动能块对屏蔽B炸药冲击引爆效应研究*

高 鹏,徐豫新,赵春龙,王树山

(1 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京 100081;2 中北大学机电工程学院,太原 030051)

动能块对屏蔽B炸药冲击引爆效应研究*

高 鹏1,徐豫新1,赵春龙2,王树山1

(1 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京 100081;2 中北大学机电工程学院,太原 030051)

研究动能块对屏蔽B炸药冲击起爆机制与临界起爆速度。采用AutoDyn-3D仿真软件,对钨合金动能块撞击不同盖板厚度屏蔽装药仿真计算,获得着角0°～80°动能块引爆屏蔽装药临界起爆速度,拟合获得速度与着角函数关系。结果表明,临界起爆速度在盖板不同厚度条件下随着角增大非线性变化。着角大于40°起爆阈值速度随角度增加而增大,但增速不同;着角小于40°盖板厚度大于10 mm速度随着角增大而减小,盖板厚度10 mm屏蔽装药临界起爆速度具有随机性。

爆炸力学;冲击起爆;动能块;临界起爆速度

0 引言

对于大质量动能块对屏蔽装药的冲击起爆试验,因加载条件多为二级轻气炮,工作量极大且对于各物理量变化规律的直接测试是有难度的,因此目前大量采用数值仿真方法研究该问题。在仿真计算方法选取上,大部分采用拉格朗日算法和欧拉算法。近年来,随着光滑粒子流体动力法(SPH)的日益成熟,更多的爆炸问题使用了该种算法。时立国[5]采用SPH方法,模拟一维炸药一端冲击起爆的主要特性,验证了SPH方法在模拟爆轰问题方面的可行性。研究表明[6-7],SPH算法较传统的拉格朗日(Lagrange)算法、欧拉(Euler)算法、ALE耦合算法等能更好的描述高速撞击下材料的破碎行为,更适宜于高速条件下仿真分析。已有研究虽多,但针对动能块作用于屏蔽炸药冲击起爆的临界起爆速度与盖板厚度、着角关系的研究较少。

文中采用AUTODYN-3D软件,使用SPH算法,建立了动能块对盖板不同厚度下的屏蔽装药冲击起爆数值仿真模型;据此,进行了不同着角下,动能块对不同盖板厚度下屏蔽装药冲击起爆仿真,获得了不同着角及盖板厚度B炸药起爆阈值,并分析了不同盖板厚度起爆阈值随碰撞角度变化规律。研究结果可对反导战斗部设计提供技术基础支持。

1 仿真计算模型

1.1 仿真模型离散化

建立仿真计算模型如图1所示。单位制为cm-g-μs-GPa。动能块形状选用常见的圆柱体动能块,大小为Φ16 mm×60 mm,屏蔽装药为不同厚度10#钢板+Comp.B炸药,炸药周围为铝壳。

由于动能块及屏蔽装药模型均为对称结构,为缩短计算时间,建立了动能块和屏蔽装药的1/2模型。采用Truegraid网格划分软件对两模型划分网格后,导入到AutoDyn软件中仿真计算,网格尺寸1 mm。为观察炸药内部压力变化及判断是否发生爆炸反应,在炸药内部设置了24个观测点,均位于1/2模型对称平面内,每行观测点距离0.5 cm,每行设置6个观测点,每个观测点间隔3 cm,如图1所示。

图1 仿真计算模型

1.2 材料本构模型及相关参数

根据已有小质量破片对带壳B炸药冲击起爆试验结果[8-10],验证获得的数值仿真用材料模型后,进行材料模型参数赋值。根据美国PAC-3[11]爱国者导弹,选择圆柱体动能块,质量为211 g,材料为钨合金(W232),采用Shock状态方程和Steinberg Guinan强度模型。

作为欧·亨利代表作品之一的《警察和赞美诗》早已进入了研究者的视野。无论是小说的人物形象还是小说的作品主题，就连对其语言特色也早都有研究者进行过分析。可惜的是，在其语言及相关问题的研究中，却存在着以下诸多的局限性：

