李龍飛，王晶禹，候聰花

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TATB基PBX炸藥沖擊波感度數(shù)值模擬研究

李龍飛，王晶禹，候聰花

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原，030051）

為研究TATB基PBX炸藥的沖擊波感度，采用顯式動(dòng)力學(xué)有限元程序——AUTODYN軟件對(duì)某TATB基PBX炸藥在沖擊波作用下的臨界起爆特性進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)小隔板試驗(yàn)和沖擊波在有機(jī)玻璃隔板中衰減模型的理論計(jì)算驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性，數(shù)值模擬中，通過(guò)3D模型的計(jì)算可以直觀地看到在爆炸過(guò)程中沖擊波傳播的運(yùn)動(dòng)軌跡，模擬計(jì)算出某TATB基PBX炸藥臨界隔板值在5.5～5.7mm之間，臨界起爆壓力在3.19～3.44GPa之間，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

TATB；PBX；小隔板試驗(yàn)；數(shù)值模擬

TATB為基的高聚物粘結(jié)炸藥（PBX）是由高分子粘結(jié)劑和鈍感炸藥TATB組成的復(fù)合材料，具有很好的安全性和安定性，被認(rèn)為是最優(yōu)良的鈍感炸藥之一，因此倍受含能材料者的關(guān)注[1]。

沖擊波感度是指在沖擊波作用下，炸藥發(fā)生爆轟的難易程度，是衡量炸藥安全性能的一個(gè)重要指標(biāo)[2]，對(duì)于炸藥的儲(chǔ)存、運(yùn)輸以及應(yīng)用都具有指導(dǎo)作用。小隔板試驗(yàn)是一種經(jīng)典的測(cè)定炸藥沖擊波感度的方法。其過(guò)程為將標(biāo)準(zhǔn)施主炸藥和被測(cè)試的受主炸藥用惰性衰減材料隔開，通過(guò)改變隔板的厚度找到受主炸藥50%起爆概率對(duì)應(yīng)的隔板厚度，利用隔板值定性表征試樣相對(duì)沖擊波感度大小。而為了能夠定量表征該臨界條件，很多研究人員用沖擊波壓力表征試樣的沖擊起爆閾值。但是，炸藥的起爆是一個(gè)十分復(fù)雜的物理、化學(xué)與力學(xué)綜合的過(guò)程，必須進(jìn)行大量的試驗(yàn)，然后通過(guò)概率的方法取得一個(gè)定量的結(jié)果，但是試驗(yàn)部件是一次性作用的結(jié)構(gòu)，不能重復(fù)使用，從經(jīng)濟(jì)角度考慮花費(fèi)很大。小隔板試驗(yàn)還要耗費(fèi)大量的人力、物力，于是數(shù)值模擬計(jì)算就成為研究這一問(wèn)題的另一種途徑[3]。本文通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)來(lái)研究某TATB基PBX炸藥沖擊波感度臨界隔板值和臨界起爆壓力。

1 數(shù)值模擬的研究

1.1 數(shù)值模擬計(jì)算模型

數(shù)值模擬中運(yùn)用顯式動(dòng)力學(xué)有限元程序——AUTODYN軟件對(duì)某TATB基PBX炸藥（以下稱為被測(cè)試樣）的沖擊起爆過(guò)程進(jìn)行3D數(shù)值模擬。計(jì)算模型采用GJB 2178.1A小隔板試驗(yàn)裝置[4]作為參考模型，見圖1。

圖1 小隔板試驗(yàn)裝置圖

模型中施主炸藥藥柱為直徑5.10mm、高度38mm、密度1.604g/cm3的黑索今（RDX）藥柱；隔板為直徑26mm、密度1.18g/cm3的有機(jī)玻璃；受主炸藥（被測(cè)試樣）直徑及高度與施主炸藥相同[5-6]。施主炸藥及受主炸藥均采取強(qiáng)約束，約束套筒材料為45＃鋼，外徑25mm。

計(jì)算中為了可以方便設(shè)置起爆點(diǎn)，建模中忽略點(diǎn)火頭、雷管和雷管座，見圖2。施主炸藥RDX選用JWL（Jones-Wilkins-Lee）狀態(tài)方程；隔板、套筒和鑒定塊選用Shock狀態(tài)方程；受主炸藥（被測(cè)試樣）選用Lee-Tarver狀態(tài)方程（三項(xiàng)式點(diǎn)火增長(zhǎng)模型）。模型各部分均采用Lagrange算法，RDX與隔板、隔板與PBX炸藥、PBX炸藥與套筒和鑒定塊的作用過(guò)程采用Lagrange/Lagrange耦合算法計(jì)算[7-9]。計(jì)算時(shí)為了方便觀察沖擊波傳播過(guò)程，采用1/2模型。在被測(cè)試樣藥柱中心軸處添加Gauges觀測(cè)點(diǎn)，見圖3。

