大质量钨破片冲击多层间隙盖板炸药数值模拟与试验研究

梁 斌,冯高鹏,周婕群,魏雪婷,朱永清

(中国工程物理研究院 总体工程研究所,四川 绵阳 621900)

大质量钨破片冲击多层间隙盖板炸药数值模拟与试验研究

梁 斌,冯高鹏,周婕群,魏雪婷,朱永清

(中国工程物理研究院 总体工程研究所,四川 绵阳 621900)

为分析大质量破片对多层盖板炸药冲击起爆阈值的影响因素,采用SPH和FEM相结合的方法开展了不同盖板厚度和不同盖板间隔情况对起爆阈值影响的数值模拟。在此基础上,采用二级轻气炮作为加载手段,进行了大质量钨合金破片冲击不同盖板及间隙情况下炸药冲击起爆试验研究,获得了起爆阈值。数值模拟与试验结果相一致,表明采用SPH与FEM相结合的方法可以较好地模拟此类问题。通过拟合得到了大质量破片冲击起爆阈值速度与冲击角度之间的经验关系式。分析结果表明,大质量破片冲击产生的大量二次破片对起爆阈值速度和起爆延迟时间具有较大的影响。

爆炸力学;冲击起爆;数值模拟;光滑粒子法;起爆阈值

Abstract:In order to investigate the influence factor of large-mass fragments on shock initiation,the smoothed particle hydrodynamics(SPH)and finite element method(FEM)was combined,and the influence of different thinckness and different spacing of cover plates on initiation threshold was numerically simulated.The two-stage gas gun was applied,and the experiment of large-mass tungsten fragments impacting explosive was carried out.The critical initiation velocity was obtained.The simulation results are consistent with experimental results,and the SPH/FEM coupling method can be applied to analyze the velocity shock initiation problem.The correlations between critical initiation velocity and oblique impact angle were obtained by data fitting.Results show that the secondary fragments deriving from tungsten fragments have an important effect on the initiation velocity and the initiation delay-time.

Keywords:mechanics of explosion;shock initiation;numerical simulation;smoothed particle hydrodynamics;critical initiation velocity

装药冲击安全性、反导战斗部设计以及炸药存储安全性等工程问题中,装药的冲击起爆特性备受关注。反导战斗部通常采用装药爆炸产生的高速预制/半预制小质量破片(几克至十几克)引爆来袭导弹装药,实现对导弹的有效拦截。但随着制导弹药防护性能的增强,传统的反导弹药产生的小质量破片难以引爆来袭导弹,其反导性能受到严峻挑战。据此,国外研制了新型的大质量重金属破片战斗部,如爱国者-3(PAC-3)动能栏截弹,其采用24枚200余克的破片作为毁伤元[1],成功拦截“飞毛腿”等战术导弹。

对大多数战术导弹战斗部装药结构,可将此问题简化为破片对具有一定厚度和间隙的多层盖板装药的冲击起爆问题,涉及破片穿甲过程,壳体与炸药在高温、高压、高应变率下非定常的多相复杂反应过程[2-6],从理论上研究该问题存在较大的难度和挑战性。目前研究者广泛采用数值模拟并由少量试验对其进行验证的方法进行研究。当前,国内外学者对小质量破片冲击单层无间隙盖板炸药这类问题进行了大量研究[7-10],但是由于高速加载以及防护等困难,对于超过100 g的大质量破片冲击起爆研究较少[11],对于大质量破片冲击带间隙的多层盖板炸药起爆问题方面的研究鲜见公开报道。鉴于此,本文采用SPH(smoothed particle hydrodynamics)和FEM(finite element method)相结合的数值建模方法,运用“升-降”法对大质量钨破片冲击多层间隙盖板炸药起爆性能进行了模拟。在此基础上,采用二级轻气炮作为加载手段,开展了大质量钨破片冲击不同间隙盖板炸药起爆试验,验证了数值模拟结果;获得了影响大质量破片冲击多层间隔盖板炸药起爆阈值的主要因素。

