王 晨,伍俊英,陳 朗,魯建英,3,郭 昕,王曉峰

（1.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室,北京 100081;

2.西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安 710065;

3.防化指揮學(xué)院,北京 102205）

1 引 言

研究炸藥殉爆特性對炸藥安全性有重要意義。炸藥殉爆實驗主要有裸裝炸藥殉爆實驗和殼裝炸藥殉爆實驗2類,其中殼裝炸藥殉爆實驗更接近炸藥實際使用狀態(tài)。對炸藥殉爆實驗的數(shù)值模擬可以描述炸藥在殉爆中的反應(yīng)規(guī)律,同時能夠獲得殉爆過程中的細節(jié)規(guī)律,在很大程度上減少實驗數(shù)量。但由于爆炸沖擊波和殼體破片的共同作用,殼裝炸藥殉爆實驗的作用機制比裸裝炸藥殉爆實驗的更復(fù)雜。P.W.Howe等[1]采用歐拉程序2DE對殼裝炸藥殉爆實驗進行了2維數(shù)值模擬,主要計算了較小殉爆距離下爆炸沖擊波對被發(fā)炸藥的作用情況,分析了殉爆距離、殼體寬厚以及主發(fā)炸藥和被發(fā)炸藥的間隔板對殉爆結(jié)果的影響。J.P.Lu等[2]對裸裝PBXN-109炸藥殉爆實驗進行了數(shù)值模擬,主要分析了爆炸沖擊波對炸藥的殉爆作用。S.Fisher等[3]對殼裝PBXN-9炸藥殉爆實驗進行了數(shù)值模擬,分析了包裝容器中彈藥間的沖擊波殉爆情況。陳朗等[4]計算了不同距離下裸裝炸藥的殉爆距離,分析了炸藥殉爆過程中被發(fā)炸藥中爆轟波的成長歷程。目前炸藥殉爆實驗的數(shù)值模擬中主要考慮爆炸沖擊波作用,只適合對裸裝炸藥和較近殉爆距離下殼裝炸藥殉爆實驗進行計算分析。而在大距離下殼裝炸藥殉爆實驗中,主發(fā)炸藥殼體破片是起爆被發(fā)炸藥的主要因素。其殉爆過程數(shù)值模擬中主要考慮主發(fā)炸藥殼體破片對被發(fā)炸藥的作用。

本文中進行殼裝固黑鋁（GHL）炸藥殉爆實驗,通過觀察被發(fā)炸藥的反應(yīng)、殼體以及見證板的變形,判斷被發(fā)炸藥的爆炸情況。建立殼裝炸藥殉爆實驗?zāi)Ｐ?考慮主發(fā)炸藥殼體破片的形成和破片對被發(fā)炸藥的撞擊起爆,對炸藥殉爆過程進行計算分析。

2 殉爆實驗

圖1（a）是殉爆實驗裝置示意圖。實驗裝置由雷管、傳爆藥、主發(fā)炸藥、被發(fā)炸藥、炸藥殼體以及見證板組成。主發(fā)炸藥與被發(fā)炸藥相隔一定距離豎立在地面上,觀測主發(fā)炸藥爆炸后,被發(fā)炸藥的反應(yīng)情況。實驗的主發(fā)炸藥與被發(fā)炸藥都為直徑為60 mm、長為240 mm的柱形藥柱。藥柱殼體和見證板都為鋼材料,殼體厚度為3 mm,見證板厚度為15 mm。

圖1（b）為殉爆實驗裝置的實物照片。實驗中,首先由雷管起爆傳爆藥柱,進而起爆主發(fā)炸藥,主發(fā)炸藥爆炸后產(chǎn)生殼體破片作用于被發(fā)炸藥。通過觀察被發(fā)炸藥的殘余情況、殼體和見證板的變形,來判斷被發(fā)炸藥的反應(yīng)情況。在不同裝藥距離下對固黑鋁炸藥進行殉爆實驗。殉爆距離為主發(fā)藥柱和被發(fā)藥柱殼體邊界的最短距離,根據(jù)不同殉爆距離下被發(fā)炸藥的反應(yīng)情況,得到炸藥的臨界殉爆距離。

