蔡宣明, 張 偉, 徐 鵬, 高玉波, 范志強(qiáng)
(1. 中北大學(xué) 理學(xué)院,太原 030051; 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院,哈爾濱 150080)
PBX炸藥具有高能低感特性,力學(xué)性能較為穩(wěn)定,且易于加工成所需要的結(jié)構(gòu)形式,在武器戰(zhàn)斗部及大型攻擊性毀傷武器中的應(yīng)用十分廣泛[1-4]。武器戰(zhàn)斗部PBX炸藥裝藥結(jié)構(gòu)在攻擊目標(biāo)侵徹過(guò)程中,其內(nèi)部壓強(qiáng),密度,能量狀態(tài)參數(shù)的變化尤為迅速,當(dāng)這個(gè)狀態(tài)參數(shù)值達(dá)到PBX炸藥的臨界起爆值時(shí),起爆開(kāi)始發(fā)生,因此,對(duì)PBX炸藥裝藥在沖擊波陣面后物態(tài)方程的研究為深入認(rèn)識(shí)PBX炸藥起爆機(jī)理提供了重要依據(jù)。
Hare等[5-6]對(duì)炸藥等熵壓縮特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,獲得了炸藥在起爆之前雨貢紐實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),其研究結(jié)果表明,溫度參量將影響炸藥等熵壓縮曲線(xiàn)的響應(yīng)特性。蔡進(jìn)濤等[7]基于CQ-1.5裝置分別對(duì)JOB-9003和JO-9159炸藥的等熵壓縮特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,其通過(guò)分析比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得到了JOB-9003和JO-9159炸藥的等熵加載曲線(xiàn),并指出了該等熵壓縮加載曲線(xiàn)各參量之間的相互關(guān)系。周正青等[8]通過(guò)混凝土爆炸試驗(yàn)以及圓筒試驗(yàn),并結(jié)合有限元仿真對(duì)含鋁炸藥物態(tài)方程進(jìn)行了研究,其研究結(jié)果,確定了鋁粉反應(yīng)速率方程參數(shù)以及帶有二次反應(yīng)的JWL物態(tài)方程,這一研究成果可為含鋁炸藥爆炸性能的數(shù)值模擬提供一個(gè)依據(jù)。為了能夠獲得更多的PBX炸藥物理模型參數(shù),進(jìn)而不斷探索新的物理模型,使得改進(jìn)的物理模型能夠更加準(zhǔn)確的描述PBX炸藥在復(fù)雜應(yīng)力加載環(huán)境下的實(shí)際力學(xué)響應(yīng),進(jìn)而能夠更好的認(rèn)識(shí)PBX炸藥的起爆機(jī)理,因此,對(duì)PBX炸藥未起爆前的物態(tài)方程的研究顯得尤為迫切。
本研究基于一級(jí)輕氣炮采用“對(duì)稱(chēng)碰撞”方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)合平面正沖擊波關(guān)系式及沖擊波速度與粒子速度的相互關(guān)系式,求出該P(yáng)BX炸藥的沖擊因子及聲速,進(jìn)而揭示出該P(yáng)BX炸藥在不同沖擊波陣面后其內(nèi)部壓強(qiáng)、密度、能量狀態(tài)參量之間的相互關(guān)系。給出該P(yáng)BX炸藥起爆前的Grüneisen物態(tài)方程,結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果及相關(guān)可行性假定,求出該物態(tài)方程中的每個(gè)參量。
圖1是在一維應(yīng)變狀態(tài)下產(chǎn)生的平面正沖擊波,圖中下標(biāo)為0的符號(hào)表示波陣前方狀態(tài),下標(biāo)為1的符號(hào)表示波陣后的狀態(tài)。采用動(dòng)量守恒,質(zhì)量守恒和能量守恒,應(yīng)用連續(xù)流的方式進(jìn)而求平面正沖擊波基本關(guān)系式[9-10]。