1 数值建模方法与材料模型验证

对于破片冲击起爆问题,当前广泛采用的是Lee和Tarver[4-5]在Cochran方程的基础上提出的反应速率方程及点火—燃烧—快反应三项形式的反应速率方程[6-7],其计算结果与其PoP(progresses of a propagating)和压力历程曲线都符合较好,因此本文采用该模型研究冲击起爆过程。高速冲击过程中,破片和靶板将出现较大变形和破坏,单独采用Lagrange、ALE(arbitrary langrange eluer)方法均难以重现整个物理过程,为此,本文采用有限元与光滑粒子相结合的方法对该问题进行建模与分析。

1.1 数值建模

本文主要基于文献[9]试验,并参考文献[10-12]中数值模拟材料模型及参数,建立破片冲击带盖板炸药的冲击起爆模型,通过数值模拟与试验结果比对,验证数值模型。依据试验,建立不同直径钨珠冲击3.65 mm厚的钽盖板及与之接触50 mm厚的B炸药。

建模中,钨珠采用SPH粒子,粒子直径为0.5 mm。盖板、炸药采用Lagrange网格。根据炸药爆轰波宽度,网格划分尺寸控制在0.5 mm以内。钨珠与盖板、炸药以及盖板与炸药之间采用接触算法,根据对称性,建立四分之一模型,在炸药不同位置设置测量点,如图1所示。

1.2 材料模型及其主要参数

炸药的冲击响应采用Lee-Tarver三项式点火增长模型模拟[4,13],该方程可很好地模拟非均匀炸药的冲击起爆特性:

(1)

式中:F是反应率,即反应炸药与未反应炸药之比;a,b,c,d,G1,G2,I,u,s,w,e,f为炸药参数。

采用JWL状态方程描述炸药的反应物和未反应物,该方程描述了压力与相对体积V、单位体积以及初始能量E的关系:

(2)

式中:ω,R1,R2,A,B为炸药常数;E为CJ爆轰释放的内能。

本文采用高能B炸药,主要参数如表1、表2[10,13-14]所示。

表1 B炸药Lee-Tarver模型参数

表2 B炸药JWL状态方程参数

应用Johnson-Cook强度模型和Gruneison状态方程[14-15]描述钨和坦材料。其主要参数取自AUTODYN材料库[13]。

1.3 数值模拟模型验证

为模拟不同直径D钨珠对盖板炸药的冲击起爆阈值,采用了“升降法”。钨破片冲击起爆过程中炸药压力与反应率云纹如图2、图3所示,从图中可以看出,破片高速冲击情况下,在几μs时炸药局部反应率就达到1,大约10 μs时,炸药峰值压力就上升到29 GPa,随后剩余炸药很快反应。单个破片冲击带盖板B炸药的起爆压力阈值约为7 GPa,与文献[2]中给出的起爆阈值一致。

单个和多个钨球冲击接触盖板炸药的影响因素及炸药反应过程,具体见文献[10,15]。

表3给出了不同直径钨珠冲击盖板炸药起爆阈值。数值模拟计算得到的起爆阈值和文献中冲击起爆试验结果一致,验证了本文数值建模方法及模型参数的合理性。

表3 不同直径钨珠冲击盖板炸药起爆阈值对比

2 大质量钨破片冲击盖板炸药数值建模与分析

2.1 SPH与FEM相结合方法冲击起爆数值建模

破片与盖板在高速冲击情况下存在较大的变形和破坏,其网格存在畸变,导致计算精度降低和计算时间步长变小。为此,破片和玻璃钢、铝板和钢板采用SPH粒子,炸药采用Lagrange单元,SPH粒子直径和炸药单元尺寸均为0.5 mm。破片与靶体以及靶体之间采用接触算法,为减小边界的影响,炸药侧面和下表面采用无反射边界条件。

对2种破片、4种靶体进行建模,如表4、表5所示。表中,m1,l1,b1,h2分别为破片的质量、长、宽和高。由于破片着角θ超过80°后出现跳飞,因此着角θ计算范围取值从0°到80°,间隔5°。

表4 破片结构参数

表5 靶体结构参数

图4给出了钨破片1(记为F1)和钨破片2(记为F2)以着角θ=70°冲击靶体4(记为T4)的数值计算模型,为了测取炸药在冲击过程中的响应,在炸药中设置了不同测取点,记为G1,…,G7。