圖1 殉爆實驗裝置示意圖和實物照片F(xiàn)ig.1 Experimental setup for sympathetic detonation experiments

3 數(shù)值模擬

采用非線性有限元方法對殼裝炸藥殉爆實驗進行數(shù)值模擬[5]。根據(jù)圖1所示的實驗裝置,建立3維計算模型。已有的研究結(jié)果表明[4],裸裝固黑鋁炸藥的臨界殉爆距離遠小于殼裝固黑鋁炸藥的臨界殉爆距離。在臨界殉爆距離附近,空氣中的爆炸沖擊波對被發(fā)炸藥的作用遠小于殼體破片對被發(fā)炸藥的作用,因此,在建立模型時忽略空氣中的爆炸沖擊波作用,重點描述殼體破片對被發(fā)炸藥的作用。為有效描述主發(fā)炸藥爆炸產(chǎn)生的殼體破片,將主發(fā)炸藥殼體設(shè)為等體積單元組合成的結(jié)構(gòu),設(shè)置殼體材料失效應(yīng)變,當殼體在爆炸作用下達到失效應(yīng)變后,相鄰單元節(jié)點分離,每一個或幾個單元形成一個破片。圖2為殼裝炸藥殉爆實驗計算幾何模型。為簡化計算,模型中不考慮雷管,把傳爆藥柱上端面的中心點設(shè)為起爆點。采用拉格朗日算法,模型為六面體網(wǎng)格。圖3為模型的網(wǎng)格圖。

圖2 殉爆實驗計算幾何模型Fig.2 A geometry model for calculation of the sympathetic detonation experiment

圖3 計算模型網(wǎng)格圖Fig.3 M esh of the calculation model for the sympathetic detonation experiment

對炸藥殼體和見證板采用彈塑性模型。鋼的密度為7.8 g/cm3,彈性模量為206 GPa,屈服應(yīng)力為100 MPa,泊松比為0.3。計算中殼體失效應(yīng)變設(shè)為0.085。

對固黑鋁炸藥,采用點火增長反應(yīng)模型和JWL狀態(tài)方程[6-7],對傳爆藥,采用高能炸藥反應(yīng)模型和JWL狀態(tài)方程。點火增長模型表示為

式中 :λ代表炸藥反應(yīng)度 ,t代表時間 ,ρ代表密度,ρ0代表初始密度 ,p代表壓力 ;I、G1、G2、a、b、x、c、d、y、e、g和z為常數(shù),且I=0.25 s,b=0.666 7,a=0.02,x=8,G1=0.028 7 MPa-2·s-1,c=0.2222,d=0.666 7,c=2,G2=0.4 MPa-3·s-1,e=0.333,g=1,z=3。以上模型參數(shù)均來自文獻[4]。

4 結(jié)果及討論

圖4是殉爆距離為227 mm的殉爆實驗后被發(fā)炸藥的見證板照片。見證板被炸出一個坑洞,表明在這個距離下炸藥被完全起爆。圖5是殉爆距離為300 mm的殉爆實驗后被發(fā)炸藥照片。照片顯示,被發(fā)炸藥下部殼體一部分被炸開,上部殼體基本完好,殼體還有一部分未反應(yīng)的炸藥。表明殉爆實驗中,主發(fā)炸藥爆炸對被發(fā)炸藥的作用主要集中在被發(fā)炸藥下部,只有少部分被發(fā)炸藥發(fā)生了反應(yīng)。根據(jù)多發(fā)不同殉爆距離實驗的結(jié)果,得到殼厚為3 mm的固黑鋁炸藥臨界殉爆距離約為227 mm。

圖4 殉爆距離為227 mm的殉爆實驗后被發(fā)炸藥的見證板照片F(xiàn)ig.4 Deformation of the witness under the acceptor with the separation of 227 mm

圖5 殉爆距離為300 mm的殉爆實驗后被發(fā)炸藥照片F(xiàn)ig.5 Remains of the acceptor charge with the separationof 300 mm

