魯忠寶, 胡宏偉, 劉 銳, 楊 帆

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典型裝藥水下爆炸的殉爆規(guī)律研究

魯忠寶1, 胡宏偉2, 劉 銳1, 楊 帆1

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075; 2. 西安近代化學(xué)研究所, 陜西 西安, 710065)

針對(duì)典型的殼裝炸藥殉爆更接近炸藥實(shí)際使用狀態(tài), 采用ANSYS/LS_DYNA軟件建立了典型裝藥水下殉爆的有限元仿真模型, 通過(guò)計(jì)算得到了殉爆距離與安全距離, 基于此加工了試驗(yàn)樣彈, 并進(jìn)行了相應(yīng)的水下殉爆試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果較為吻合, 表明了本文的仿真模型能夠有效描述帶殼裝藥的水下殉爆情況, 水下試驗(yàn)中由沖擊波壓力和氣泡周期來(lái)判斷被發(fā)裝藥是否殉爆是可行的。最后, 在水下殉爆理論分析基礎(chǔ)上, 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果預(yù)計(jì)了大藥量水中兵器戰(zhàn)斗部的安全性。本文的研究可為水中兵器戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的安全性設(shè)計(jì)提供依據(jù), 并可為水中兵器戰(zhàn)斗部殉爆毀傷能力評(píng)估提供參考。

水中兵器; 戰(zhàn)斗部; 水下爆炸; 殉爆; 有限元仿真模型; 安全性

0 引言

炸藥作為一種含能物質(zhì), 在受到足夠強(qiáng)的外界刺激如力、熱、光和電等作用時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸, 并可能造成臨近炸藥的殉爆[1]。炸藥殉爆主要有裸裝炸藥殉爆和殼裝炸藥殉爆2類, 其中殼裝炸藥殉爆更接近炸藥實(shí)際使用狀態(tài)。根據(jù)所處的環(huán)境, 主要有空氣中殉爆與水下殉爆2類。目前, 國(guó)內(nèi)外對(duì)炸藥空氣中的殉爆研究較多, 如Howe等人采用歐拉程序2DE對(duì)殼裝炸藥殉爆進(jìn)行了2D數(shù)值仿真[2]; Lu 等人對(duì)裸裝PBXN2109炸藥殉爆進(jìn)行了數(shù)值仿真[3]; Fisher等人對(duì)殼裝PBXN29 炸藥殉爆進(jìn)行了數(shù)值仿真[4]; 陳朗等人計(jì)算了不同距離下裸裝炸藥的殉爆距離[5]; 文獻(xiàn)[6]的表1中, 給出了當(dāng)主發(fā)藥和被發(fā)藥均為柱狀TNT散裝單質(zhì)炸藥時(shí)的殉爆試驗(yàn)數(shù)據(jù); 王晨等人進(jìn)行殼裝固黑鋁(GHL)炸藥殉爆試驗(yàn)[7]; 周保順等對(duì)沖擊波作用下炸藥殉爆過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[8]。不過(guò), 對(duì)炸藥水中殉爆研究尚未見(jiàn)詳細(xì)報(bào)道。

對(duì)于水中兵器, 戰(zhàn)斗部水下爆炸可能激起一定距離上的另一水中兵器戰(zhàn)斗部發(fā)生爆炸, 即產(chǎn)生殉爆, 殉爆也是摧毀敵方水中兵器的作用方式之一。研究典型裝藥水下爆炸的殉爆機(jī)理, 分析水中兵器戰(zhàn)斗部對(duì)來(lái)襲水中兵器戰(zhàn)斗部的安全距離與殉爆距離, 可為水中兵器戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的安全性設(shè)計(jì)提供依據(jù), 同時(shí)也可為打擊水中兵器用的水中兵器戰(zhàn)斗部的毀傷威力評(píng)定提供一種新方法。

1 水中殉爆的理論分析

1.1 影響水中殉爆的因素

水中殉爆規(guī)律很復(fù)雜, 引起殉爆的原因可能有主發(fā)裝藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波、氣泡、二次壓力波及爆轟產(chǎn)物直接作用等。影響水中殉爆的因素很多, 主要有以下幾個(gè)方面。

