新型含能材料爆炸驱动能力数值模拟研究

2021-05-13刘天浩孔德仁侯景华姜旻昉李东岳

测试技术学报 2021年2期

刘天浩，孔德仁，侯景华，姜旻昉，李东岳

(1. 南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094； 2. 中国酒泉卫星发射中心，甘肃酒泉 735000)

0 引言

新型含能材料相比于常规的材料体积较小，却包含了更加巨大的能量. 新型含能材料爆炸产生的爆炸冲击波具有较强的驱动能力，使破片附带超高的速度并沿膛口飞出，最直接能表示含能材料对预制破片驱动能力大小的就是破片飞出驱动装置后的最大速度[1]. 因此，利用AUTODYN进行模拟数值仿真来科学评价含能材料爆炸驱动破片的能力，为破片驱动能力试验提供数据支持和理论基础.

目前，国内外学者对爆炸驱动的研究较多. 罗智恒，向永，何碧[2]等人针对研发、检测弹药的安全性试验需求，通过分析高速破片加载的内弹道特性，结合身管结构的强度分析，设计了一种采用火药燃气驱动的高速破片发射装置，该装置口径为25 mm，长度为4 m. 最大装药量为200 g，发射最大破片质量为75 g，最大膛压可以达到250 MPa. 文中计算了速度、压力与装药量、破片质量的关系，并与试验结果进行比较，发现二者具有较好的一致性. 利用该发射装置，可将65 g质量的破片发射速度达到1 840 m/s，实现了破片的高速可控加速，可应用于弹药的破片撞击安全性考核；李广嘉，吕永柱[3]等人设计了一种破片高速加载装置，通过延长身管长度、加大药室装药量的方法来提高破片速度，并提出采用模拟破片考核破片高速加载装置，组建了模拟破片速度测量系统，针对3种破片工况分别展开了速度测试实验. 结果表明，该装置可以将15 g破片速度加载到2 164 m/s，且破片速度稳定，可以满足靶场测试需求，验证了该装置的实用性和有效性；杨相礼，何勇[4]等人为获得更精确的预制破片初速计算模型及破片变形与内衬层破裂半径对初速的影响规律，利用AUTODYN并采用Johnson-Cook本构模型和流固耦合算法对一种圆柱形预制破片进行了爆炸驱动仿真研究. 仿真结果表明：预制破片及修正后的钨合金破片的理论初速与仿真结果吻合较好，验证了计算模型的正确性.

本文利用非动力学软件AUTODYN建立了一种专用的爆炸驱动模型进行仿真，利用3种质量(50 g，100 g，200 g)下的3种含能材料(TNT，HMX-TNT，HMX)对同一破片进行爆炸驱动仿真研究. 得到3种含能材料爆炸作用下破片飞行速度时程曲线；对比分析不同质量同一含能材料爆炸破片速度时程曲线和同一质量下不同含能材料爆炸钨珠的速度时程曲线；绘制破片飞行速度，对含能材料质量和含能材料种类的三维曲面进行分析研究；并计算不同爆炸材料爆炸对钨珠的最大动量值，最终以最大速度和最大动量为基础评判上述3类材料的驱动能力大小.

1 爆炸驱动仿真模型总体设计

经过对公开发表的文章中爆炸驱动模型进行参考，对其主要部件及参数按照1∶1进行设计仿真建模，简化模型如图1 所示[5].

图1 爆炸驱动仿真模型Fig.1 Explosion-driven simulation model

经过某研究所多年来对含能材料压装情况的调研，发现当圆柱型装药长径比大于1.3以后，容易发生压装密度不均匀的情况，可能对爆炸驱动破片速度产生干扰，故确定长径比在1.3以下，本文经过计算将长径比确定约为1.2左右. 另一方面，从便捷性和安全性角度出发，新型含能材料装药量不宜过大，结合现有的压药模具并考虑长径比等进行综合考虑，确定当量为50 g，100 g，200 g. 各装药量长径如表1 所示.