对于冲击问题传统采用拉格朗日和欧拉算法进行求解,拉格朗日算法可更好的观察到物质点的运动过程,但对于高速冲击时的大变形,会因网格畸变存在难以在不删除畸变网格的情况下计算下去,欧拉算法虽能很好的解决这一问题,但无法很好的描述多物质间的界面以及材料的固体失效断裂行为。作为近20多年来逐步发展起来的SPH方法实质是一种无网格方法,基本思想是将连续的流体(或固体)用相互作用的质点组来描述,各个物质点上承载各种物理量,包括质量、速度等,通过求解质点组的动力学方程和跟踪每个质点的运动轨道,求得整个系统的力学行为;因此,它可避免极度大变形时网格扭曲而造成的精度破坏等问题,并且也能较为方便的处理不同介质的交界面,特别适合于求解高速碰撞等动态大变形问题。文中针对高速侵彻大变形特点,对其使用光滑粒子流体动力法(SPH)进行计算。钢板为STEEL 1006,使用Shock状态方程和Johnson Cook强度模型,铝壳为Al 7075-T6,采用Shock状态方程和Steinberg Guinan强度模型。装药为B炸药,采用Lee-Traver三项点火状态方程[12]:

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

(1)

式中:F是燃烧质量分数,它在模拟爆轰过程中控制着炸药化学能的释放;I、b、a、x、G1、c、d、y、G2、e、g、z为参数。参数a是阻止点火的临界压缩度;参数I和x控制着点火量,作为冲击强度及持续的函数;参数G1和d控制着点火后反应的早期增长;参数G2和z确定高压反应率。各材料本构模型及相关参数如表1所示。

表1 各材料本构模型及相关参数

2 仿真计算结果及分析

2.1 计算结果

冲击速度按“低-高”次序,共计进行了36种工况冲击起爆仿真计算,速度间隔50 m/s。因B炸药的爆轰压力为29.5 GPa,因此当炸药内部压力云图或反应度云图出现爆轰波传播,且炸药内观测点压力曲线形成脉冲峰,峰值超过20 GPa[13]时,认为炸药发生了爆炸反应。

如图2、图3所示,图2中盖板厚度为10 mm,动能块撞击速度为1 300 m/s,压力云图中并未发生爆炸反应,观测点处压力峰值无明显变化,最大峰值为2 GPa,可判断装药在动能块撞击下仅发生了爆燃反应,并未达到稳定爆炸状态;图3中动能块撞击速度为1 350 m/s,压力云图中炸药内部产生了爆轰波阵面并向远处传播,压力曲线明显形成压力脉冲峰且峰值压力超过20 GPa,表明装药发生了稳定爆炸反应。其他工况参考上述判断方法进行了仿真计算,结果如表2示,临界起爆速度取未起爆速度与已起爆速度均值。

图2 盖板厚10 mm、碰撞角度70°、装药未起爆(速度1 300 m/s)的压力云图及观测点压力曲线

图3 盖板厚10 mm碰撞角度70°装药已起爆(速度1 350 m/s)

盖板厚度/mm速度动能块碰撞角/(°)01020304050607080未起爆速度/(m/s)5507506509008508509501300150010已起爆速度/(m/s)600800700950900900100013501550临界起爆速度/(m/s)57577567592587587597513251525未起爆速度/(m/s)950950950900900100010501300210020已起爆速度/(m/s)1000100010009509501050110013502150临界起爆速度/(m/s)9759759759259251025107513252125未起爆速度/(m/s)13001050100010001050115012001550295030已起爆速度/(m/s)135011001050105011001200125016003000临界起爆速度/(m/s)132510751025102510751175122515752975未起爆速度/(m/s)15001150110011001150130014002400390040已起爆速度/(m/s)155012001150115012001350145024503950临界起爆速度/(m/s)152511751125112511751325142524253925

2.2 结果分析

由表2可见,当动能块以大于40°撞击屏蔽装药时,装药临界起爆速度随盖板厚度和着角的增加逐渐增大;但以小角度撞击时,盖板厚度较小(10 mm)情况下临界起爆速度大体上随着角增大而增大,厚度较大(≥20 mm)情况下着角增大时,起爆速度变化不大或逐渐减小。分析原因如下:

1)着角大于40°,随盖板厚度增大,动能块因高速侵彻过程中的侵蚀作用,质量损失较大,欲引爆屏蔽装药,需提高速度,冲击波传播至炸药形成热点,使装药发生稳定爆炸反应。速度提高产生了更高动能,但大多损失在侵蚀盖板上,因此在该种情况下动能块主要通过冲击波引爆屏蔽装药。故大着角下临界起爆速度随着角稳定单调增加。

2)着角小于40°,盖板厚度大于等于20 mm时,临界起爆速度随着角变化不大。临界起爆速度与动能块作用炸药的等效接触面积有关。小于40°着角碰撞时动能块碎裂程度小,角度越大,接触面积越大,比动能越大。同时,动能块侵彻厚盖板产生崩落物降低了临界起爆速度。此外,仿真所用圆柱动能块长径比(3.75)与质量(211 g)均较大,对厚盖板具有更好的侵彻效果。

3)着角小于40°,盖板厚度10 mm时,临界起爆速度随角度增加而增大。分析该4种工况起爆过程发现,由于盖板较薄,动能块侵蚀盖板后形状质量几乎无损失,剩余速度和动能很大,几乎能够以全部能量作用于炸药,因此动能块主要依靠自身动能侵彻盖板后产生的应力波持续压缩炸药产生热点,从而引爆装药,与盖板较厚时规律不同。

4)当着角为10°和30°,盖板厚度10 mm工况下,出现了这两种工况的临界起爆速度高于同盖板厚度相邻角度计算结果的情况。分析两种工况下的引爆过程发现,动能块在侵蚀盖板进入装药后,对装药持续压缩后才可引爆装药。可见,动能块撞击屏蔽装药的反应发展过程复杂,对于薄盖板小撞击角侵彻,前导冲击波作用还是后续机械作用是难以区分的,引爆装药情况存在随机性。

由于各工况间起爆机理不同,且动能块着角与盖板厚度变化并非能够直接等效成盖板厚度的线性增加,所以难以采用传统的Jacobs-Roslund(J-R)经验公式进行拟合。在此,根据表2中临界起爆速度,采用较为简单的三次多项式形式,拟合得到临界起爆速度随着角和盖板厚度变化曲线,如图4、图5所示。

图4 临界起爆速度随着角变化曲线

由图4可见,盖板厚度较薄时,临界起爆速度随着角增大平缓增加,增速起初较缓慢,角度大于40°后加快;盖板较厚时,速度随着角存在先增大后减小过程,且减小(增大)速度随盖板厚度增大而加快,在碰撞角度40°附近存在极小值点,与上述原因分析一致。根据上述曲线,拟合得到临界起爆速度随碰撞角度在盖板不同厚度条件下的函数表达式为:

(2)

式中:VCr为临界起爆速度阈值(m/s);θ为撞击角((°));h为盖板厚度(mm)。

图5 临界起爆速度随盖板厚度变化曲线

由图5可见,大碰撞角时,起爆速度随盖板厚度增大稳定增加,碰撞角为80°近似线性增加;小碰撞角时,起爆速度随盖板厚度增大存在先增大后减小过程,在大厚度盖板情况下较明显,与上述原因分析一致。

3 结论

通过分析211 g动能块撞击屏蔽B炸药冲击引爆效应仿真计算,得到如下结论:

1)屏蔽B炸药的盖板厚度不同,起爆机理并不完全相同。着角小于40°时主要依靠动能块撞击产生的机械作用引爆装药;大于40°时主要依靠透射冲击波引爆装药。

2)临界起爆阈值速度随着角非线性变化,着角大于40°临界起爆速度随角度呈稳定单调增加,小于40°临界起爆速度变化规律与盖板厚度有关。

3)盖板大于20 mm情况下,引爆带壳CompB炸药的临界起爆速度存在极小值点,出现在着角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

高鹏(1990-),男,辽宁沈阳人,硕士研究生,研究方向:武器系统总体技术研究，通讯作者：徐豫新，讲师，博士，E-mail:xuyuxin@bit.edu.cn。

TJ410.2

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