圖1 正沖擊波
如圖1所示,一個(gè)速度為D的沖擊波陣面沿圖中所示方向傳播,由三個(gè)守恒定律可以得到如下關(guān)系
ρ0(D-u0)=ρ1(D-u1)
(1)
P1-P0=ρ0(D-u0)(u1-u0)
(2)
(3)
式中:D為沖擊波速度(km/s);u0、u1分別為介質(zhì)在波陣前和波陣面后的粒子速度(mm/μs);ρ0、ρ1分別為介質(zhì)在波陣前和波陣面后的密度(g/cm3);E0、E1分別為介質(zhì)在波陣前和波陣面后的能量(J)。
基于式(1)、式(2)及式(3)可推導(dǎo)出三個(gè)常用的基本關(guān)系式
(4)
(5)
(6)
式中:V0、V1分別為介質(zhì)在波陣前和波陣面后的比容。式(6)稱(chēng)為雨貢紐物態(tài)方程,其產(chǎn)生的P(V)線(xiàn)稱(chēng)作雨貢紐(Hugoniot)曲線(xiàn),也稱(chēng)為沖擊壓縮線(xiàn),或者稱(chēng)為沖擊絕熱線(xiàn)。
已知初始ρ0、u0、P0、E0, 4個(gè)狀態(tài)參量,要根據(jù)關(guān)系式(1)、式(2)及式(3), 求解波陣面后的V1、u1、P1、E1,4個(gè)參量以及沖擊波速度D參量,需采用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定雨貢紐曲線(xiàn),必須預(yù)先測(cè)定5個(gè)參量中的任意兩個(gè)參量,進(jìn)而求得剩余3個(gè)參量。
假設(shè)材料在沖擊波作用下不發(fā)生沖擊相變,并且材料強(qiáng)度對(duì)其影響可忽略不計(jì),應(yīng)用雨貢紐線(xiàn)與等熵線(xiàn)在始點(diǎn)存在兩階相切的特性,采用迭代求解法,則其沖擊壓縮線(xiàn)PH=PH(V)展開(kāi)成泰勒級(jí)數(shù)的形式為
D-u0=C0+λ(u-u0)+λ′(u-u0)2
(7)
式中:λ、λ′為常數(shù);C0為材料聲速(mm/μs)。在一定的沖擊壓力范圍內(nèi),式(7)描述沖擊波速度與波陣面后的粒子速度的關(guān)系式,且早已得到?jīng)_擊波測(cè)量結(jié)果的證實(shí),其給沖擊波數(shù)據(jù)的測(cè)量帶來(lái)諸多方便,(u-u0)的二次項(xiàng)系數(shù)λ′、的數(shù)值相對(duì)較小,因此其可采用線(xiàn)性關(guān)系式
D-u0=C0+λ(u-u0)
(8)
一般研究情況中,u0=0,其可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為
D=C0+λu
(9)
速度測(cè)量法是一種測(cè)量沖擊波較為成熟的方法,且精度高,沖擊波速度D和粒子速度u是該方法要測(cè)量的兩個(gè)物理量[11], 沖擊波速度D可以通過(guò)測(cè)速系統(tǒng)獲得,而粒子速度u不能直接通過(guò)測(cè)量得到,只有通過(guò)間接的方法來(lái)獲得。
圖2為飛片撞擊法中飛片與靶板試件中的沖擊波傳播方式,結(jié)合沖擊波關(guān)系式,可獲得如下關(guān)系式
Pf=ρ0f(-Df-W)(uf-W)
(10)
Pt=ρ0tDtut
(11)
圖2 飛片撞擊法中飛片與靶板中的沖擊波
式中:Pf、Pt分別為飛片和靶板試件的壓強(qiáng);ρ0f、ρ0t分別為飛片和靶板試件的初始密度;uf、ut分別為沖擊波陣面后的飛片和靶板試件粒子速度;W為飛片擊靶速度;Df、Dt分別為沖擊波陣面后飛片和靶板試件的沖擊波速度。由邊界條件關(guān)系式
Pf=Pt=P,uf=ut=u
(12)
當(dāng)飛片材料與靶板試件材料為相同材料時(shí),此情況稱(chēng)作“對(duì)稱(chēng)碰撞”,結(jié)合式(5)、式(6)以及相對(duì)壓縮性方程
