CL-20基PBX炸药冲击波感度数值模拟

梁晓勇， 吕春玲， 张　俊，， 周得才， 张景林

(1. 中北大学化工与环境学院， 山西 太原 030051； 2. 湖北三江航天红林探控有限公司， 湖北 孝感 432000)



CL-20基PBX炸药冲击波感度数值模拟

梁晓勇1， 吕春玲1， 张俊1，2， 周得才2， 张景林1

(1. 中北大学化工与环境学院， 山西 太原 030051； 2. 湖北三江航天红林探控有限公司， 湖北 孝感 432000)

为研究CL-20基PBX炸药的冲击波感度，采用显式动力学有限元程序——ANSYS/LS-DYNA软件，运用ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)算法对某 CL-20基 PBX炸药在冲击波作用下的临界起爆特性进行了数值模拟，计算出该炸药临界隔板厚度值在24.56～25.7 mm范围内。通过大隔板试验进行了验证，得出试样50%发生爆轰的隔板厚度L50=25.23 mm，与数值模拟结果基本吻合。

数值模拟； CL-20； PBX炸药； 冲击波感度； 大隔板试验

六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)是目前世界上能量密度最高的单质炸药之一，以 CL-20为主体的混合炸药具有高爆速、高爆压等特性，具有良好的应用前景，受到研究者的广泛关注[1]。

冲击波感度是指在冲击波作用下炸药发生爆轰的难易程度。由于冲击波起爆是炸药起爆的主要形式，因此冲击波感度对评价炸药的起爆和安全性都具有十分重要的作用，它反映炸药是否具有良好战地生存能力和准确、可靠的起爆性能[2]。大隔板试验[3]是测试含能材料冲击波感度的一种常用方法。但是，在冲击波感度测试过程中，药柱的传爆及起爆存在随机性，必须进行大量的试验，取50%爆轰隔板值作为试验结果。因此，冲击波感度测试耗费大，且消耗大量人力及物力。随着计算机科学及有限元仿真技术的发展，通过计算机数值模拟的方法可以较为有效地模拟出冲击波感度隔板临界值(区间值)，从而减少大隔板试验量、提高试验准确度，有效地降低成本。李龙飞等[4]运用有限元软件AUTODYN对TATB 基 PBX 炸药进行了小隔板试验数值模拟，得出其临界隔板值在5.5～5.7 mm范围内，临界起爆压力在3.19～3.44 GPa范围内；姜夕博等[5]运用有限元软件AUTODYN对冲击波在有机玻璃中的衰减特性进行了数值模拟和试验研究，得出随着隔板长度的增加，侧向稀疏波的影响将会越来越显著；章少方[6]运用有限元软件LS-DYNA中的Lagrange算法对复合装药爆轰能量输出及冲击波感度进行了数值模拟研究，得出复合装药的冲击波感度在以HMX为基的高感炸药及以TATB为基的钝感炸药之间。以上研究均运用了Lagrange算法对相关的炸药进行冲击波感度数值模拟，该算法在处理大变形问题时会出现严重的网格畸变现象，造成数值计算困难。由于大型有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA中的ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)算法[7]兼具Lagrange算法和Euler算法的优点，能较好地处理因固体结构大变形而引起的有限元网格严重畸形问题，因此笔者利用其对CL-20基PBX炸药的冲击波感度进行数值模拟，并通过大隔板试验进行验证。

1　数值模拟

1.1模型的设计与构建

本文采用大隔板试验装置作为参考模型，如图1所示。模型中主发药柱为特屈儿，密度为1.57 g/cm3，直径40 mm，高25 mm，隔板为三醋酸纤维素酯片，长40 mm，宽40 mm，厚0.19 mm；受主炸药为3个φ25 mm×25 mm的药柱，其被一个厚度为3.5 mm的薄壳体约束叠加起来组成；鉴定板为Q235A级钢，直径100 mm，厚6 mm。

图1　大隔板试验装置

在不影响数值模拟结果的前提下，为了方便建模和划分网格，隔板厚度20 mm时网格划分及检测点分布如图2所示(加空气域，且在受主炸药上设置7个点，用来监测受主炸药压力变化情况，不同厚度隔板使用相同的检测点)。对有限元模型进行如下的简化处理：1)通过ANSYS前处理对主发药柱设置起爆点，对受主炸药设置约束，雷管、雷管座和薄壳体可不用建模；2)将隔板改为直径40 mm圆形隔板，并用相类似的材料环氧树脂代替三醋酸纤维素酯片；3)将主发药柱和受主炸药考虑为均质炸药进行计算；4)由于整个模型对称，故只需建立1/4有限元模型，如图3所示。

