梁曉勇， 呂春玲， 張　俊，， 周得才， 張景林

(1. 中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院， 山西 太原 030051； 2. 湖北三江航天紅林探控有限公司， 湖北 孝感 432000)

?

CL-20基PBX炸藥沖擊波感度數(shù)值模擬

梁曉勇1， 呂春玲1， 張俊1，2， 周得才2， 張景林1

(1. 中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院， 山西 太原 030051； 2. 湖北三江航天紅林探控有限公司， 湖北 孝感 432000)

為研究CL-20基PBX炸藥的沖擊波感度，采用顯式動(dòng)力學(xué)有限元程序——ANSYS/LS-DYNA軟件，運(yùn)用ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)算法對(duì)某 CL-20基 PBX炸藥在沖擊波作用下的臨界起爆特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算出該炸藥臨界隔板厚度值在24.56～25.7 mm范圍內(nèi)。通過(guò)大隔板試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，得出試樣50%發(fā)生爆轟的隔板厚度L50=25.23 mm，與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。

數(shù)值模擬； CL-20； PBX炸藥； 沖擊波感度； 大隔板試驗(yàn)

六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)是目前世界上能量密度最高的單質(zhì)炸藥之一，以 CL-20為主體的混合炸藥具有高爆速、高爆壓等特性，具有良好的應(yīng)用前景，受到研究者的廣泛關(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。由于沖擊波起爆是炸藥起爆的主要形式，因此沖擊波感度對(duì)評(píng)價(jià)炸藥的起爆和安全性都具有十分重要的作用，它反映炸藥是否具有良好戰(zhàn)地生存能力和準(zhǔn)確、可靠的起爆性能[2]。大隔板試驗(yàn)[3]是測(cè)試含能材料沖擊波感度的一種常用方法。但是，在沖擊波感度測(cè)試過(guò)程中，藥柱的傳爆及起爆存在隨機(jī)性，必須進(jìn)行大量的試驗(yàn)，取50%爆轟隔板值作為試驗(yàn)結(jié)果。因此，沖擊波感度測(cè)試耗費(fèi)大，且消耗大量人力及物力。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)及有限元仿真技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法可以較為有效地模擬出沖擊波感度隔板臨界值(區(qū)間值)，從而減少大隔板試驗(yàn)量、提高試驗(yàn)準(zhǔn)確度，有效地降低成本。李龍飛等[4]運(yùn)用有限元軟件AUTODYN對(duì)TATB 基 PBX 炸藥進(jìn)行了小隔板試驗(yàn)數(shù)值模擬，得出其臨界隔板值在5.5～5.7 mm范圍內(nèi)，臨界起爆壓力在3.19～3.44 GPa范圍內(nèi)；姜夕博等[5]運(yùn)用有限元軟件AUTODYN對(duì)沖擊波在有機(jī)玻璃中的衰減特性進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，得出隨著隔板長(zhǎng)度的增加，側(cè)向稀疏波的影響將會(huì)越來(lái)越顯著；章少方[6]運(yùn)用有限元軟件LS-DYNA中的Lagrange算法對(duì)復(fù)合裝藥爆轟能量輸出及沖擊波感度進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出復(fù)合裝藥的沖擊波感度在以HMX為基的高感炸藥及以TATB為基的鈍感炸藥之間。以上研究均運(yùn)用了Lagrange算法對(duì)相關(guān)的炸藥進(jìn)行沖擊波感度數(shù)值模擬，該算法在處理大變形問(wèn)題時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的網(wǎng)格畸變現(xiàn)象，造成數(shù)值計(jì)算困難。由于大型有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA中的ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)算法[7]兼具Lagrange算法和Euler算法的優(yōu)點(diǎn)，能較好地處理因固體結(jié)構(gòu)大變形而引起的有限元網(wǎng)格嚴(yán)重畸形問(wèn)題，因此筆者利用其對(duì)CL-20基PBX炸藥的沖擊波感度進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過(guò)大隔板試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1　數(shù)值模擬