表1 3种含能材料药柱长径表

破片选择球形Φ8 mm钨珠，Φ8钨珠是目前多种战斗部上应用比较广泛的球形破片，尺寸结构满足本次仿真实验需求并且球形破片在空气中飞行时迎风面保持不变. 根据钨珠尺寸，装药尺寸等设计破片驱动装置的仿真模型壳体. 通过加大壁厚来减缓壳体破裂时间，避免爆炸气体过早泄漏，使更多的爆炸能力作用于加速破片，使仿真结果更加精确可信.

加速管是钨珠加速的主要阶段，根据实际情况和理论研究，设计破片加速管道长度为80 mm，可以适当延长爆炸气体对破片的加速效果，并且出膛口后含能材料后效力较小，近乎完全爆炸，让仿真结果更加精确，基本简化模型如图2 所示.

图2 仿真材料模型Fig.2 Simulation material model

模型中空气为理想气体状态，密度为0.001 225 g/cm3，E=4.29*106J/Kg；装药为柱状含能材料裸装药，采用JWL状态方程[6，7]

式中：P为压力；V为体积；E为内能；A和B为材料参数；R1，R2和ω为常数. 其中3种含能材料具体参数如表2 所示.

表2 3种含能材料JWL方程基本参数

由于各个模型中材料的不同其对应的要求和求解方式也不同，所以各个部分选择对应的求解器进行求解. 含能材料爆炸后微粒在空气域中进行传播，所以选择Euler多物质求解器；为了确保仿真精度和遵循流体网格小于固体网格的要求，选取空气域网格为1 mm*1 mm，材料通过单元格进行流动；含能材料，外壳和钨珠都是固体材料，所以常采用Lagrange求解器进行求解计算. 在一个半密闭的装置内部放置3种材料，钨珠在爆炸产生的冲击波下经过加速管飞出，从而达到驱动破片的目的[8].

2 爆炸驱动数值模拟仿真结果分析

2.1 破片飞行速度仿真结果

本文在仿真实验上分别设置3种含能材料(TNT，HMX，HMX-TNT)和3种当量(50 g，100 g，200 g)的爆炸驱动破片仿真实验. 为了更加直观地研究不同含能材料爆炸驱动能力大小，利用破片速度进行间接表征不同材料的爆炸驱动能力. 在该设置下得到破片不同情况下速度时程曲线如图3 所示.

(a) 50 g TNT

(b)100 g TNT

(d)50 g HMX-TNT

(e)100 g HMX-TNT

(f)200 g HMX-TNT

(g)50 g HMX

(h)100 g HMX

(i)200 g HMX图3 3种含能材料不同当量爆炸驱动破片速度曲线Fig.3 Curves of explosion-driven fragmentation speeds of threeenergetic materials with different equivalents

对上述图3 中的曲线进行对比分析可以得到： ① 对于同一含能材料不同质量来说，破片最大飞行速度随着含能材料质量的增加而增大，即破片最大飞行速度与含能材料的质量呈正相关；破片达到最大飞行速度的时刻随着含能材料质量的增加而提前，即破片到达最大飞行速度时刻与含能材料质量呈负相关. ② 对于同一质量不同含能材料来说，破片最大飞行速度受含能材料的影响较大. 具体表现为：当含能材料由TNT到HMX-TNT(1∶1)到HMX变化的过程中，破片飞行速度曲线加速阶段更加陡峭，破片飞行最大速度也逐渐增大. 虽然不同材料爆炸驱动得到的破片速度各个阶段都存在差异，但速度曲线总体保持一致. ③ 随着驱动材料质量的增加，破片最大速度增长率也随之增长，可近似地认为破片最大飞行速度增长率和驱动材料质量成正相关.

2.2 不同含能材料驱动能力对比

由于上述曲线只能表示特定材料、特定当量下的破片最大飞行速度状态，所以无法从整体的结构上分析材料、装药质量大小对破片飞行速度的影响情况，将上述曲线中的数据进行提取，绘制成如图4 所示的破片最大飞行速度与装药质量和驱动材料之间的3位曲面.