(13)
則式(10)及式(11)式可描述為如下關(guān)系
(14)
(15)
由于是“對(duì)稱(chēng)碰撞”, 因此有ρ0f=ρ0t,ηf=ηt, 結(jié)合邊界條件式(12),以及式(14)和式(15),可求得
(16)
由此可知,在“對(duì)稱(chēng)碰撞”情況下,靶板試件在沖擊波陣面后的粒子速度是飛片擊靶速度的1/2倍。通過(guò)實(shí)測(cè)飛片速度W和靶板試件在沖擊波陣面后的粒子速度u,可計(jì)算出靶板試件中其余沖擊壓縮參數(shù)。本研究中的實(shí)驗(yàn)亦采用“對(duì)稱(chēng)碰撞”方式進(jìn)行研究。
在物態(tài)方程研究中,對(duì)于實(shí)驗(yàn)材料中沖擊波速度的測(cè)量,測(cè)速系統(tǒng)的布置要充分考慮實(shí)驗(yàn)樣品邊側(cè)自由面產(chǎn)生的擾動(dòng)對(duì)沖擊波陣面稀疏的影響范圍。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)樣品的橫向尺寸不可能無(wú)限大,因此,當(dāng)平面正沖擊波進(jìn)入實(shí)驗(yàn)樣品時(shí),實(shí)驗(yàn)樣品的邊側(cè)自由面將產(chǎn)生膨脹變形,此側(cè)向膨脹變形就是實(shí)驗(yàn)試件中平面正沖擊波的稀疏干擾源。該稀疏干擾源將以聲速的形式向樣品內(nèi)部進(jìn)行傳播,它經(jīng)過(guò)的地方將減弱平面正沖擊波的強(qiáng)度,并且會(huì)改變平面正沖擊波的傳播方向。因此,測(cè)速系統(tǒng)的布置位置選在稀疏干擾波未到達(dá)的區(qū)域。實(shí)驗(yàn)試件樣品自由邊側(cè)稀疏擾動(dòng)的影響范圍,如圖3所示。
圖3 實(shí)驗(yàn)樣品邊側(cè)稀疏干擾影響范圍示意圖
在試件中傳播的平面正沖擊波的速度為D,同時(shí)在試件的邊側(cè)上會(huì)產(chǎn)生以聲速為C的稀疏擾動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)樣品中的粒子速度u的矢量上以聲速C為半徑畫(huà)一個(gè)圓弧,該圓弧與沖擊波陣面的交點(diǎn)[14](沖擊波陣面后的u+C>D,因此,其產(chǎn)生的稀疏擾動(dòng)都將趕上沖擊波陣面),就是其對(duì)沖擊波陣面稀疏干擾的邊界點(diǎn),即圖3中所示的Ob線(xiàn)及其延長(zhǎng)線(xiàn)。OA線(xiàn)與Ob線(xiàn)的夾角α稱(chēng)為卸載角。由圖3可以寫(xiě)出如下關(guān)系式
(17)
當(dāng)沖擊波陣面后的粒子速度與沖擊波速度成線(xiàn)性關(guān)系時(shí),雨貢紐曲線(xiàn)的另一種表達(dá)形式如下
(18)
由Grüneisen物態(tài)方程導(dǎo)出的流體力學(xué)聲速
(19)
式中:γ為Grüneisen參數(shù)。
由沖擊波關(guān)系式導(dǎo)出的
u=C0η/(1-λη)
(20)
D=C0/(1-λη)
(21)
(22)
對(duì)于式(17)的數(shù)值求解,其中的沖擊波參數(shù)可以通過(guò)式(18)~式(22)以及式(9)和式(13)來(lái)求得。卸載角α隨著壓力或者壓縮比的增大而增大,最后趨于一個(gè)漸近值[15]。鋁、銅、鎢作為低、中、高三種不同沖擊阻抗的典型材料,其卸載角α都不超過(guò)40°,因此,為了安全起見(jiàn),實(shí)驗(yàn)試件樣品設(shè)計(jì)時(shí),卸載角α取為45°,即實(shí)驗(yàn)試件樣品的寬厚比(樣品的寬度與厚度的比值)要大于2,其為實(shí)驗(yàn)試件尺寸的設(shè)計(jì)提供了可靠的參考依據(jù)。