1.1模型的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

本文采用大隔板試驗(yàn)裝置作為參考模型，如圖1所示。模型中主發(fā)藥柱為特屈兒，密度為1.57 g/cm3，直徑40 mm，高25 mm，隔板為三醋酸纖維素酯片，長(zhǎng)40 mm，寬40 mm，厚0.19 mm；受主炸藥為3個(gè)φ25 mm×25 mm的藥柱，其被一個(gè)厚度為3.5 mm的薄殼體約束疊加起來(lái)組成；鑒定板為Q235A級(jí)鋼，直徑100 mm，厚6 mm。

圖1　大隔板試驗(yàn)裝置

在不影響數(shù)值模擬結(jié)果的前提下，為了方便建模和劃分網(wǎng)格，隔板厚度20 mm時(shí)網(wǎng)格劃分及檢測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示(加空氣域，且在受主炸藥上設(shè)置7個(gè)點(diǎn)，用來(lái)監(jiān)測(cè)受主炸藥壓力變化情況，不同厚度隔板使用相同的檢測(cè)點(diǎn))。對(duì)有限元模型進(jìn)行如下的簡(jiǎn)化處理：1)通過(guò)ANSYS前處理對(duì)主發(fā)藥柱設(shè)置起爆點(diǎn)，對(duì)受主炸藥設(shè)置約束，雷管、雷管座和薄殼體可不用建模；2)將隔板改為直徑40 mm圓形隔板，并用相類(lèi)似的材料環(huán)氧樹(shù)脂代替三醋酸纖維素酯片；3)將主發(fā)藥柱和受主炸藥考慮為均質(zhì)炸藥進(jìn)行計(jì)算；4)由于整個(gè)模型對(duì)稱(chēng)，故只需建立1/4有限元模型，如圖3所示。

圖2　隔板厚度20 mm時(shí)網(wǎng)格劃分及檢測(cè)點(diǎn)分布

圖3　計(jì)算模型

1.2狀態(tài)方程及材料主要參數(shù)

運(yùn)用溶液-水懸浮法制備CL-20基PBX炸藥，其主要成分為5%粘結(jié)劑、1%石蠟、1%石墨和93% CL-20，通過(guò)壓裝得到密度為1.89 g/cm3的藥柱。主發(fā)藥柱特屈兒采用JWL狀態(tài)方程，受主炸藥CL-20基PBX炸藥采用關(guān)鍵字*EOS_IGNITION_AND_GROWTH_OF_REACTION_IN_HE(即點(diǎn)火增長(zhǎng)方程)。CL-20基PBX炸藥和特屈兒的主要參數(shù)[8]如表1所示。

表1　CL-20基PBX炸藥和特屈兒的主要參數(shù)

注：A、B、R1、R2和ω為試驗(yàn)確定的常數(shù)；E0為初始內(nèi)能密度。

鑒定板、隔板采用John-Cook材料本構(gòu)模型，其主要參數(shù)分別如表2、3所示。隔板和鑒定板采用Lagrange算法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，主發(fā)藥柱、受主炸藥和空氣(密度為1.292 9×10-3g/cm3)采用Euler算法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，采用空氣作為流體，加空氣域的計(jì)算模型如圖4所示。采用關(guān)鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLD實(shí)現(xiàn)流固耦合。

表2　鑒定板的主要參數(shù)

注：A1、B1、C、n和m為試驗(yàn)確定的常數(shù)；T*為相對(duì)溫度。

表3　隔板的主要參數(shù)

圖4　加空氣域的計(jì)算模型

1.3大隔板試驗(yàn)方法

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和試樣的性質(zhì)，估計(jì)試樣50%爆轟的隔板厚度L1，并確定步長(zhǎng)d，對(duì)于一般試樣，可選d=1.14 mm。

