关于引爆炸药的阈值速度与临界直径的数值模拟

山西中北大学机电工程学院 赵春龙 王志军

关于引爆炸药的阈值速度与临界直径的数值模拟

山西中北大学机电工程学院 赵春龙 王志军

为了研究铜射流与特氟龙射流冲击起爆爆炸反应装甲，提高破甲弹的侵彻能力，更有效地摧毁其后的设备与人员，使用非线性动力学显式autodyn软件对铜射流冲击B炸药进行了数值仿真研究。数值仿真研究结果表明：屏蔽板、背板对炸药的冲击起爆有着明显的效果，并且背板的作用效果更佳明显；特氟龙射流比铜射流更容易对带壳装药实现穿而不爆。

B炸药；阈值速度；临界直径；射流

引言

被誉为陆战之王的坦克主要作用是对抗反装甲弹药。世界各国采用新原理、新材料、新结构的方法，普遍增强了坦克装甲的防护能力，尤其是反应装甲等技术被广泛采用，极大地增强了坦克的防御能力。坦克已经成为防护好、火力猛、高速、高机动性的移动堡垒，给传统的反装甲弹药提出了严峻的考验，尤其削弱了破甲弹的侵彻能力，为了更有效地摧毁披挂反应装甲后面的人员及设备［1-2］，串联战斗部技术有效地解决了此类问题。

本文选择B炸药作为被发炸药，使用显式动力学分析软件autodyn，研究了铜射流与特氟龙射流冲击裸炸药、仅带面板炸药、仅有背板的炸药情况，得出了面板、背板对B炸药冲击起爆的影响规律。

1 材料及有限元模型

1.1 材料模型及参数

本文主要涉及特氟龙、铜、B炸药以及30CrMnSi四种材料，研究了壳体对炸药冲击起爆的影响，壳体使用30CrMnSi。射流的压缩、拉伸导致材料发生大的变形，使用处理大变形问题的EULER网格，B炸药及30CrMnSi使用拉格朗日网格，整个模型采用流固耦合的方式进行耦合，材料模型如表1所示。

表1 材料模型

autodyn中α值（大于零且小于等于1）与高斯点的压力值确定炸药的爆炸情况，当α小于1时，被发炸药基本未反应，当α值为1且高斯点的压力小于20 GPa，认为被发炸药部分反应，当α值为1且大部分观测点的压力大于20GPa，认为炸药发生了爆轰。

1.2 有限元模型

为了节约计算资源，建立了二分之一的有限元模型，被发B炸药中间部位设置13个压力观测点如图2所示，以便观测B炸药压力随铜射流侵彻的变化情况，B炸药的厚度为4mm，壳体厚度为2mm［3-4］。数值模拟中单位制为：cm-g-μs-Mbar。计算中的有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型

2 数值模拟

数值模拟在不同速度与直径下，得出铜射流与特氟龙射流冲击B炸药的引爆区域。

2.1 裸炸药

当一定的速度与直径的射流，冲击片状B炸药时，根据判据及反应度，可以得到图2所示的炸药反应区域。

图2 裸炸药冲击起爆规律

由图2可知，所研究的射流冲击裸炸药时，无法引爆B炸药；当射流直径小于一定值时，随着速度的增大，被发炸药处于基本未反应区域，但随着速度与直径的增大，B炸药的反应程度变大，更容易发生局部反应。当射流冲击B炸药时，铜射流比特氟龙射流更容易使炸药发生爆燃，且爆燃区域大。

2.2 面板

为了研究背板对射流冲击炸药的作用，当仅有屏蔽板如图2 （b）所示，屏蔽板对被发B炸药冲击起爆有明显的影响。

图3 带面板炸药冲击起爆规律

由图3与图2对比可知，一方面，屏蔽板增大了被发炸药的基本未反应的区域，另一方面，也直接导致了被发炸药的爆炸。图3对比可知，特氟龙更容易实现带屏蔽板B炸药的穿而不爆。

炸药前面放置高强度屏蔽版，不仅减小了射流冲击炸药的作用力，使得炸药的基本未反应区域变大，而且延长了炸药分解区域中压力的下降时间，导致了被发炸药发生大变形或形成了局部的损伤区域，使得被发炸药冲击波阵面后分解加剧，因此炸药发生了爆轰。

2.3 背板

为了研究背板对射流冲击炸药的作用，当仅有背板如图4所示，背板对被发B炸药冲击起爆有明显的影响。

图4 带背板炸药冲击起爆规律

由图4与图2对比可知，一方面，背板减少了被发炸药的基本未反应的区域，另一方面，也能导致被发炸药的爆炸，其作用效果比屏蔽板更加明显。图4对比可知，在有背板的时候，特氟龙穿而不爆的区域更大。

由于背板的存在，使被发炸药不同于带屏蔽板装药，对被发炸药背面进行固定约束，当冲击波传播到炸药与背板交界处时，冲击波造成的冲击压力经反射叠加增强；冲击波从低声阻抗炸药介质到高声阻抗金属板介质的传播过程，其反射效果更加明显。

3 结论

综上所述，当射流冲击炸药冲时由于面板、背板对炸药作用，导致了炸药更容易被引爆；当射流冲击B炸药时，为了实现对炸药的穿而不爆，特氟龙射流比铜射流效果更佳明显。此外还得出以下结论：

（1）铜射流与特氟龙射流冲击4mm厚度的裸炸药时，B炸药并未发生明显的爆炸情况。

（2）屏蔽板与背板对炸药的冲击起爆都有影响，且背板的影响效果更明显。

（3）屏蔽板与背板共同作用时，对射流的冲击起爆最明显。

［1］尹建平，王志军等.弹药学［M］.北京：北京理工大学出版社，2014：92-133.

［2］李小笠，赵国志，李文彬.长杆体垂直冲击带盖板炸药的临界起爆判据［J］.弹道学报，2004，16（2）：51-55.

［3］顾红军，刘宏伟.聚能射流及防护［M］.北京：国防工业出版社，2009：17-18.

［4］董方栋.低密度射流对带壳装药冲击起爆的研究［D］.太原：中北大学，2014.