文章研究的PBX炸藥由RDX,HTPB以及鋁粉按照最佳能量比及力學(xué)性能穩(wěn)定性特征研制而成,具有較強(qiáng)的黏彈性特性,其力學(xué)性能較為穩(wěn)定,根據(jù)組成成分配比的不同,密度分別為1.65 g/cm3和1.75 g/cm3,分別定義為PBX1和PBX2。圖4為該P(yáng)BX炸藥在掃描電子顯微鏡下的細(xì)觀結(jié)構(gòu)形貌,其RDX晶體顆粒大小各有不同,主要在50~200 μm之間,呈多層狀,不規(guī)則分布于聚合物中。
圖4 PBX炸藥的細(xì)觀結(jié)構(gòu)形貌
PBX炸藥物態(tài)方程實(shí)驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)高速撞擊研究中心進(jìn)行的,本實(shí)驗(yàn)研究采用“對(duì)稱(chēng)碰撞”的方式,即飛片材料與試件靶一樣,都采用PBX炸藥材料,飛片尺寸與試件靶相同。圖5是實(shí)驗(yàn)裝置示意圖,采用一級(jí)輕氣炮作為加載裝置,控制飛片的撞擊速度;應(yīng)用BC-202型雙路爆速儀(反應(yīng)靈敏度為μs級(jí)別)測(cè)量飛片撞擊實(shí)驗(yàn)試件前的速度;在試件1與飛片相撞擊的端面上對(duì)稱(chēng)分布4個(gè)壓電傳感器,用于監(jiān)測(cè)沖擊波時(shí)間歷時(shí)曲線(xiàn),同時(shí)校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)靶板試件的平面度及平行度。在靶板試件1與靶板試件2的中間區(qū)域布置一壓電傳感器,進(jìn)而監(jiān)測(cè)沖擊波離開(kāi)靶板試件1進(jìn)入靶板試件2端面的時(shí)間歷時(shí)曲線(xiàn)。TDS5054B示波器記錄測(cè)試系統(tǒng)采集到的實(shí)驗(yàn)信號(hào)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)試件的布置是在高壓防護(hù)艙中完成的。
圖5 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
圖6為靶板試件1前端4個(gè)對(duì)稱(chēng)分布?jí)弘妭鞲衅鞅O(jiān)測(cè)到的沖擊波壓電信號(hào)時(shí)間歷時(shí)曲線(xiàn)。表1為沖擊波壓電信號(hào)時(shí)間點(diǎn),表中t0為平面正沖擊波到達(dá)靶板試件1的時(shí)間點(diǎn),tmax為壓電信號(hào)達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn),tend為平面正沖擊波離開(kāi)靶板試件1前端的時(shí)間點(diǎn)。由圖6及表1分析可知,最小的t0時(shí)間差Δt0是0.02 μs,即壓電傳感器1與壓電傳感器2的Δt0時(shí)間,壓電傳感器3與壓電傳感器的t0時(shí)間差Δt0亦是0.02 μs; 最大的Δt0時(shí)間差為0.12 μs,即壓電傳感器2與壓電傳感器3的Δt0時(shí)間差。在4個(gè)對(duì)稱(chēng)分布靶板試件1前端的壓電傳感器監(jiān)測(cè)到的4個(gè)壓電信號(hào)峰值時(shí)間點(diǎn)中,最小的峰值時(shí)間差為0.04 μs,最大峰值時(shí)間差為0.18 μs,綜上表明,該誤差均在允許范圍之內(nèi),可忽略不計(jì)。
圖6 沖擊波壓電信號(hào)時(shí)間歷時(shí)曲線(xiàn)
壓電傳感器序號(hào)t0/stmax/stend/s11.001.702.4220.981.642.3630.901.822.7640.881.742.80