采用估計(jì)的隔板厚度L1和步長(zhǎng)d進(jìn)行預(yù)備試驗(yàn)，開(kāi)始可用(4～8)d值作為步長(zhǎng)，當(dāng)相鄰的2次試驗(yàn)出現(xiàn)相反的結(jié)果時(shí)，步長(zhǎng)減小一半繼續(xù)試驗(yàn)，直到步長(zhǎng)變?yōu)檫x定的d值為止；然后以恒定步長(zhǎng)d進(jìn)行試驗(yàn)，有效試驗(yàn)次數(shù)不小于20次。試驗(yàn)后如鑒定板上有一明顯的孔，則判斷為爆轟；否則，判斷為未爆轟。

2　數(shù)值模擬結(jié)果與討論

2.1數(shù)值模擬結(jié)果

由文獻(xiàn)[8]可知：初次設(shè)定CL-20沖擊波感度大隔板厚度L1=20 mm。圖5為不同隔板厚度下鑒定板數(shù)值模擬結(jié)果，可以看出：當(dāng)L1=20，24.56 mm時(shí)，CL-20基PBX受主炸藥完全爆轟；當(dāng)L1=25.7 mm時(shí)，受主炸藥并未發(fā)生爆轟。由此可知：臨界隔板厚度值在24.56～25.7 mm范圍內(nèi)。

圖5　不同隔板厚度下鑒定板數(shù)值模擬結(jié)果

2.2分析與討論

圖6為不同隔板厚度下受主炸藥爆轟的模擬效果。可以看出：當(dāng)隔板厚度L1=20，24.56 mm時(shí)，在1.5 μs主發(fā)藥柱開(kāi)始爆轟，在4 μs主發(fā)藥柱產(chǎn)生沖擊波，從而穿過(guò)隔板直接起爆受主炸藥，在6 μs受主炸藥達(dá)到穩(wěn)定爆轟，在9.5 μs受主炸藥爆轟波到達(dá)鑒定板表面，鑒定板有一明顯孔洞，則判定受主炸藥完全爆轟；當(dāng)L1=25.7 mm時(shí)，主發(fā)藥柱在1.5 μs開(kāi)始爆轟，在4 μs其沖擊波穿過(guò)隔板并逐漸衰減，并沒(méi)有起爆CL-20基PBX炸藥，在6 μs沖擊波逐漸衰減，在9.5 μs沖擊波到達(dá)鑒定板表面，沖擊波能量幾乎衰減至0，鑒定板上無(wú)明顯的孔洞，則判定受主炸藥未發(fā)生爆轟。

圖6　不同隔板厚度下受主炸藥爆轟的模擬效果

圖7為不同隔板厚度下受主炸藥壓力分布。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)L1=20，24.56 mm時(shí)，主發(fā)藥柱沖擊波穿過(guò)隔板起爆受主炸藥，受主炸藥由不穩(wěn)定爆轟逐漸變?yōu)榉€(wěn)定爆轟(開(kāi)始階段壓力高可能是因?yàn)楦舭迤鸬揭欢s束作用，導(dǎo)致沖擊波形成反射疊加)，爆轟波10 μs到達(dá)鑒定板，鑒定板對(duì)爆轟波也存在反射作用，形成反射疊加，導(dǎo)致壓力增大；當(dāng)L1=25.7 mm時(shí)，主發(fā)藥柱產(chǎn)生的沖擊波穿過(guò)隔板，因惰性隔板作用，沖擊波能量衰減較大，導(dǎo)致受主炸藥因起爆能量不夠而未發(fā)生爆轟，沖擊波能量呈遞減狀態(tài)，到10 μs到達(dá)鑒定板，能量幾乎衰減為0，可以判定受主炸藥未爆轟。

圖7　不同隔板厚度下受主炸藥壓力分布

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的有效性，按照大隔板試驗(yàn)方法對(duì)CL-20基PBX炸藥(壓裝密度為(1.89 ±0.02 )g/cm3)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)臨界隔板數(shù)值模擬結(jié)果(24.56～25.7 mm)，選擇隔板厚度L1=25 mm，步長(zhǎng)d=1.14 mm，采用升降法進(jìn)行大隔板試驗(yàn)。大隔板試驗(yàn)裝置裝配如圖8所示。