表1是不同殉爆距離下固黑鋁炸藥殉爆實驗的數(shù)值模擬結(jié)果。計算結(jié)果顯示,殉爆距離小于220 mm時,被發(fā)炸藥完全爆轟;殉爆距離大于230 mm時,被發(fā)炸藥的殼體變形,被發(fā)炸藥只是部分反應(yīng)。臨界殉爆距離在220～230 mm之間,與實驗得到的約227 mm臨界殉爆距離基本一致。

表1 不同殉爆距離下殉爆實驗數(shù)值模擬計算結(jié)果Table 1 Simulation results of sympathetic detonation experiments

圖6是計算得到的220 mm殉爆距離下主發(fā)炸藥殼體破片和被發(fā)炸藥不同時刻的變形圖。起爆傳爆柱后,主發(fā)炸藥殼體破片向周圍飛散。圖7是破片對被發(fā)炸藥作用瞬間的細節(jié)圖像,部分破片撞擊在被發(fā)炸藥殼體上。圖8是計算的被發(fā)炸藥內(nèi)部縱截面不同時刻壓力分布。起爆區(qū)位于被發(fā)炸藥中部,140 μs時,距藥柱下端約96 mm 處,壓力達到7.96 GPa。148 μs時,曲面形爆轟波在被發(fā)炸藥中傳播。165 μs時,大部分被發(fā)炸藥爆炸。180 μs時,被發(fā)炸藥已完全爆炸。圖9是180 μs時被發(fā)炸藥殼體的變形圖。此時被發(fā)炸藥殼體已被炸開。

圖6 220 mm殉爆距離下主發(fā)炸藥殼體破片和被發(fā)炸藥不同時刻的變形圖Fig.6 Calculated distortion at different times for the configuration with the separation of 220 mm

圖7 破片對被發(fā)炸藥作用的瞬間的細節(jié)圖像Fig.7 Moment for the fragments acting on the acceptor charge

圖8 被發(fā)炸藥內(nèi)部縱截面不同時刻壓力分布Fig.8 Pressure distribution at different times for the vertical section of the acceptor charge

圖10是230 mm殉爆距離下主發(fā)炸藥殼體破片和被發(fā)炸藥不同時刻的變形圖。135 μs時,主發(fā)炸藥破片開始作用于被發(fā)炸藥的殼體。190 μs時,被發(fā)炸藥沒有大的變形,沒有發(fā)生爆炸。計算的被發(fā)炸藥內(nèi)部壓力顯示,145 μs時,被發(fā)炸藥正對主發(fā)炸藥一側(cè),距藥柱下端約90 mm處壓力增長到3.66 GPa。表明炸藥已有反應(yīng),之后在后續(xù)破片和炸藥反應(yīng)的共同作用下,被發(fā)炸藥內(nèi)部局部區(qū)域壓力進一步增大,但很快壓力衰減,反應(yīng)沒有成長為爆轟。圖11是230 mm殉爆距離下190 μs時被發(fā)炸藥殼體變形圖。這時被發(fā)炸藥的殼體面對主發(fā)炸藥一側(cè)出現(xiàn)凹痕和小坑洞,殼體有一定形變,但形狀基本完整。

圖9 180 μs時被發(fā)炸藥殼體的變形圖Fig.9 Distortion of the acceptor steel shell at 180 μs

圖10 230 mm殉爆距離下主發(fā)炸藥殼體破片和被發(fā)炸藥不同時刻變形Fig.10 Calculated distortion at different times for the configuration with the separation of 230 mm

由于主發(fā)炸藥殼體破片在起爆被發(fā)炸藥過程中起著主導(dǎo)作用,因此,殼體厚度對殉爆結(jié)果的影響是需要關(guān)心的問題。在裝藥條件相同的情況下,對不同殼厚固黑鋁炸藥殉爆實驗進行了數(shù)值模擬,研究炸藥殼體厚度對殉爆結(jié)果的影響。計算結(jié)果顯示,當殼厚為2 mm時,被發(fā)炸藥臨界殉爆距離為175 mm;當殼厚為3 mm時,臨界殉爆距離為225 mm;當殼厚為4 mm時,臨界殉爆距離為185 mm。