2.2 多层间隔盖板炸药冲击起爆数值模拟结果

采用升降法对不同情况冲击过程进行了数值模拟,根据起爆结果调整破片着靶速度,其调整速度最小间隔为25 m/s,直至获得起爆和未起爆的速度值。图5、图6分别给出了破片F1以60°着角冲击不同盖板炸药压力与炸药反应率云图。由图可见,破片F1以1 475 m/s速度冲击无间隙盖板炸药,在50 μs时刻炸药起爆,而破片1以同样角度冲击3层间隔盖板炸药,需要2 025 m/s的速度才能起爆,从炸药中监测点可看出,其起爆所需时间约为70 μs,起爆时间较冲击无间隙盖板炸药靶体情况长。

图7、图8给出了破片F1以3 250 m/s速度、80°着角冲击靶板T4的过程及监测点压力曲线,从图7中可看出,高速冲击过程中靶板破碎产生大量的二次破片,并与冲击方向呈一定角度向四周飞散,其中一部分破片冲击下层盖板。尽管钨破片在100.0 μs时已从第一层靶面跳飞,但大量二次破片对下层盖板炸药持续冲击,致使炸药在约110 μs时刻被引爆,见图8。

图9给出了钨破片对不同盖板炸药冲击起爆的着角与速度阈值。从图中可看出,破片着角小于30°时,着角对起爆阈值影响较小,当着角超过60°时,起爆阈值随着角增加迅速增大,当着角超过70°时,起爆阈值的增加尤为突出,主要是因为此时破片出现跳飞,起爆主要靠二次破片的累积和持续的冲击效应引爆炸药。

靶板间隙对引爆阈值也有较大的影响,对于本文中计算条件,多层间隙盖板炸药的冲击起爆阈值较盖板炸药接触情况起爆阈值高20%～40%,其差距随着角的增加而增大。在有间隙情况下,钨破片开始阶段冲击上层靶板产生的冲击波难以直接传入炸药中,只有在破片穿透复合材料与铝靶后冲击与炸药接触的盖板产生的冲击波才能对炸药起爆产生直接作用。如果破片着角大于临界跳飞角,则钨破片将不能直接冲击与炸药接触的盖板,此时炸药的起爆仅靠二次破片冲击作用[11],因此,此时起爆阈值与无间隙情况差距进一步增大。

3 大质量破片冲击多层间隔盖板炸药试验

3.1 试验布局

为验证上述计算结果以及分析弹靶交汇条件对起爆阈值的影响,设计了不同角度钨破片冲击间隔盖板炸药试验。破片及试验布局如图10所示。破片通过二级轻气炮发射并加速到预定的速度。盖板炸药试验件、见证板及压力传感器均通过安装板安装在密闭防爆容器中。压力传感器安装在见证板前端,测量破片冲击后爆炸容器中的压力。

3.2 试验状态判定

破片冲击盖板炸药可能出现未反应、燃烧、局部爆轰、完全爆轰等状态。判断依据如下:

①未反应。压力信号与典型应力波振荡衰减波形相似,试验后盖板变形不明显,靶室有大量残余颗粒状炸药。

②爆燃。压力信号无爆轰特征波形,试验后盖板向前变形不明显,侧板有明显燃烧痕迹,且侧板与上挂板之间间隙有较多粉末状残余炸药。

③局部爆轰。压力波形在破片撞击盖板后紧随出现峰值,试验后盖板向前、侧板向外变形较明显,侧板与顶板之间的间隙、侧板上方有较多蜡状残余炸药以及明显的燃烧痕迹。

④完全爆轰。压力波形和典型的爆轰波波形相似,试验后盖板炸药部分形成比炸药直径稍大的圆形破孔,侧板向外严重变形,顶板及其支撑结构变形隆起,靶室内壁、顶板、侧板上方无残余炸药。

具体判定过程中,压力波形作为首要判断依据,然后根据试验后盖板、侧板等情况综合分析进行判定。

3.3 试验引爆阈值确定方法

破片撞击盖板炸药的反应十分复杂,由于诸如碰撞压力,环境温度、湿度,炸药与盖板结合紧密情况等多种因素的作用,使其爆炸程度在引爆阈值速度附近与撞击速度并不是严格的单调线性关系。

引爆阈值速度计算原则:某一碰撞角下引爆阈值速度取局部爆炸状态的最低速度与未爆状态最高速度的平均值。若某碰撞角度下无未爆状态,则阈值取爆燃与局部爆炸相近速度的平均值。若某碰撞角度下既无未爆状态又无局部爆炸状态,则其阈值取最高爆燃状态速度。