圖8　大隔板試驗(yàn)裝置裝配

大隔板試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示，可以看出：大隔板試驗(yàn)發(fā)生完全爆轟的隔板厚度為23.86 mm，隨機(jī)發(fā)生爆轟的隔板厚度為25 mm，完全未發(fā)生爆轟的隔板厚度為26.14 mm。

發(fā)生爆轟前后鑒定板效果對(duì)比如圖9所示，根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的計(jì)算方法可得出試樣50%發(fā)生爆轟的隔板值L50=25.23 mm，該結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。

表4　大隔板試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖9　發(fā)生爆轟前后鑒定板效果對(duì)比

4　結(jié)論

本文采用ANSYS/LS-DYNA軟件的ALE算法對(duì)某 CL-20基 PBX炸藥的沖擊波感度進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過(guò)大隔板試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。炸藥的沖擊波感度數(shù)值模擬方法可以極大地提高大隔板試驗(yàn)效率、降低成本，為探討沖擊波的傳播規(guī)律和特性提供了一種新思路。然而，本文中大隔板沖擊波感度數(shù)值模擬計(jì)算模型是固定的，如果改變炸藥成分，模擬參數(shù)就會(huì)改變；此外，如果保持網(wǎng)格密度不變，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)就可能出現(xiàn)負(fù)體積，致使計(jì)算中止。因此，該計(jì)算模型的應(yīng)用受到限制，下一階段研究的重點(diǎn)是處理好模擬參數(shù)和網(wǎng)格密度之間的關(guān)系。

[1]王昕,彭翠枝.國(guó)外六硝基六氮雜異伍茲烷的發(fā)展現(xiàn)狀[J].火炸藥學(xué)報(bào),2007,30(5):45-48．

[2]任務(wù)正,王澤山.火炸藥理論與實(shí)踐[Z].北京:中國(guó)北方化學(xué)工業(yè)總公司,2001.

[3]GJB772A—97 炸藥試驗(yàn)方法[S].

[4]李龍飛,王晶禹,候聰花. TATB 基 PBX 炸藥沖擊波感度數(shù)值模擬研究[J].火工品,2014，(6): 32-34.

[5]姜夕博,饒國(guó)寧,徐森,等.沖擊波在有機(jī)玻璃中衰減特性的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012,36 (6):1059-1064.

[6]章少方.復(fù)合裝藥爆轟能量輸出及沖擊波感度的數(shù)值模擬研究[D].南京：南京理工大學(xué),2010.

[7]王澤鵬. ANSYS13.0/ LS-DYNA非線(xiàn)性有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011:346-352.

[8]歐育湘,孟征,劉進(jìn)全.高能量密度化合物CL-20應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2007, 26(12):1690-1694.

(責(zé)任編輯: 尚彩娟)

Numerical Simulation on the Shock Wave Sensitivity of CL-20 Based PBX Explosive

LIANG Xiao-yong1, Lü Chun-ling1, ZHANG Jun1,2, ZHOU De-cai2, ZHANG Jing-lin1

(1. School of Chemical and Environmental Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China；2. Hubei Space Sanjiang Honglin Detection and Control Co.Ltd, Xiaogan 432000, China)

In order to study the shock wave sensitivity of CL-20 based PBX explosive, using the explicit dynamic finite element program ANSYS/LS-DYNA software, and the ALE (Arbitrary Lagrange-Euler) algorithm, the characteristics of the critical initiation for a certain CL-20 based PBX explosive under the effect of shock wave are simulated, and the critical value of the bulkhead thickness is calculated between 24.56 mm and 25.7 mm. The reliability of numerical simulation results is verified through large gap test, the test results show that its bulkhead thicknessL50=25.23 mm in 50% detonation, which is consistent with the numerical simulation results.

numerical simulation; CL-20; PBX explosive; shock wave sensitivity; large gap test

1672-1497(2016)04-0068-05

2016-04-28

梁曉勇(1990-)，男，碩士研究生。

TQ56； TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.013