高过载条件下火工品装药的响应特性

王威威 耿继东 鲁楠

摘要：火工品是武器弹药的首发部件及始发能源，为高新武器装备提供高新火工技术支撑，是整个国防工业的基础专业及核心基础技术之一。本文采用非线性显式动力学仿真软件ANSYS/LS-DYNA，计算空气炮高过载试验装置发射的弹体撞击钢靶及混凝土靶板时独脚桥丝电雷管的损伤过程。分析了装药结构、温度、压力变化，揭示了高过载条件下火工品装药的损伤及点火机理，为高过载火工品装药结构设计提供了技术支持。

关键词：高过载条件;火工品;装药

火工品作为弹药系统的初始能量引发装置，其可靠性对弹药系统的性能起着至关重要的作用。当弹药撞击、侵彻舰船、地下工事等深部或多级目标时，只有当弹药侵彻预定深度时，火工品才能引爆。若火工品过早爆炸或结构与功能受损，势必影响整个武器系统的最终毁伤效能。

一、火工品概述

火工品是指在含有火药或炸药的外部能量刺激下能产生特种效应的一次性元器件或装置的总称。其包括火帽、底火、点火管、延期件、雷管、传爆管、导火索、导爆索、爆炸开关、爆炸螺栓、启动器、切割索等。

二、空气炮过载实验方法

空气炮实验系统由支架、发射炮管、弹体、气动控制系统、测速系统、回收靶室组成。发射炮管水平安装在支架上，发射炮管一端与高压气室密封连接，另一端为出口端，靠近回收靶室，面向靶板。炮管出口端装有弹体测速系统，用于测量弹体速度。回收靶室装有靶板调整装置，可更换不同材质靶板，以获得不同过载加速度。在实验过程中，弹丸在高压气体瞬时推动下沿直径为37mm的炮管向前运动，通过遮挡式双光路测试系统后，撞击回收室内铅直放置的靶板上，形成高加速度过载环境，实现火工品加载。

因弹体尺寸的限制，无法采用弹载加速度传感器标定弹体着靶加速度。因此，根据WJ/Z112-81系列标准，采用铜柱测压法标定过载加速度与高压气体压力间的关系。用于标定的弹体配备有撞击杆及铜柱，铜柱在撞击杆冲击下被压缩变形，过载加速度是通过测量变形量查表获得。弹体及冲击杆由GCr15轴承钢制成，弹体尺寸为36.5×97mm，重量625g，冲击杆质量10.0g，测压铜柱6mm×9.8mm圆锥形铜柱。

三、数值仿真模型

1、几何模型。采用圆头圆柱形弹体，直径36.5mm，长107mm。圆头直径30mm，长30mm，独脚桥丝电雷管由金属外壳、电极塞、端帽、装药组成。电雷管直径为4.9mm，总长12.7mm，其中壳体长9.4mm。电极塞内电极直径1.48mm。电雷管内装Comp-B复合炸药，装药长5.8mm，密度1.717g/cm3，質量158mg。电雷管与弹体以轴向输出端加载方式组装，即电雷管输出端朝向弹体运动方向。两种材料靶板经淬火GCr15钢及单轴抗压强度为48MPa的混凝土，尺寸为30cm×24cm×3cm及30cm×24cm×9cm。

2、计算模型。考虑到弹靶结构及初边值条件的对称性，计算时采用1/2模型建模。为更好地描述混凝土靶板的大变形问题，采用光滑质点流体力学（SPH）方法建立了混凝土靶板模型，模型的其他部分采用8节点六面体实体单元进行单元网格划分。采用单点积分及基于刚性的沙漏控制，节省机时，提高计算效率，避免单点积分造成的非物理沙漏模式。网格划分是在保持计算精度和提高运算速度的前提下进行的。经网格划分后，刚性靶板单元数为15552个，弹体单元数为45600个，火工品组件共46420个单元。混凝土靶板由21600个SPH质点组成。

点-面接触侵蚀算法用于计算弹体与混凝土靶间的接触，而自动面-面接触算法用于计算弹体与钢性靶板、弹体和火工品及火工品各组件间的接触。在计算模型的轴对称面上应用对称约束，并约束靶板侧面节点位移，以固定靶板位置。