1.2 模擬結(jié)果

為了驗(yàn)證計(jì)算模型的可靠性，數(shù)值模擬采用與實(shí)驗(yàn)研究相同的材料及尺寸。在數(shù)值模擬的研究中，有機(jī)玻璃隔板的厚度步長(zhǎng)為0.2mm，所得Gauges點(diǎn)壓力——時(shí)間曲線圖見圖4所示。

圖 2 計(jì)算模型

圖3 Gauges點(diǎn)位置

圖4 不同隔板厚度時(shí)被測(cè)炸藥不同位置的壓力——時(shí)間曲線

從圖4中可以看出隔板厚度為5.5mm時(shí)，被測(cè)試樣在沖擊波傳播方向上各點(diǎn)的壓力峰值逐漸升高，而隔板厚度為5.7mm時(shí)，壓力峰值逐漸降低。在小隔板試驗(yàn)中主要通過(guò)鑒定塊的鋼凹值判斷被測(cè)試樣是否發(fā)生爆轟，而數(shù)值模擬中則通過(guò)觀察不同位置的壓力峰值變化判斷是否發(fā)生爆轟，如壓力峰值逐漸上升，說(shuō)明發(fā)生爆轟；反之，則沒有發(fā)生爆轟。在計(jì)算過(guò)程中，可以觀察沖擊波傳播趨勢(shì)及壓力的大小，比較直觀地看到被測(cè)炸藥是否發(fā)生爆轟，見圖5。

圖5 計(jì)算模擬Contour效果圖（13μs）

通過(guò)數(shù)值模擬得出某TATB基PBX炸藥臨界隔板值在5.5～5.7mm之間，對(duì)應(yīng)的臨界起爆壓力在3.19～3.44GPa之間。

2 理論及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬的有效性，對(duì)某TATB基PBX炸藥進(jìn)行小隔板試驗(yàn)，試驗(yàn)材料及尺寸與數(shù)值模擬相同，均參照GJB 2178.1A小隔板試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)步驟按照GJB 2178.1A要求進(jìn)行。取施主裝藥和試樣裝藥中間無(wú)隔板時(shí)，即零間隙所對(duì)應(yīng)的鋼凹值的50%作為判據(jù)，經(jīng)試驗(yàn)所得試樣裝藥判據(jù)為0.766mm。試驗(yàn)所得臨界隔板值結(jié)果如表1所示。

表1 不同隔板厚度對(duì)應(yīng)的鋼凹值

Tab.1 Steel concave value with different bulkhead thickness

從表1可看出被測(cè)試樣的臨界隔板值在5.41～5.61mm之間，數(shù)值模擬得到被測(cè)試樣的臨界隔板值在5.50～5.70mm之間，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

2.2 理論驗(yàn)證

3 結(jié)論

（1）通過(guò)隔板試驗(yàn)和臨界起爆壓力的理論計(jì)算驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，結(jié)果表明試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，證明該計(jì)算模型能夠滿足計(jì)算要求。（2）從數(shù)值模擬的過(guò)程中可以比較清楚地看到爆轟沖擊波的傳播軌跡，可以更加直觀地了解小隔板試驗(yàn)爆轟沖擊波的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。（3）數(shù)值模擬得出被測(cè)試樣TATB基PBX炸藥的臨界隔板值在5.5～5.7mm之間，試驗(yàn)得出的臨界隔板值在5.41～5.61mm之間。

[1] 谷成剛.TATB基高聚物粘結(jié)炸藥（PBX）配方設(shè)計(jì)的分子水平研究[D].南京:南京理工大學(xué),2004.

[2] 松全才,楊崇惠,金韶華.炸藥理論[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1997.

[3] 陳朗，馮長(zhǎng)根.固體炸藥沖擊起爆實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬[C]//第十一屆火工煙火學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京：中國(guó)兵工學(xué)會(huì)，2002.

[4] GJB 2178.1A-2005 國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)——傳爆藥安全性試驗(yàn)方法——小隔板試驗(yàn)[S].北京：國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì), 2005.

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Numerical Simulation on the Shock Wave Sensitivity of TATB Based PBX Explosive

LI Long-fei，WANG Jing-yu，HOU Cong-hua

(School of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Taiyuan, 030051)

In order to study the shock wave sensitivity of TATB based PBX explosive, by use of the explicit dynamic finite element program AUTODYN software, the characteristics of the critical initiation for a certain TATB based PBX explosive under the effect of shock wave were numerical simulation. Through a small scale gap test and calculation of shock wave attenuation model in the organic glass partition, the reliability of numerical simulation was validated. During the calculation of 3D models, the explosion shock wave propagation in the process of trajectory can be seen directly, the critical value of the bulk-head thickness was between 5.5 mm to 5.7 mm, the critical initiation pressure was between 3.19GPa to 3.44GPa, and the numerical simulation result was consistent with the experimental results.

TATB；PBX；Small scale gap test；Numerical simulation

TQ560.5

A

1003-1480（2014）06-0032-03

2014-06-16

李龍飛（1988-），男，在讀碩士研究生，從事傳爆藥安全性能研究。