3.4 冲击起爆试验结果与分析

试验获得16发有效数据。不同状态下测试获得的典型压力历程曲线如图11所示。图中,YB-14-ch4表示第14发试验中第4个传感器所测数据,其余依次类推。破片以70°着角冲击间隙盖板炸药试验后见证板破坏以及盖板炸药如图12和图13所示。

70°碰撞角状态共进行6次试验,数据采集成功5次,具体如表6所示。其中YB-14和YB-15试验压力信号于2 000 μs附近与典型应力波振荡衰减波形相似(图11(a)),试验后盖板向前变形不明显,靶室内有残余颗粒状炸药(图12),状态判断为未爆。YB-10试验压力波形在2 000 μs附近出现峰值(图11(c)),试验后盖板向前、侧板向外变形较明显,侧板与顶板之间的间隙、侧板上方有较多蜡状残余炸药以及明显燃烧痕迹(图13),状态判为局部爆炸。该状态下引爆阈值速度按上述计算方法,取YB-10,YB-14发射速度平均值为2 360 m/s,综合上述分析认为该值为70°着角冲击情况下的起爆阈值。

分析试验结果,着角θ分别为30°,60°,70°,80°下引爆阈值分别为1 716 m/s,2 085 m/s,2 420 m/s,3 150 m/s。对试验引爆阈值进行指数方程拟合,获得引爆阈值经验曲线如图14(a)。图14(b)给出了数值模拟与试验引爆阈值的对比,并对数值模拟阈值进行指数方程拟合,其中,拟合方程为y=A1exp(x/t1)+y0,R2=0.996,y0=1.510±0.034,A1=0.036±0.011,t1=21.199±1.704。

表6 破片以70°着角冲击时试验状态

从图14可知,破片冲击引爆阈值vp随冲击角度增大呈指数增大,当冲击角度超过70°后,引爆阈值急剧增加,这主要是由于超过一定角度后,破片冲击出现跳飞情况,主要依靠冲击产生的二次破片来引爆炸药,其趋势与前述数值模拟结果一致。从图14(b)可看出,数值模拟获得的起爆阈值与试验获得的起爆阈值吻合较好,说明本文采用的数值建模与分析方法具有一定的合理性,可用于此类问题的模拟分析。

4 结束语

采用SPH与FEM相结合的方法建立了破片冲击多层间隔盖板炸药数值模型,开展了破片在不同冲击角度下的冲击引爆试验研究,获得以下初步结论:

①数值模拟获得的引爆阈值与试验结果一致,说明采用SPH与FEM相结合的方法可有效模拟大质量破片对多层间隔盖板炸药冲击起爆问题;

②大质量破片对多层间隔盖板炸药冲击产生的二次破片对起爆阈值具有重要影响,其起爆时间相对较长,二次破片与大质量破片共同引起炸药的反应;

③大质量破片对多层间隙盖板炸药的引爆阈值随破片冲击角度的增加呈指数增长。当着角超过70°时,引爆阈值急剧增大,着角大于80°时,因破片出现跳飞,炸药难以引爆。

由于影响大质量破片对多层间隙盖板炸药冲击起爆阈值的因素较多,如炸药配方、装填工艺、内部缺陷等,同时还受某些随机因素的影响,很难对某类炸药给出明确的起爆阈值,工程中往往给出特定条件下的起爆概率,其起爆机理及影响因素还需开展大量的研究工作。

致谢中国工程物理研究院化工材料研究所对试验装药、空气动力研究中心第四研究所对试验实施给予了大力支持,在此表示感谢。

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NumericalSimulationandExperimentalStudyontheExplosiveWithMulti-layerIntervalTargetsImpactedbyLarge-massTungstenFragments

LIANG Bin,FENG Gao-peng,ZHOU Jie-qun,WEI Xue-ting,ZHU Yong-qing

(Institute of Systems of Engineering,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China)

2016-12-10

国家自然科学基金项目(11672278)

梁斌(1976- ),男,高级工程师,博士,研究方向为常规武器研制及毁伤评估。E-mail:lb_110119@163.com。

TJ038;TH213.3

A

1004-499X(2017)03-0056-07