图2　隔板厚度20 mm时网格划分及检测点分布

图3　计算模型

1.2状态方程及材料主要参数

运用溶液-水悬浮法制备CL-20基PBX炸药，其主要成分为5%粘结剂、1%石蜡、1%石墨和93% CL-20，通过压装得到密度为1.89 g/cm3的药柱。主发药柱特屈儿采用JWL状态方程，受主炸药CL-20基PBX炸药采用关键字*EOS_IGNITION_AND_GROWTH_OF_REACTION_IN_HE(即点火增长方程)。CL-20基PBX炸药和特屈儿的主要参数[8]如表1所示。

表1　CL-20基PBX炸药和特屈儿的主要参数

注：A、B、R1、R2和ω为试验确定的常数；E0为初始内能密度。

鉴定板、隔板采用John-Cook材料本构模型，其主要参数分别如表2、3所示。隔板和鉴定板采用Lagrange算法进行数值模拟计算，主发药柱、受主炸药和空气(密度为1.292 9×10-3g/cm3)采用Euler算法进行数值模拟计算，采用空气作为流体，加空气域的计算模型如图4所示。采用关键字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLD实现流固耦合。

表2　鉴定板的主要参数

注：A1、B1、C、n和m为试验确定的常数；T*为相对温度。

表3　隔板的主要参数

图4　加空气域的计算模型

1.3大隔板试验方法

根据经验和试样的性质，估计试样50%爆轰的隔板厚度L1，并确定步长d，对于一般试样，可选d=1.14 mm。

采用估计的隔板厚度L1和步长d进行预备试验，开始可用(4～8)d值作为步长，当相邻的2次试验出现相反的结果时，步长减小一半继续试验，直到步长变为选定的d值为止；然后以恒定步长d进行试验，有效试验次数不小于20次。试验后如鉴定板上有一明显的孔，则判断为爆轰；否则，判断为未爆轰。

2　数值模拟结果与讨论

2.1数值模拟结果

由文献[8]可知：初次设定CL-20冲击波感度大隔板厚度L1=20 mm。图5为不同隔板厚度下鉴定板数值模拟结果，可以看出：当L1=20，24.56 mm时，CL-20基PBX受主炸药完全爆轰；当L1=25.7 mm时，受主炸药并未发生爆轰。由此可知：临界隔板厚度值在24.56～25.7 mm范围内。

图5　不同隔板厚度下鉴定板数值模拟结果

2.2分析与讨论

图6为不同隔板厚度下受主炸药爆轰的模拟效果。可以看出：当隔板厚度L1=20，24.56 mm时，在1.5 μs主发药柱开始爆轰，在4 μs主发药柱产生冲击波，从而穿过隔板直接起爆受主炸药，在6 μs受主炸药达到稳定爆轰，在9.5 μs受主炸药爆轰波到达鉴定板表面，鉴定板有一明显孔洞，则判定受主炸药完全爆轰；当L1=25.7 mm时，主发药柱在1.5 μs开始爆轰，在4 μs其冲击波穿过隔板并逐渐衰减，并没有起爆CL-20基PBX炸药，在6 μs冲击波逐渐衰减，在9.5 μs冲击波到达鉴定板表面，冲击波能量几乎衰减至0，鉴定板上无明显的孔洞，则判定受主炸药未发生爆轰。

图6　不同隔板厚度下受主炸药爆轰的模拟效果

图7为不同隔板厚度下受主炸药压力分布。通过分析发现：当L1=20，24.56 mm时，主发药柱冲击波穿过隔板起爆受主炸药，受主炸药由不稳定爆轰逐渐变为稳定爆轰(开始阶段压力高可能是因为隔板起到一定约束作用，导致冲击波形成反射叠加)，爆轰波10 μs到达鉴定板，鉴定板对爆轰波也存在反射作用，形成反射叠加，导致压力增大；当L1=25.7 mm时，主发药柱产生的冲击波穿过隔板，因惰性隔板作用，冲击波能量衰减较大，导致受主炸药因起爆能量不够而未发生爆轰，冲击波能量呈递减状态，到10 μs到达鉴定板，能量几乎衰减为0，可以判定受主炸药未爆轰。

