魏賢鳳，龍新平，韓 勇

(1.中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621999； 2.中國工程物理研究院，四川 綿陽 621999)

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PBX-01炸藥水中爆轟產物狀態(tài)方程研究

魏賢鳳1，龍新平2，韓 勇1

(1.中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621999； 2.中國工程物理研究院，四川 綿陽 621999)

提出通過水中實驗確定炸藥的水中爆轟產物JWL狀態(tài)方程參數的方法；選擇PBX-01高能炸藥進行水中實驗，利用ANSYS/LS-DYNA程序建立炸藥的水中實驗模型，將實驗結果與數值計算結果進行對比，確定PBX-01炸藥水中爆轟產物的JWL狀態(tài)方程參數。研究結果顯示，圓筒實驗確定的JWL參數在反映炸藥水中爆轟產物的膨脹狀態(tài)時有所不足，水中實驗確定的JWL狀態(tài)方程參數能夠更準確地描述PBX-01炸藥水中爆轟產物的膨脹過程，因此對水中爆炸的研究需要通過水中爆炸實驗建一套狀態(tài)方程參數。

爆炸力學；狀態(tài)方程；水下爆炸；爆轟產物

炸藥水中爆炸實驗(水中實驗)是研究非理想炸藥能量釋放特性的一種重要方法，炸藥水中爆炸效應研究對水中兵器、軍事彈藥和水下爆破研究都有極大的幫助。水中實驗能夠彌補沖擊臼法和鉛塊法的不足，對藥量少于10 g便不能完全爆炸的炸藥做功能力進行測試[1]。水中爆炸對炸藥能量釋放的測試不同于空氣中的實驗。水中爆炸能量分為3部分：炸藥的沖擊波能、氣泡能和加熱水所消耗的能量，三部分結合才能對炸藥爆炸產生的總能量進行評估[2-5]。目前水中爆炸的相關研究大多集中在水中爆炸做功能力和水中爆炸毀傷效應2方面，對于水中爆轟產物狀態(tài)方程的基礎研究工作則極少報道[6]。

JWL狀態(tài)方程是重要的爆轟產物狀態(tài)方程，能夠對炸藥爆轟產物的膨脹作功過程進行精確的描述[7]。圓筒實驗是測試炸藥爆轟產物JWL狀態(tài)方程參數的主要方法，由于實驗材料的限制，圓筒實驗采用的銅制圓筒在爆炸反應的中后期會發(fā)生破裂，測試時間有限[8]，所以通過圓筒實驗無法獲得爆炸反應后期的產物膨脹過程，因此根據圓筒實驗結果擬合的JWL參數能否準確反應爆轟產物中后期的能量釋放特性存在疑問。在水中爆炸實驗中，水介質可被看作無限大的殼體，在較長時間(毫秒量級)內不會發(fā)生破裂，炸藥爆轟產物將從高溫高壓狀態(tài)逐漸轉變?yōu)楦邷刂袎籂顟B(tài)，甚至高溫常壓和負壓狀態(tài)。因此，對水中爆炸效應的研究需要能夠反映爆炸中后期(中低壓狀態(tài))產物膨脹特性的參數，由于圓筒實驗僅能準確描述爆炸前期(高溫、高壓狀態(tài))產物的膨脹，所以對炸藥在水中的爆炸現象進行研究時不能依賴圓筒實驗所得JWL參數。

龍新平等[9]研究發(fā)現，PBX-01炸藥在水中爆炸時，水不會發(fā)生汽化，爆轟產物與水之間界面清晰。因此本文中進行PBX-01炸藥的水中爆炸實驗，通過高速掃描相機記錄爆轟產物驅動水介質膨脹的過程，并利用ANSYS/LS-DYNA程序建立炸藥的水中實驗爆炸模型，通過將實驗結果與數值計算結果進行對比，確定PBX-01炸藥水中爆轟產物的JWL狀態(tài)方程參數，并將確定的JWL參數應用于模擬PBX-01炸藥爆轟驅動水的實驗，以驗證狀態(tài)方程參數的有效性。