对图4 曲面进行分析可以发现： ① 当TNT当量为50 g时，破片最大速度达到286.56 m/s；当TNT当量为100 g时，破片最大速度达到468.87 m/s；当TNT当量为200 g时，破片最大速度达到588.87 m/s； TNT当量由50 g～100 g过程中，破片最大飞行速度变化率为3.646 2 m/s每克TNT，TNT当量由100 g～200 g过程中，破片最大飞行速度变化率为1.2 m/s每克TNT. ② 当HMX-TNT当量为50 g时，破片最大速度达到326.29 m/s；当HMX-TNT当量为100 g时，破片最大速度达到525 m/s；当HMX-TNT当量为200 g时，破片最大速度达到655.78 m/s； HMX-TNT当量由50 g～100 g 过程中，破片最大飞行速度变化率为3.974 2 m/s 每克HMX-TNT； HMX-TNT当量由100 g～200 g过程中，破片最大飞行速度变化率为1.307 8 m/s每克HMX-TNT. ③ 当HMX当量为50 g时，破片最大速度达到329.43 m/s；当HMX当量为100 g时，破片最大速度达到483.72 m/s；当HMX当量为200 g时，破片最大速度达到777.35 m/s； HMX当量由50 g～100 g过程中，破片最大飞行速度变化率为3.085 8 m/s每克HMX； HMX当量由100 g～200 g过程中，破片最大飞行速度变化率为2.936 3 m/s每克HMX. 综合3同含能材料进行仿真实验得到的结果可以看出，在同一环境、同一状态和同一质量的3同原则前题下，随着含能材料当量的增加，其对破片最大飞行速度的影响逐渐减弱. ④ 图4 曲面从横向来看，TNT，HMX-TNT，HMX 3种含能材料爆炸驱动破片得到的最大速度HMX最大，HMX-TNT混合材料其次，最后是TNT；从纵向来看，同一含能材料随着质量不断增加，得到的驱动破片最大速度也不断增加，驱动能力也随之增加.

图4 破片飞行最大速度曲面Fig.4 Surface of the maximum speed of fragment flight

2.3 不同含能材料驱动能力表征

综上所述，HMX，HMX-TNT，TNT 3种材料爆炸驱动破片得到的速度大小各不相同，总体对3种爆炸材料爆炸驱动破片得到的最大速度趋势是： HMX>HMX-TNT>TNT；但随着钨珠质量大小的变化，破片最大飞行速度也会随之变化，所以需要寻求一种表征量，使得能对不同种爆炸材料的驱动能力和速度与驱动破片的质量相关联，因此本文在对爆炸材料的驱动能力表征上选用动量，计算不同材料驱动破片最大速度与破片质量的乘积结果来表征爆炸材料的驱动能力，动量计算公式为

I=mv,

式中：m为破片的质量；v为破片最大速度.

3种爆炸材料不同质量下最大动量如图5 所示.

图5 不同驱动材料不同质量下破片最大动量曲面Fig.5 Maximum momentum surface of fragment underdifferent driving materials and different masses

图5 曲面在一定程度上可以得到不同爆炸驱动材料的驱动能力与材料的类型和质量之间的关系，但无法定量进行分析，所以对图5 曲面中的数据进行提取，如表3 所示.

表3 3种含能材料下破片最大冲量

对表3 进行分析可得： TNT，HMX-TNT，HMX 3种含能爆炸材料在保持装药质量一定的情况下，HMX的动量数值最大，HMX-TNT其次，TNT最小. 在同一材料，不同装药质量的情况下，破片最大动量随装药质量的增加而增大，所以破片最大动量与装药质量成正比. 对于上述3种驱动材料，综合考虑装药质量和爆炸材料种类，可以得出3种爆炸材料对于破片驱动能力大小由高到低分别为HMX> HMX-TNT>TNT[9，10].