1.1.1主發(fā)裝藥的影響

不同種類主發(fā)炸藥其爆炸能量釋放與輸出特性存在差異, 其殉爆距離也不同。相同種類的炸藥, 主發(fā)裝藥的藥量越大, 能量越高, 被發(fā)裝藥越容易被起爆。主發(fā)裝藥帶外殼時(shí), 爆轟產(chǎn)物受到約束, 增大了主發(fā)裝藥的爆轟性能, 使殉爆距離增大。外殼強(qiáng)度越大, 這種效應(yīng)越顯著。

1.1.2被發(fā)裝藥的影響

被發(fā)裝藥對(duì)外界刺激越敏感, 殉爆距離越大。裝藥密度較低時(shí), 也容易殉爆。另外, 外殼對(duì)爆轟產(chǎn)物、沖擊波和破片有衰減、阻擋作用, 能導(dǎo)致殉爆距離減小。

1.1.3裝藥的布局

主發(fā)裝藥與被發(fā)裝藥按同軸線的擺放方式比按軸線垂直擺放方式更容易殉爆, 起爆方式對(duì)殉爆距離也有影響。

當(dāng)主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥的種類確定時(shí), 影響殉爆的主要因素為殼體厚度和材料, 殼體厚度和材料都會(huì)對(duì)沖擊波大小產(chǎn)生影響。有研究表明, 帶殼裝藥水下爆炸的沖擊波峰值壓力隨殼厚與裝藥半徑比的增加先增大后減小, 當(dāng)殼厚裝藥半徑比為0.07～0.08時(shí), 峰值壓力隨殼厚變化的趨勢(shì)發(fā)生改變, 對(duì)主發(fā)裝藥適當(dāng)?shù)臍んw厚度可以增大殉爆距離。但對(duì)被發(fā)裝藥, 可能會(huì)導(dǎo)致殉爆距離減小。當(dāng)主、被發(fā)裝藥都帶殼體時(shí), 難以判斷出殼體對(duì)殉爆距離的影響。

1.2 水中爆炸的起爆判據(jù)和殉爆閾值

1.2.1水中爆炸的起爆判據(jù)

起爆判據(jù)是判斷主發(fā)裝藥爆炸后, 被發(fā)裝藥是否爆炸的依據(jù), 空氣中一般用爆炸產(chǎn)生的特征參量(沖擊波超壓)或試驗(yàn)現(xiàn)象(殘藥或見(jiàn)證板的破壞情況)來(lái)判別。對(duì)于水中爆炸, 被發(fā)裝藥的殘藥或殘留外殼、見(jiàn)證板難于回收, 可采用水中沖擊波壓力和氣泡周期來(lái)判斷被發(fā)裝藥是否發(fā)生爆轟。

1.2.2水中爆炸的起爆閾值

沖擊起爆是炸藥對(duì)壓力脈沖的一種動(dòng)態(tài)響應(yīng)形式。對(duì)于均質(zhì)炸藥, 早期認(rèn)為只要沖擊波壓力超過(guò)臨界起爆壓力, 炸藥就會(huì)被引爆。對(duì)于非均質(zhì)炸藥, 其起爆閾值既與沖擊波壓力有關(guān), 又與其持續(xù)時(shí)間有關(guān)。因此, 水中爆炸殉爆的臨界起爆判據(jù)需要綜合考慮臨界起爆壓力或臨界起爆能量, 殉爆臨界起爆閾值應(yīng)符合:＞,≥(為沖擊波能,為臨界起爆能)。

1.3 帶殼裝藥水中爆炸的殉爆相似律

函數(shù)的具體形式可通過(guò)試驗(yàn)確定, 當(dāng)以沖擊波超壓作為判別殉爆的主要參數(shù)時(shí), 水中殉爆距離與主發(fā)藥量、殼體厚度和裝藥半徑(包括主發(fā)和被發(fā)裝藥)的比值有關(guān)。