图7　不同隔板厚度下受主炸药压力分布

3　试验验证

为了进一步验证数值模拟结果的有效性，按照大隔板试验方法对CL-20基PBX炸药(压装密度为(1.89 ±0.02 )g/cm3)进行试验，根据临界隔板数值模拟结果(24.56～25.7 mm)，选择隔板厚度L1=25 mm，步长d=1.14 mm，采用升降法进行大隔板试验。大隔板试验装置装配如图8所示。

图8　大隔板试验装置装配

大隔板试验数据如表4所示，可以看出：大隔板试验发生完全爆轰的隔板厚度为23.86 mm，随机发生爆轰的隔板厚度为25 mm，完全未发生爆轰的隔板厚度为26.14 mm。

发生爆轰前后鉴定板效果对比如图9所示，根据文献[3]中的计算方法可得出试样50%发生爆轰的隔板值L50=25.23 mm，该结果与数值模拟结果基本吻合。

表4　大隔板试验数据

图9　发生爆轰前后鉴定板效果对比

4　结论

本文采用ANSYS/LS-DYNA软件的ALE算法对某 CL-20基 PBX炸药的冲击波感度进行了数值模拟，并通过大隔板试验进行了验证，结果表明数值模拟结果与试验结果基本吻合。炸药的冲击波感度数值模拟方法可以极大地提高大隔板试验效率、降低成本，为探讨冲击波的传播规律和特性提供了一种新思路。然而，本文中大隔板冲击波感度数值模拟计算模型是固定的，如果改变炸药成分，模拟参数就会改变；此外，如果保持网格密度不变，在进行计算时就可能出现负体积，致使计算中止。因此，该计算模型的应用受到限制，下一阶段研究的重点是处理好模拟参数和网格密度之间的关系。

[1]王昕,彭翠枝.国外六硝基六氮杂异伍兹烷的发展现状[J].火炸药学报,2007,30(5):45-48．

[2]任务正,王泽山.火炸药理论与实践[Z].北京:中国北方化学工业总公司,2001.

[3]GJB772A—97 炸药试验方法[S].

[4]李龙飞,王晶禹,候聪花. TATB 基 PBX 炸药冲击波感度数值模拟研究[J].火工品,2014，(6): 32-34.

[5]姜夕博,饶国宁,徐森,等.冲击波在有机玻璃中衰减特性的数值模拟与试验研究[J].南京理工大学学报,2012,36 (6):1059-1064.

[6]章少方.复合装药爆轰能量输出及冲击波感度的数值模拟研究[D].南京：南京理工大学,2010.

[7]王泽鹏. ANSYS13.0/ LS-DYNA非线性有限元分析实例指导教程[M].北京:机械工业出版社,2011:346-352.

[8]欧育湘,孟征,刘进全.高能量密度化合物CL-20应用研究进展[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2007, 26(12):1690-1694.

(责任编辑: 尚彩娟)

Numerical Simulation on the Shock Wave Sensitivity of CL-20 Based PBX Explosive

LIANG Xiao-yong1, LÜ Chun-ling1, ZHANG Jun1,2, ZHOU De-cai2, ZHANG Jing-lin1

(1. School of Chemical and Environmental Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China；2. Hubei Space Sanjiang Honglin Detection and Control Co.Ltd, Xiaogan 432000, China)

In order to study the shock wave sensitivity of CL-20 based PBX explosive, using the explicit dynamic finite element program ANSYS/LS-DYNA software, and the ALE (Arbitrary Lagrange-Euler) algorithm, the characteristics of the critical initiation for a certain CL-20 based PBX explosive under the effect of shock wave are simulated, and the critical value of the bulkhead thickness is calculated between 24.56 mm and 25.7 mm. The reliability of numerical simulation results is verified through large gap test, the test results show that its bulkhead thicknessL50=25.23 mm in 50% detonation, which is consistent with the numerical simulation results.

numerical simulation; CL-20; PBX explosive; shock wave sensitivity; large gap test

1672-1497(2016)04-0068-05

2016-04-28

梁晓勇(1990-)，男，硕士研究生。

TQ56； TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.013