譚凱元,韓 勇,羅 觀,殷 明,黃毅民,盧校軍
(中國工程物理研究院化工材料研究所,四川 綿陽621900)
炸藥加速金屬的能力及其爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程是武器戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)中的重要問題。圓筒試驗(yàn)則是考察炸藥作功能力的一種常用試驗(yàn)方法,可以確定爆轟產(chǎn)物的JWL 狀態(tài)方程參數(shù)[1]。目前圓筒試驗(yàn)已發(fā)展成為標(biāo)準(zhǔn)的系列試驗(yàn),國內(nèi)外研究人員利用圓筒試驗(yàn)對(duì)各類炸藥的加速金屬能力和JWL 狀態(tài)方程做了大量工作,并獲得了其JWL 狀態(tài)方程參數(shù)[2-8]。
目前,我國已有的金屬加速炸藥還是以TNT為基的高固相熔鑄炸藥為主,這類炸藥的能量較高、金屬加速能力較強(qiáng),但存在安全性較差的問題。目前,國外常規(guī)武器戰(zhàn)斗部裝藥已由以TNT為基的熔鑄炸藥逐步換裝為綜合性能優(yōu)異的PBX炸藥。與普通熔鑄炸藥相比,PBX 炸藥的安全性能較好,具有不敏感特征。此外,HMX 是現(xiàn)有單質(zhì)炸藥中綜合性能最好的高能炸藥,具有高爆速、高爆壓和較好的耐熱性、貯存穩(wěn)定性。本研究通過圓筒試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值計(jì)算技術(shù)評(píng)價(jià)一種新的HMX 基PBX 炸藥的作功能力并確定其JWL狀態(tài)方程參數(shù),再利用平板飛片試驗(yàn)來驗(yàn)證JWL 狀態(tài)方程參數(shù)的有效性,為該炸藥今后的應(yīng)用和理論計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
圓筒試驗(yàn)裝置由高壓電雷管、傳爆藥柱(JO9159),待測(cè)HMX 基PBX炸藥(90%HMX,10%黏結(jié)劑,均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))、紫銅圓筒管、電探針、氬氣彈、光學(xué)窗口、高速轉(zhuǎn)鏡掃描相機(jī)等組成,如圖1所示。圓筒尺寸Φ25mm×300mm。在距引爆端約200mm 處用高速相機(jī)掃描記錄管壁的徑向膨脹過程,獲得膨脹距離對(duì)時(shí)間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在被測(cè)試炸藥第一和最后一個(gè)藥柱之間,放置兩對(duì)電探針,與時(shí)間記錄系統(tǒng)相連接,用于測(cè)量炸藥爆速。
圖1 圓筒試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cylinder test
高壓電雷管、傳爆藥柱(Φ25mm×30mm),待測(cè)Φ25mm HMX基PBX 炸藥均為中國工程物理研究院化工材料研究所研制;SJZ-15 型轉(zhuǎn)鏡式高速掃描相機(jī)為蘇州光學(xué)儀器廠制造。
圓筒膨脹高速掃描底片如圖2所示。
圖2 圓筒壁膨脹過程的底片F(xiàn)ig.2 Photograph of the cylinder expansion process
圓筒膨脹距離R-R0與膨脹時(shí)間t之間的關(guān)系用公式(1)表示:
式中:a1、a2、a3、a4均為擬合系數(shù),擬合的相關(guān)系數(shù)及爆速測(cè)試結(jié)果如表1所示。
表1 HMX 基PBX 炸藥擬合系數(shù)及爆速測(cè)試結(jié)果Table 1 Results of detonation velocity and fitting coefficient for the HMX based PBX
HMX 基PBX 炸藥驅(qū)動(dòng)平板飛片試驗(yàn)裝置如圖3所示。
圖3 炸藥驅(qū)動(dòng)平板飛片試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the explosive driven flyer plate test
從被測(cè)藥柱一端端面中心用雷管引爆炸藥,以驅(qū)動(dòng)緊貼在藥柱另一端面(用真空脂排掉間隙空氣)的銅飛片運(yùn)動(dòng),采用全光纖激光位移干涉測(cè)速系統(tǒng)(DISAR)對(duì)飛片的速度歷程進(jìn)行測(cè)量。DISAR 的激光探頭布置在藥柱中心軸線上,并對(duì)準(zhǔn)飛片中心以探測(cè)由運(yùn)動(dòng)飛片反射回來的帶有多普勒頻移信息的激光信號(hào),通過對(duì)頻移信息的處理就可以計(jì)算出平板飛片的自由面速度歷史[9]。
HMX 基PBX 藥柱尺寸為Φ50mm×100mm,密度為1.721g/cm3,銅飛片為Φ50mm×1.0mm,密度為8.93g/cm3。DISAR 測(cè)速系統(tǒng)為電子科技大學(xué)研制的AFDISAR8000型測(cè)速裝置。
標(biāo)準(zhǔn)圓筒試驗(yàn)通常用R-R0=5mm 和R-R0=19mm 時(shí)的圓筒壁速u和比動(dòng)能Ecyl來描述一種炸藥的作功能力。由式(1)可推得:
將表1中的擬合系數(shù)代入式(2),即可通過式(2)和式(3)算得HMX基PBX的圓筒試驗(yàn)特征值:
R-R0=5mm 時(shí),u=1.410mm/μs;Ecyl=0.994kJ/g。
R-R0=19mm 時(shí),u=1.615mm/μs;Ecyl=1.304kJ/g。
此外,格尼模型也是一種廣泛用于表征炸藥加速金屬能力的方法,在軸對(duì)稱膨脹情況下的格尼公式為[10]:
式中:m為炸藥質(zhì)量;M為圓筒質(zhì)量;u為圓筒壁的終速度,可由式(2)算得為1.658mm/μs,為表征炸藥加速金屬能力的格尼系數(shù)(又稱格尼速度),由式(4)最終計(jì)算出HMX 基PBX 的格尼速度為2.8mm/μs。
JWL狀態(tài)方程的形式為[11]:
式中:p為爆轟產(chǎn)物的壓力;V為爆轟產(chǎn)物的相對(duì)比容。A,B,R1,R2,ω和E0為6個(gè)待定參數(shù),由圓筒試驗(yàn)來確定。
