 计算模型及方法［5］

50 mm射流源如图1所示，采用铜药型罩，炸药采用的是聚奥炸药，外形尺寸为φ50 mm×100 mm。根据试验确定其射流稳定性较好时炸药选择为90 mm，采用45#钢时平均穿深为280 mm，射流头部速度为8.3 mm/μs，射流头部直径达到5.5 mm。

图1 50 mm标准射流源

1.3 射流形成

采用1/2轴对称模型。考虑到射流罩、炸药、空气等具有大变形，其采用多物质Euler算法。为模拟空气域为无限大，在空气域边界设置FLOWOUT边界条件，共设置10观察点，见图2所示。为了提高计算精度，将中心部位计算域网格加密。

图2 射流形成计算模型

1.4 炸药冲击响应

炸药冲击响应的计算模型在射流侵彻钢靶的计算模型基础上生成，隔板与炸药采用共节点，铜射流与两者定义接触。炸药固定厚度为50 mm，每隔5～10 mm设置一个观察点，检测其压力变化曲线，其中中心线设置7个观察点，并在相对位置(20 mm，1.5 mm)处设置1个观察点，以便对炸药爆轰响应进行观测。隔板根据相应的计算长度进行设置，从10 mm一直到150 mm，间隔10 mm，并设置4个观察点。其中图3为隔板厚度100 mm时的计算模型。

图3 炸药冲击响应计算模型

2 仿真结果与讨论

2.1 射流形成

射流在26 μs已经基本形成，并达到了标准射流源设置的炸高高度，停止计算，此时状态见图4，图5为射流速度梯度图。

图4 射流形成时状态

图5 射流速度梯度

通过分析各观察点的压力和速度可以得到射流形成过程中各观察点的最大速度，结果见表4。

表4 射流形成过程中各观察点最大速度

从表4可以看出，射流达到最大速度为8381 m/s，与实测射流头部速度基本相当。从射流侵彻钢靶仿真可以看出，射流侵彻深度为260 mm左右，实际测试结果为240 mm左右，相差10%左右，而且由于仿真时对变形较大的侵蚀单元进行丢弃处理，没有考虑实际过程中的杵体会堵塞穿孔的情况，因此仿真结果与试验结果相差较大。