1 實驗介紹

圖1 炸藥水中實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of underwater explosion test

實驗用PBX-01炸藥(主要成分為HMX)密度1.86 g/cm3、爆壓36.8 GPa、爆速8.87 km/s。為了便于與圓筒實驗進行比較，本文中PBX-01炸藥采用與標準圓筒實驗相同的?25.4 mm的藥柱。實驗所用測試系統(tǒng)如圖1所示。藥柱置于支架中心位置，光源采用氬氣光源，采用延時同步起爆裝置控制PBX-01炸藥及光源炸藥的起爆時間。用高速轉鏡相機記錄爆轟產物在水介質中的膨脹運動過程，相機轉速為30 000 r/min，掃描速度為1.5 km/s。

2 實驗結果及數值分析

2.1 實驗結果

高速攝像機記錄的掃描底片如圖2所示，爆轟產物與水之間的界面十分清晰。圖2中A1為膨脹起始點，A1A3為沖擊波跡線，A2A4為爆轟產物膨脹跡線。圖3是文獻[10]中含鋁炸藥圓筒實驗的高速攝像機記錄的掃描底片圖，A5為膨脹起始點，A5A6是爆轟產物膨脹跡線。對比水中實驗掃描底片圖2與圓筒實驗掃描底片圖3，水中實驗產物膨脹跡線A1A2段不能顯示，無法讀數，只能由A2點讀起，圓筒實驗則從膨脹起始點A5起至A6點均能讀出，但是水中實驗測試時間要長于圓筒實驗。

圖2 PBX-01炸藥水中爆轟產物膨脹的高速掃描底片Fig.2 Photograph of the underwater detonation products expansion process

圖3 圓筒壁膨脹的掃描底片Fig.3 Photograph of the cylinder expansion process

采用龍新平[11]確定的PBX-01炸藥圓筒實驗的JWL狀態(tài)方程參數及本文通過水中實驗確定的PBX-01炸藥爆轟產物的JWL狀態(tài)方程參數，如表1所示，其中：A、B、R1、R2和ω狀態(tài)方程的待定參數，E0為初始比內能。

表1 PBX-01炸藥爆轟產物JWL狀態(tài)方程參數

2.2 數值分析

采用ANSYS/LS-DYNA程序建立水中實驗爆炸模型，如圖4所示。JWL狀態(tài)方程為：

(1)

式中：p為壓力，vg為氣體產物的比容，E為比內能。在計算中，對炸藥采用高能炸藥燃燒模型(MAT-HIGH EXPLOSIVE-BURN)，水采用Grüneisen狀態(tài)方程描述[12]：

(2)

式中：ρ為密度，c為體積聲速，μ為應力波傳播速度，γ0為Grüneisen常數，a是γ0的一階體積修正，s1、s2、s3是μ-p曲線的斜率系數[13]。玻璃選用理想彈塑性材料：密度為2.3 g/cm3，剪切模量為4 GPa，屈服強度為0.12 GPa[14]。

將圓筒實驗和水中實驗確定的JWL狀態(tài)方程參數(見表1)用于水中實驗的數值模擬，計算得到測試點爆轟產物膨脹的位移(d)-時間關系曲線，并與水中實驗結果進行對比，結果如圖5所示。