2 數(shù)值仿真

有限元分析軟件ANSYS/LS_DYNA強(qiáng)大的自適應(yīng)線譜增強(qiáng)算法(adaptive line enhancement, ALE)和Euler算法及炸藥的材料與狀態(tài)方程廣泛應(yīng)用于各種水下爆炸分析中, 相關(guān)資料表明[9], ANSYS/LS-DYNA在水中爆炸分析中有很多成功的案例。對(duì)炸藥水下殉爆試驗(yàn)的數(shù)值仿真可以描述炸藥在殉爆中的反應(yīng)規(guī)律, 同時(shí)能夠獲得殉爆過(guò)程中的細(xì)節(jié)規(guī)律, 在很大程度上可以減少試驗(yàn)數(shù)量。

2.1 計(jì)算模型

2.1.1 物理模型及算法

炸藥裝藥水下爆炸殉爆模型見(jiàn)圖1,為2個(gè)裝藥的中心距,為2個(gè)裝藥的邊距。主發(fā)裝藥與被發(fā)裝藥外形尺寸均為f90 mm×90 mm的圓柱體, 裝藥類型均為GUHL-1, 主發(fā)裝藥包裹有 1.5 mm的鋁殼, 被發(fā)裝藥包裹有1 mm的鋁殼。

圖1 裝藥水下殉爆示意圖

計(jì)算模型由主發(fā)裝藥、被發(fā)裝藥、主發(fā)裝藥外殼、被發(fā)裝藥外殼和水介質(zhì)5部分組成, 其中主發(fā)裝藥、水介質(zhì)采用歐拉網(wǎng)格建模, 單元使用多物質(zhì)ALE算法, 被發(fā)裝藥、主發(fā)裝藥外殼、被發(fā)裝藥外殼采用LAGRANGE算法, 在被發(fā)裝藥、主發(fā)裝藥外殼、被發(fā)裝藥外殼與水域間采用關(guān)鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID實(shí)現(xiàn)耦合算法[10]。主發(fā)裝藥采用圓柱體中心起爆, 根據(jù)模型對(duì)稱性特點(diǎn), 主發(fā)裝藥及其外殼采用1/2有限元建模。選擇SOLID164單元和相應(yīng)的材料屬性對(duì)幾何模型劃分網(wǎng)格, 創(chuàng)建PART, 施加對(duì)稱約束和透射邊界條件, 調(diào)整主發(fā)裝藥與被發(fā)裝藥間的距離, 設(shè)置求解時(shí)間等操作。形成有限元模型如圖2所示。

圖2 裝藥水下殉爆有限元模型

2.1.2材料與狀態(tài)方程

主發(fā)裝藥及被發(fā)裝藥的鋁殼選用各項(xiàng)同性隨動(dòng)強(qiáng)化的彈塑性金屬材料模型MAT_PLASTIC_ KINEMATIC, 密度=2.7×103kg/m3, 彈性模量=70 GPa,泊松比=0.35, 屈服應(yīng)力=0.3 GPa; 水選用空白材料模型NULL, 狀態(tài)方程為EOS_GRUNEISEN, 密度為水=1.025×103kg/m3; 主發(fā)裝藥選用高能炸藥燃燒與增長(zhǎng)模型MAT_ HIGH_EXPLOSIVE_BURN, EOS_JWL狀態(tài)方程, 其密度藥=1.8×103kg/m3, 爆速=7020 m/s, 爆壓P=21.5 GPa, 炸藥及水的具體參數(shù)可參考文獻(xiàn)[11]。被發(fā)裝藥采用流體彈塑性材料模型*MAT _ELASTIC_PLASTIC_HYDRO[12], 采用點(diǎn)火增長(zhǎng)反應(yīng)速率方程*EOS_IGNITION_AND_ GROWTH_ OF_REACTION_IN_HE[12], 方程如下