3、材料模型。火工品装药采用流体弹塑性模型，炸药反应物及最终产物的压力变化采用基于JWL的Lee-Tarver点火增长模型描述。

炸药爆炸的化学反应速率方程包括三个理想物理阶段：少量炸药在冲击压缩下发生反应的点火阶段;初始反应扩散的慢速增长阶段;高温高压下快速完全反应阶段。

钢性靶板、弹体、火工品等组件采用随动硬化弹塑性模型描述，该模型适用于描述材料的塑性变形行为，如应变率效应、损伤失效等。

混凝土材料由Holmquist-Johnson-cook材料模型描述，该模型能较好地描述混凝土在大应变、高应变率、高压下的动态力学行为。

四、结果与讨论

1、电雷管受载环境。根据上述材料模型，通过仿真计算得出弹体以80m/s的初速撞击钢靶及混凝土靶时的弹体过载加速度。弹体撞击钢靶时，最大加速度为149000g，平均加速度约112000g，过载加速度脉宽90s。弹体撞击混凝土靶板时，过载加速度峰值52000g，平均加速度约30000g，加速度脉宽180s。

2、装药的温度分布。过载后，通过LS-Prepost后处理程序获得各单元沿药柱长度方向、药柱表面、轴心处温度-时程，然后用Matlab软件编写程序，得到各单元的最高温度。同样的方法用于获得沿药柱径向、头部（输出端）、尾部（输入端）的装药温度变化。

从药柱内部温度分布来看，无论是沿装药轴还是在装药表面，头、尾部装药温度都明显高于中间装药温度，表明两端装药的损伤程度大于中间装药。头部装药温度高于尾部装药温度，表明头部输出端装药的损伤大于尾部输入端的损伤。

从过载环境不同角度分析，通过比较两种环境下装药温度的变化，发现火工品装药轴心处分布规律相同。换言之，不同的过载环境不会导致轴心处装药损伤的变化。在装药表面，装药侵彻钢靶过载时的温度高于侵彻混凝土靶时的温度。这说明钢靶加载时的过载环境恶劣，对火工品装药损伤大。

在装药头部，装药外表面温度最大，其次是轴心处。这是由于装药外表面与端帽和管壳间的相对滑动引起的剧烈摩擦，而轴心处装药主要受端帽弹性变形的反复冲击。在装药尾部，从轴心处到装药外表面温度变化不大，但在侵彻钢靶的过载条件下，药柱温度高于侵彻混凝土靶时的温度。

五、火工品装药的点火机理

在火工品结构中，装药与外壳和电极塞紧密接触。在高加速过载条件

下，电雷管的外壳形变和电极塞运动等结构变形会挤压装药。在此过程中，火工品结构与装药间会发生相互滑动及摩擦。由于摩擦过程中产生的热量将加热火工品装药，提高装药温度，并在装药表面形成热点。对于低熔点炸药，当温度超过炸药熔点时，炸药会熔化，产生塑性流动，形成整体加热。这一过程进一步提高了炸药材料的温度，并最终引爆炸药。

从应力波传播角度来看，在弹体撞击靶体的高过载条件下，弹-靶界面产生的应力波沿弹体轴向传播，在弹体与火工品界面发生耦合，并传递到火工品上。应力波的作用会导致火工品装药的损伤和微裂纹。随着应力波的反射过程，微裂纹不断长大、扩展和汇聚，导致装药从均质状态变为非均质颗粒状态。同时，颗粒惯性运动引起颗粒间的相互碰撞和摩擦，导致装药温度升高，在装药局部区域形成热点。另外，电极塞的前向运动也会压缩装药，从而加剧破碎颗粒间的摩擦过程，增强温升效应。

六、结论

以空气炮过载实验装置为基础，利用ANSYS/LS-DYNA仿真软件，研究高过载条件下火工品装药的意外发火作用机理。结果表明，火工品装药主要受压缩应力的影响，致使其长度减小。火工品不同位置装药温度变化不同，头、尾部装药温度上升最为明显，中部装药的温度上升较小，当靶板为钢靶时，装药温升较大。装药与结构间的相互作用和炸药颗粒的内部摩擦会形成热点，但前者是装药意外发火的主要原因。本文的数值计算为高过载火工品的结构设计提供了技术支持。

参考文献：[1]陈力.装药弹体侵彻混凝土厚靶中的炸药摩擦起爆模型[J].爆炸与冲

击，2015（01）.

[2]刘卫.高过载条件下火工品装药的响应特性[J].兵工学报，2016（S2）.