水射流冲击销毁简易爆炸装置仿真研究

任云燕,温 瑞,陈 放

(北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081)

1 引言

近年来，国内外的爆炸恐怖袭击事件呈现出集中、高发的态势，其规模不断扩大，受害人数不断增多。经调查发现，犯罪活动的组织化、预谋化程度不断增强，袭击目标不断平民化，如美国波士顿马拉松爆炸案中采用爆炸装置是用高压锅制得的[1]。此类爆炸案件往往在人员较为密集处发生，一旦发生爆炸容易造成恶劣的社会影响，对爆炸装置的现场安全排除提出了迫切的要求。面对这一背景需求，利用爆炸物解体器产生高速水射流，侵彻击穿装填炸药的爆炸装置壳体的技术应运而生，可实现非爆炸销毁简易爆炸装置的目的。

国内外相关学者对水射流销毁爆炸装置进行了相关研究，龚建华等[2]介绍了爆炸物解体器的工作原理，研究了爆炸物解体器水射流对钢制靶板的侵彻规律，分析了口径、速度对侵彻效应的影响；黄玉平等[3]利用高压水射流对B炸药进行了破碎数值模拟，并对破碎炸药过程中的安全性及有效性进行了研究，得出针对不同截面下破碎炸药的水射流速度范围；于瑞华[4]对爆炸物销毁器的可靠性及分解炸药的可行性进行详细分析，并进行相关安全销毁试验；蒋大勇等[5-6]建立了水射流飞片冲击模型，通过水锤压力对冲击起爆的影响及滞止压力对温升变化的影响,研究HTPB推进剂发生冲蚀破碎过程中的安全性，得出动态加载过程及准静态加载过程中水射流的出口压力临界值；Parate Bhupesh等[7-8]对爆炸物处理装置产生水射流的过程进行了后坐力计算，完成不同工况下双基和单基推进剂破坏试验并利用高速摄像对水射流速度进行测定；Premsiri Hongthong[9-10]设计了一种用于机器人远程销毁的无后坐力高压水枪，进行了计算流体力学模拟及冲击不同厚度靶板的试验研究，结果表明该无后座水枪产生的水射流能够穿透2 mm金属板。从国内外研究现状看，国外对于此方面的研究已发展到试验验证，进入工程化应用阶段，而国内研究主要是针对水射流侵彻靶板及裸炸药，对于水射流冲击销毁简易爆炸装置，尚缺少系统性研究。本文中利用LS-DYNA有限元软件对水射流销毁简易爆炸装置开展数值模拟研究，在不同水射流速度、不同冲击位置下,分析装药承受压力、反应度、单元失效数等参数，得出简易爆炸装置水射流作用下的起爆机理以及安全销毁的水射流速度。

2 水射流销毁简易爆炸装置安全性分析

2.1 计算方法与计算模型

目前，简易爆炸装置中炸药来源一部分是由战争遗留炮弹所得，装填物多为TNT、黑梯炸药等；而爆炸恐怖分子常用来装药的承装物主要有灭火器罐、液化气罐、高压锅和水暖管件等承压金属物品，破坏威力较大。故本文中简易爆炸装置炸药选用B炸药，壳体材料选用45号钢，厚度为1 mm。

壳体采用Lagrange算法、solid164单元进行描述；B炸药采用SPH粒子进行描述，尺寸为Φ8 cm×10 cm；水射流采用SPH粒子进行描述，尺寸为Φ1 cm×20 cm。SPH算法是一种无网格Lagrange算法，可用于解决连续体结构解体、碎裂和固体层裂、脆性断裂等物理问题，不存在网格畸变和单元失效问题[11]，对于本文中高速水射流以及炸药爆轰时的网格畸变非常适用。利用前处理软件TrueGrid进行建模，几何模型如图1所示。

图1 水射流销毁简易爆炸装置模型

水射流材料模型为空材料模型，状态方程为Gruneisen状态方程，水射流速度设置为500～1 100 m/s，步长为100 m/s，材料参数如表1所示。

表1 水射流Gruneisen状态方程参数

壳体采用Johnson-Cook材料模型、Grunsisen状态方程进行描述，壳体参数如表2所示。

表2 壳体材料参数

B炸药材料模型为弹塑性流体动力材料模型,状态方程为点火增长模型[12-13]，参数如表3所示。

表3 B炸药状态方程参数

2.2 数值模拟结果与分析

图2为水射流速度1 100 m/s时B炸药不同时刻压力云图。从图2可以看出，水射流接触简易爆炸装置瞬间，水锤压力达到763 MPa，此压力远不足以起爆B炸药；随着冲击的持续进行，水射流的冲击压力在200～300 MPa，在此过程中B炸药与壳体发生摩擦，顶部多处产生热点，如图2中60 μs压力云图所示，达到并超过B炸药的临界起爆压力5.63 GPa，随后压力持续增加，最大压力远超B炸药爆轰波压力29.5 GPa[14]，B炸药发生爆轰。

图2 B炸药压力云图

水射流速度为500～1 000 m/s时B炸药的最大压力变化曲线如图3所示。水射流速度为500～1 100 m/s时B炸药的反应度变化曲线如图4所示。

图3 B炸药最大压力-时间曲线

图4 不同水射流速度B炸药反应度-时间曲线

从图4中可以看出,水射流速度为1 000 m/s以上的反应度达到1，结合最大压力曲线分析，水射流速度超过1 000 m/s时，B炸药发生爆炸；水射流速度在800～900 m/s时，最大压力达到B炸药临界起爆压力但并未持续增加，且反应度保持稳定，可知B炸药发生轻微反应但不会引起爆炸；水射流速度小于800 m/s时，最大压力始终小于2 GPa，反应度保持在0.2附近，B炸药未发生反应。