GUHL-1炸藥點(diǎn)火增長(zhǎng)模型參數(shù)選取如表1所示。

2.2 仿真計(jì)算結(jié)果

選取幾種不同作用距離進(jìn)行仿真模型的計(jì)算。當(dāng)=3 cm時(shí), 被發(fā)裝藥未被殉爆, 沖擊波傳播、被發(fā)裝藥變形、被發(fā)裝藥內(nèi)部＃120154單元的壓力時(shí)程曲線(峰值壓力P= 2.31714GPa)見(jiàn)圖3。當(dāng)=1 cm時(shí), 被發(fā)裝藥被殉爆, 沖擊波傳播、被發(fā)裝藥殉爆、被發(fā)裝藥內(nèi)部＃120154單元的壓力時(shí)程曲線(峰值壓力P=23.224 5 GPa)見(jiàn)圖4。

表1 GUHL-1炸藥點(diǎn)火增長(zhǎng)模型反應(yīng)速率方程參數(shù)

圖3 作用距離R=3 cm時(shí), 沖擊波傳播、被發(fā)裝藥變形以及內(nèi)部單元壓力時(shí)程曲線圖

圖4 R=1 cm時(shí), 沖擊波傳播、被發(fā)裝藥殉爆以及內(nèi)部單元壓力時(shí)程曲線圖

3 殉爆試驗(yàn)

按照2.1中的仿真研究模型, 加工了試驗(yàn)樣彈, 尺寸都為f90mm×90mm, 裝藥品種都為GUHL-1, 密度大于1.8×103kg/m3, 主發(fā)裝藥鋁殼厚1.5 mm, 傳爆藥柱為20 g JH-14, 采用8#銅殼電雷管端面中心起爆。被發(fā)裝藥鋁殼厚1 mm。

試驗(yàn)水池為圓柱形結(jié)構(gòu), 試驗(yàn)時(shí)將主發(fā)裝藥、被發(fā)裝藥懸吊在水池中心, 入水深度5 m, 并處于同一水平面上, 主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥的距離通過(guò)鐵絲編制的架子來(lái)控制。同時(shí)在距爆心2.5 m處布放3個(gè)水下傳感器, 傳感器與兩裝藥處于同一水平面。測(cè)定炸藥爆炸時(shí)水中壓力隨時(shí)間而變化的-曲線。

測(cè)試系統(tǒng)由高速采集儀(見(jiàn)圖5)、適配器、水下沖擊波壓力傳感器(見(jiàn)圖6)、低噪聲電纜和專用軟件組成。傳感器采用美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的PCB138A型大量程電氣石壓力傳感器, 測(cè)量系統(tǒng)有專用軟件, 能自動(dòng)找出氣泡脈動(dòng)周期和沖擊波峰值壓力等參數(shù)。

首先測(cè)量了單個(gè)1 kg的GUHL-1炸藥(主發(fā)裝藥, 見(jiàn)圖7)水中爆炸的沖擊波壓力和氣泡周期, 測(cè)距為2.5 m, 3點(diǎn)的峰值壓力平均值為16.27 MPa, 氣泡周期平均值為322.9 ms。GUHL-1和GUHL-1的殉爆試驗(yàn)裝配見(jiàn)圖8。殉爆的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5 水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖6 傳感器

圖7 單個(gè)1 kg的GUHL-1炸藥

圖8 GUHL-1和GUHL-1的殉爆試驗(yàn)裝配圖

4 結(jié)果分析及討論

針對(duì)相同的主發(fā)裝藥、被發(fā)裝藥的水下殉爆研究模型, 采用數(shù)值仿真以及試驗(yàn)測(cè)試的方式展開(kāi)研究。

由圖4可看出, 在=1 cm時(shí), 被發(fā)裝藥發(fā)生膨脹, 其內(nèi)部一單元的峰值壓力達(dá)23.224 5 GPa,大于該炸藥的爆壓P, 被發(fā)裝藥被殉爆; 由圖3可看出, 在= 3 cm時(shí), 被發(fā)裝藥發(fā)生壓縮變形, 內(nèi)部同一單元的峰值壓力僅為2.31714 GPa, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該炸藥的爆壓P, 被發(fā)裝藥未被殉爆。同樣可得在= 6 cm和= 8 cm工況下, 被發(fā)裝藥均未被殉爆。采用數(shù)值仿真方法, 可以明顯地觀測(cè)到被發(fā)裝藥是否被殉爆。數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的吻合表明, 采用數(shù)值仿真方法能較好地模擬水下殉爆, 本文2.1節(jié)中的材料與狀態(tài)方程參數(shù)是合理可行的。