采用非線性有限元?jiǎng)恿W(xué)軟件ANSYS/LSDYNA 對(duì)圓筒試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,通過對(duì)圓筒壁膨脹過程的試驗(yàn)值和計(jì)算值進(jìn)行比較,確定JWL狀態(tài)方程參數(shù)。計(jì)算時(shí)對(duì)圓筒建立軸對(duì)稱模型,如圖4所示,OABC為HMX 基PBX炸藥,采用基于JWL狀態(tài)方程的MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 模型;CDEF為銅管壁,采用GRUNEISEN 狀態(tài)方程[12-13]和MAT_JOHNSON_COOK 力學(xué)模型[14];由A點(diǎn)起爆。
圖4 圓筒試驗(yàn)數(shù)值模擬軸對(duì)稱模型Fig.4 Axisymmetric model of numerical simulation for the cylinder test
在圓筒試驗(yàn)數(shù)值計(jì)算中,紫銅參數(shù)由文獻(xiàn)[11]和[13]獲得,炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)在開始時(shí)輸入一組已知的與其組分相近的炸藥參數(shù),得到圓筒膨脹距離與時(shí)間的關(guān)系曲線,再與試驗(yàn)測(cè)定的膨脹距離-時(shí)間曲線進(jìn)行比較,根據(jù)它們之間的差異對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,重新輸入程序進(jìn)行計(jì)算,再把計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較,調(diào)整參數(shù)值后進(jìn)行下一次計(jì)算。這樣經(jīng)過多次反復(fù)計(jì)算,不斷修正狀態(tài)方程參數(shù),直到計(jì)算的膨脹距離-時(shí)間曲線與試驗(yàn)曲線間的誤差小于1%時(shí),即認(rèn)為使用的狀態(tài)方程參數(shù)是所要標(biāo)定的參數(shù)。按上述方法,獲得該JWL狀態(tài)方程參數(shù),見表3。計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得到圓筒壁膨脹距離與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖5所示,圖6為圓筒壁膨脹速度與膨脹距離之間的關(guān)系曲線。
表3 HMX 基PBX 爆轟產(chǎn)物的JWL狀態(tài)方程參數(shù)Table 3 The parameters of the JWL equation state of detonation product for the HMX-based PBX
圖5 圓筒壁膨脹距離與時(shí)間之間的關(guān)系曲線Fig.5 The expansion distance-time curve of cylinder
圖6 圓筒壁膨脹距離與膨脹速度之間的關(guān)系曲線Fig.6 The expansion distance-expansion velocity curve of cylinder
從圖5和圖6都可以看出,計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的重合性非常好,誤差小于1%。從圖6可以看出,圓筒壁在初始膨脹階段壁速上升很快,但經(jīng)過一小段膨脹后,壁速上升明顯減緩,并迅速出現(xiàn)了壁速平臺(tái),說明該HMX 基PBX 爆轟反應(yīng)區(qū)較窄,能量釋放過程較快,所以初始階段作功能力較強(qiáng),而后續(xù)作功能力較弱。
為了考察HMX 基PBX 沿軸向加速金屬的能力,同時(shí)驗(yàn)證由圓筒試驗(yàn)所確定的JWL狀態(tài)方程參數(shù)的有效性,設(shè)計(jì)了炸藥柱推動(dòng)平板銅飛片的試驗(yàn),并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。炸藥柱和銅飛片建立二分之一的軸對(duì)稱模型,炸藥采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 模型,JWL 狀態(tài)方程參數(shù)使用表3中的數(shù)據(jù),銅飛片采用GRUNEISEN 狀態(tài)方程和MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO 力學(xué)模型,紫銅飛片的性能力學(xué)的參數(shù)由文獻(xiàn)[11]和[13]獲得,測(cè)量值與計(jì)算值的結(jié)果如圖7所示。
圖7 飛片速度測(cè)量值和計(jì)算值的比較Fig.7 Comparison of experimental results and calculated ones of the plate flyer test
由圖7可看出,在整個(gè)時(shí)間歷程中,飛片速度的測(cè)量值與計(jì)算值能較好地符合,驗(yàn)證了圓筒試驗(yàn)所標(biāo)定的JWL狀態(tài)方程參數(shù)的有效性。從圖7還可以看出,飛片速度在剛開始的2μs內(nèi)上升很快,之后迅速變緩,到6μs左右就接近于最終的速度,這與圓筒試驗(yàn)的結(jié)果是一致的,說明該P(yáng)BX 炸藥的能量釋放過程較快,初始階段作功能力較強(qiáng),后續(xù)作功能力較弱。
(1)利 用Φ25mm標(biāo)準(zhǔn)圓筒試驗(yàn)對(duì)HMX基PBX(90%HMX,10%黏結(jié)劑)的作功能力進(jìn)行了評(píng)價(jià),得到了其作功能力的特征參量以及格尼速度(2.80mm/μs)。
(2)通過圓筒試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值計(jì)算獲得該HMX基PBX 的爆轟產(chǎn)物JWL 狀態(tài)方程參數(shù),通過平板飛片試驗(yàn)驗(yàn)證了所得參數(shù)正確,為該炸藥今后的應(yīng)用和理論計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
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