圖 11 190 μs時被發(fā)炸藥殼體的變形圖Fig.11 Distortion of the acceptor steel shell after detonation at 190μs

被發(fā)炸藥被破片撞擊起爆,破片速度起關(guān)鍵作用。在主發(fā)炸藥殼體上靠近被發(fā)炸藥一側(cè)沿軸向不同位置取5個單元,代表不同位置的5個破片如圖12所示。圖13～15是計算得到的不同殼厚下5個破片的速度時間曲線。從圖中可以看出,主發(fā)炸藥爆炸后,在爆轟產(chǎn)物驅(qū)動下殼體破片加速運動,當破片撞擊被發(fā)炸藥后,速度迅速下降。不同位置破片的速度有很大差別,裝藥上下兩端的破片速度較低,中間部分速度較高。2、3、4號破片速度有迅速下降段,表明都撞擊到了被發(fā)炸藥殼體,其中4號破片撞擊被發(fā)炸藥時的速度最大。

殼體厚度為2、3和4 mm的4號破片撞擊速度分別為2 591、2 095和1925 m/s。隨著殼體厚度的增加破片速度減小。主發(fā)炸藥的殼體厚度主要影響破片的速度和質(zhì)量,而被發(fā)炸藥的起爆與主發(fā)炸藥破片速度和質(zhì)量、被發(fā)炸藥殼體防護性能等因素都有關(guān)系。殼體厚度為2 mm的破片速度大、質(zhì)量小,雖然被發(fā)炸藥也是殼體厚度為2 mm有利于起爆,但臨界殉爆距離相對較小。殼體厚度為4 mm的破片雖然速度小,但質(zhì)量大,另外厚度為4 mm的被發(fā)炸藥殼體對被發(fā)炸藥的防護作用較強,因此殉爆距離也較小。殼體厚度為3 mm的破片既有一定速度又有一定質(zhì)量,防護作用不強,臨界殉爆距離較大。

圖12 軸向位置所取單元點Fig.12 Element points at axes

圖13 2 mm殼破片速度時間曲線Fig.13 Velocity histories of fragments at the steel shell of 2 mm thickness

圖14 3 mm殼破片速度時間曲線Fig.14 Velocity histories of fragments at the steel shell of 3 mm thickness

圖15 4 mm殼破片速度時間曲線Fig.15 Velocity histories of fragments at the steel shell of 4 mm thickness

5 結(jié) 論

實驗結(jié)果顯示裝藥質(zhì)量為1 kg、裝藥尺寸為?60 mm×240 mm、殼厚為3 mm的固黑鋁炸藥臨界殉爆距離約為227 mm。殉爆實驗數(shù)值計算的炸藥臨界殉爆距離為220～230 mm,與實驗結(jié)果基本一致,表明采用預(yù)設(shè)殼體單元破片的計算模型,能夠有效描述殼裝炸藥殉爆實驗情況。

在裝藥條件相同的情況下,對不同殼厚固黑鋁炸藥殉爆實驗進行了數(shù)值模擬,研究炸藥殼體厚度對殉爆結(jié)果的影響。計算結(jié)果顯示,殼厚為2 mm時,被發(fā)炸藥臨界殉爆距離為175 mm;殼厚為3 mm時,臨界殉爆距離為220 mm;殼厚為4 mm時,臨界殉爆距離為185 mm。

計算結(jié)果顯示,主要是主發(fā)炸藥中部的殼體破片撞擊到被發(fā)炸藥,而被發(fā)炸藥起爆位置也在裝藥中部。主發(fā)炸藥殼體厚度主要影響破片的速度和質(zhì)量,而被發(fā)炸藥的起爆與主發(fā)炸藥破片速度和質(zhì)量、被發(fā)炸藥殼體防護性能等因素都有關(guān)系。

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