表2 GUHL-1和GUHL-1的殉爆試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)殉爆距離較近時(shí), 難以準(zhǔn)確測(cè)量沖擊波峰值壓力, 通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算可知, 被發(fā)裝藥GUHL-1的殉爆沖擊波壓力閾值約為7.49 GPa。

由表2可知, 2個(gè)裝藥表面距離為3 cm, 6 cm和8 cm時(shí), 測(cè)點(diǎn)處的沖擊波峰值壓力和氣泡周期與單個(gè)1 kg的GUHL-1裝藥一致, 被發(fā)裝藥未殉爆。2個(gè)裝藥表面距離為1 cm時(shí), 測(cè)點(diǎn)處的沖擊波峰值壓力和氣泡周期都大于單個(gè)1 kg的GUHL-1裝藥的沖擊波峰值壓力和氣泡周期, 被發(fā)裝藥殉爆, 與數(shù)值仿真結(jié)果吻合。研究表明, 在水下殉爆試驗(yàn)中, 由沖擊波壓力和氣泡周期來(lái)判斷被發(fā)裝藥是否殉爆是可行的。

當(dāng)主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥都為帶殼的1 kg的GUHL-1時(shí), 水中爆炸的殉爆中心距離約為10 cm, 安全中心距離約為12 cm, 距離很近。根據(jù)水中爆炸的殉爆相似律可知, 大藥量的水中兵器戰(zhàn)斗部在水下戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的安全性也很高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文選取了水下典型的主發(fā)裝藥與被發(fā)裝藥模型, 采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)典型帶殼裝藥的水下殉爆進(jìn)行了數(shù)值仿真, 并加工了試驗(yàn)樣彈, 開(kāi)展了水下殉爆的試驗(yàn)研究, 得到了典型帶殼裝藥的水下殉爆距離與安全距離。數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合, 表明數(shù)值仿真模型能夠有效描述帶殼裝藥的水下殉爆情況, 試驗(yàn)中由沖擊波壓力和氣泡周期來(lái)判斷被發(fā)裝藥是否殉爆是可行的。由水下殉爆的理論分析, 可以預(yù)計(jì)大藥量水中兵器戰(zhàn)斗部的殉爆安全性。

本文僅選取了典型的水下裝藥模型, 有關(guān)不同裝藥品種、不同裝藥形式與起爆方式、不同裝藥外殼的水下殉爆現(xiàn)象與規(guī)律的研究尚沒(méi)有涉及, 有待后續(xù)深入研究。

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(責(zé)任編輯: 楊力軍)

Research on Law of Sympathetic Detonation of Typical Charge Subjected to Underwater Explosion

LU Zhong-bao,HU Hong-wei,LIU Riu,YANG Fan

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2. Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

Aiming at typical charge in shell, a finite element analysis (FEA) model of sympathetic detonation of typical charge subjected to underwater explosion is established using the simulation software ANSYS/LS_DYNA. The distance of sympathetic detonation and the distance of safety are achieved by calculation, and a prototype ammunition is manufactured for underwater sympathetic detonation experiment. The experimental result indicates that the FEA model can describe the underwater sympathetic detonation of charge in shell effectively, and that explosive pressure and bubble period can be used to estimate the occurrence of sympathetic detonation of acceptor charge. Based on the theoretical analysis of underwater sympathetic detonation, the warhead security of typical underwater weapon is estimated according to the experiment result. This study may give a reference for the safety design and the destroy ability evaluation of underwater weapon warhead.

underwater weapon; warhead; underwater explosion; sympathetic detonation; finite element analysis(FEA) model; security

TJ630.1; TP391.9

A

1673-1948(2014)03-0230-06

2013-12-16;

2014-01-27.

魯忠寶(1978-), 男, 碩士, 高級(jí)工程師, 主要從事水中兵器戰(zhàn)斗部的研究與設(shè)計(jì).