综合考虑最大压力和反应度认为，水射流速度超过1 000 m/s，炸药发生爆轰，水射流速度在800～1 000 m/s时，B炸药会发生反应，根据上述分析，为确保简易爆炸装置能够安全销毁，不引起炸药发生爆轰，水射流的速度不应超过 800 m/s。

2.3 简易爆炸装置起爆机理

根据应力波理论，可将水射流的冲击过程分为2个阶段[15]：① 高压水射流接触到简易爆炸装置表面瞬间，水射流的状态参数发生突变，在射流头部产生较高的冲击压力，即水锤压力，这个过程为动态加载过程；② 随着水射流对简易爆炸装置的继续作用，水射流中状态参数的变化不大，为准静态加载过程，此水射流冲击压力称为滞止压力。

炸药在动态加载过程中发生爆轰的过程为冲击转爆轰(SDT)过程，在准静态加载过程中发生爆轰的过程称为长持续脉冲时间压力起爆(LALDS)过程。

在动态加载过程中，炸药发生爆轰的准则为：

(1)

式(1)中：pt为水锤压力，MPa；τ为水锤压力作用时间，s；K为实验常数。

由于水锤压力作用时间极短，仅为微秒量级，现阶段很难测量获得。SDT过程可认为水锤压力pt是否超过B炸药的临界起爆压力pc，即若：

pt≤pc

(2)

则爆炸装置安全，否则认为炸药在水锤压力的作用下发生爆轰。

对于LALDS过程，起爆判据表述为：

pnτ=K(n>2.3)

(3)

结合压力云图以及反应度曲线分析可知，壳体在简易爆炸装置受到冲击瞬间起到缓冲作用，水锤压力pt远小于B炸药临界起爆压力pc，B炸药在水锤压力的作用下不会发生爆炸；在水射流的持续冲击作用下，炸药的反应度呈现阶梯式增加，同时由于B炸药与壳体接触摩擦，形成局部高压区域，并产生“热点”，导致爆炸装置发生爆炸。

3 水射流销毁简易爆炸装置有效性分析

3.1 计算方法与计算模型

由前文可知，销毁简易爆炸装置的水射流速度不应超过800 m/s，将水射流速度设置为500～800 m/s，以25 m/s为步长，改变水射流冲击简易爆炸装置的位置，研究水射流冲击简易爆炸装置的有效性。水射流同样采用SPH粒子进行描述；简易爆炸装置中炸药采用各项同性随动硬化塑性材料模型进行描述，壳体材料参数不变。设置水射流冲击简易爆炸装置顶部以及中部，计算模型如图5所示。

图5 水射流冲击简易爆炸装置模型

3.2 数值模拟结果与分析

水射流冲击简易爆炸装置的位置对冲击效果有较大影响，图6为水射流速度为800 m/s时2种情况最终时刻的冲击效果图。

图6 水射流速度800 m/s冲击效果

从图6可以看出，顶部冲击造成的最大直径为24.44 mm，中部冲击造成的最大直径为25.81 mm，可以看出水射流从中部冲击B炸药后还有较大的剩余速度穿透壳体，壳体在应力作用下发生回弹。

通过不同速度下水射流冲击简易爆炸装置的失效单元数对简易爆炸装置的销毁情况进行分析，图7为2种冲击位置下t=300 μs时水射流速度与失效单元数的关系图。

图7 水射流速度与失效单元数关系

从图7可知，失效单元数随着水射流速度的增加而增加，且增加逐渐趋于平缓，结合图6分析，水射流速度为750m/s左右时已到达壳体底部，所以随着水射流速度的增加，失效单元数变化不大。

速度较小时，从中部冲击的失效单元数增加缓慢，随后才与从顶部冲击的失效单元数增加趋势相似，这是由于水射流接触的壳体为拱形，相比从顶部冲击，需要更多能量才能冲破壳体，实现对装药结构的破坏。

水射流可对简易爆炸装置造成2.5倍自身直径的穿孔，由于仅考虑核心区速度，忽略了水射流的雾化作用，实际情况会造成更大截面的破坏，甚至导致简易爆炸装置发生解体。在对简易爆炸装置销毁过程中，可同时针对导火索、电子线路等部位实施销毁，增加销毁过程的可靠性。

4 结论

本研究通过LS-DYNA有限元仿真软件对不同速度下水射流销毁简易爆炸装置进行数值模拟，得出以下结论：

1)在处理简易爆炸装置时,为确保能够安全销毁，不引起炸药爆炸，水射流速度应小于800 m/s。

2)由于壳体的缓冲作用,过高的水射流速度并不会使简易爆炸装置立即发生爆炸，而是由于持续冲击作用下炸药与壳体发生摩擦，产生局部高压区域导致炸药爆炸，在实施销毁作业时，应避免较大水量的持续冲击。

3)在实际应用过程中，可根据爆炸装置的尺寸选择合理的冲击销毁位置及水射流速度，使其失去爆炸性能，安全排除危险。由于条件有限，未进行试验验证，研究结果可为水射流销毁爆炸装置系统的设计及优化作参考。