由圖5可知，圓筒實驗確定的JWL參數用于圖4的水中實驗數值模擬時(圖4)，模擬結果與實驗值存在一定的偏差，尤其是在爆炸初期。對部分時間點的差值進行統(tǒng)計：爆轟初期3.5 μs時二者差值為1.02 mm，約為實驗值的14%；產物傳播至10.4 μs時，二者差值為1.32 mm，約為實驗值的9.6%；傳播至膨脹中期17～25 μs時二者差值逐漸減?。粋鞑ブ?5～30 μs時二者位移差出現交叉；至43 μs時差值為0.92 mm，約為實驗值的3.6%。上述數據說明，圓筒實驗確定的JWL參數在反映炸藥水中爆轟產物的膨脹狀態(tài)時有所不足(通過圓筒實驗擬合JWL參數時要求實驗值與計算值誤差小于1%)。本文中認為造成爆轟前期存在偏差的原因可能有以下2點：(1) 根據圖2所示，水中實驗爆轟產物膨脹初期有可能受到沖擊波的影響，導致讀數誤差較大，因此圓筒實驗確定的JWL參數無法準確描述水中爆轟產物初期的膨脹過程；(2) 圓筒實驗與水中實驗所用材料不同，即銅與水性質不同，因此爆炸前期2種實驗爆轟產物傳播軌跡不同。由圖5可以看出，圓筒實驗模擬結果與水中實驗值后期相比偏高，其原因可能是因為：即使是在爆轟產物傳播至30 μs時，水介質仍未破裂，因此30 μs后水對爆轟產物的傳播仍然存在束縛作用。本文中在處理數據時可能存在實驗誤差，5 μs時實驗值與計算值差1%，25 μs時實驗值與計算值差0.2%，43 μs時實驗值與計算值差0.3%，但比較圖5中的實驗值與計算結果，本文中所用水中實驗確定的JWL狀態(tài)方程參數能夠更準確的描述PBX-01炸藥水中爆轟產物的膨脹過程。

如圖5所示，本文水中實驗對水中爆轟產物膨脹過程記錄的有效時間達到40 μs以上，能夠對爆轟產物膨脹過程的中后期進行描述。圓筒實驗是在空氣中進行的，其對爆轟產物的膨脹過程描述的有效時間僅在20 μs左右，考慮到炸藥爆炸時水介質在較長時間內不會發(fā)生破裂，所以，確定炸藥的水中爆轟產物狀態(tài)方程參數應用水中實驗的方法更為可行。

圖4 PBX-01炸藥水中實驗計算模型示意圖Fig.4 Underwater explosion test model of PBX-01 explosive

圖5 PBX-01炸藥爆轟產物膨脹位移曲線與水中實驗值Fig.5 Calculated and tested expansion distance-time curves in underwater explosion test of PBX-01 explosive

3 結 論

本通過水中實驗確定的JWL狀態(tài)方程參數對水中爆炸過程的描述更接近實際情況。水中實驗不能替代圓筒實驗，但是與圓筒實驗相比，水中實驗更適用于炸藥水中爆炸效應的分析。

水中實驗法確定水中爆轟產物狀態(tài)方程方法的建立，對于常用于水下爆炸的炸藥(如含鋁炸藥)的水中爆炸效應分析和水中兵器的應用研究具有重要意義。

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(責任編輯 王小飛)

Studies on the state equation of the underwater detonation products for PBX-01 explosive

Wei Xian-feng1, Long Xin-ping2, Han Yong1

(1.InstituteofChemicalMaterials,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621999,Sichuan,China; 2.ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621999,Sichuan,China)

A method was raised by taking out the underwater explosion test to determin the JWL state equation parameters of detonation products. The PBX-01 explosive was applied and a calculating model of underwater explosion test was established by using ANSYS/LS-DYNA program. The JWL state equation parameters of detonation products for PBX-01 explosive were determined according to the comparison of the experimental and numerical results. Parameters determined by underwater explosion test and cylinder expansion test were used for detonation products driving water test. The results show that the underwater explosion test numerical simulation is accordant better in initial stage. Specially appointed patameters need to be established in the underwater explosions.

mechanics of explosion; equation of state; underwater explosion; detonation products

10.11883/1001-1455(2015)04-0599-04

2013-12-25；

2014-03-26

魏賢鳳(1984- )，女，博士研究生； 通訊作者： 龍新平，longxinping@vip.sina.com。

O381；TJ55 國標學科代碼： 13035

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