通過(guò)一級(jí)輕氣炮控制不同的飛片速度,對(duì)“對(duì)稱(chēng)碰撞實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,其研究結(jié)果,如表3所示。由“2.2”章節(jié)研究的“對(duì)稱(chēng)碰撞”可知,PBX炸藥靶板試件的粒子速度u=W/2,W是飛片撞擊靶板試件時(shí)的速度;沖擊波速度D=s/Δt,s是靶板試件厚度, Δt是沖擊波到達(dá)靶板試件與離開(kāi)靶板試件時(shí)的時(shí)間差。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析,并采用線(xiàn)性回歸法完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合,擬合得到?jīng)_擊波速度與粒子速度之間的相互關(guān)系如圖7所示,其擬合得到的相關(guān)參數(shù),如表2所示。
通過(guò)相關(guān)系數(shù)R值的大小校驗(yàn)變量D與u之間的線(xiàn)性相關(guān)性是否顯著,其表達(dá)形式為
(23)
圖7 PBX炸藥沖擊波速度D和粒子速度u擬合關(guān)系
ρ/(g·cm-3)截距斜率斜率標(biāo)準(zhǔn)誤差線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)R-21.652.2731.5810.145690.923241.752.3701.6100.123760.93287
式中: 若R=0,變量D與u不相關(guān),或者不存在線(xiàn)性相關(guān)性; 若R<0,變量D與u呈負(fù)相關(guān); 若R>0,變量D與u線(xiàn)性相關(guān),且R值越接近1,變量D與u的線(xiàn)性相關(guān)度越顯著,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差就越小,實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加可靠。如表2所示,本實(shí)驗(yàn)研究中PBX1變量D與u的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)R=0.923 24, PBX2變量D與u的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)R=0.932 87,其線(xiàn)性相關(guān)度較為顯著,擬合結(jié)果具有一定的研究意義。
由實(shí)驗(yàn)研究獲得的靶板試件沖擊波速度D和粒子速度u,結(jié)合沖擊波陣面關(guān)系式,求得沖擊波陣面后靶板試件的密度ρ1、 能量E1以及內(nèi)部壓強(qiáng)P1,其值如表3與表4所示。
圖8與圖9,分別是PBX1、PBX2在沖擊波陣面后其密度、壓強(qiáng)、能量的三維關(guān)系圖,由圖分析可知,其可以預(yù)測(cè)該P(yáng)BX炸藥在不同沖擊波陣面脈沖作用下的內(nèi)部狀態(tài)參數(shù),為更高沖擊波陣面脈沖作用下PBX炸藥內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)的研究提供了重要的依據(jù),也為沖擊起爆特性研究奠定了基礎(chǔ)。
表3 PBX1實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果
表4 PBX2實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果
圖8 PBX1狀態(tài)參數(shù)三維圖
圖9 PBX2狀態(tài)參數(shù)三維圖
體應(yīng)變?chǔ)?ΔV/V0=1-ρ0/ρ,當(dāng)沖擊波陣面后的沖擊波速度與粒子速度呈線(xiàn)性關(guān)系時(shí),雨貢紐曲線(xiàn)可表達(dá)如下形式
(24)
結(jié)合表3與表4中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),采用該雨貢紐關(guān)系式描述PBX炸藥在沖擊波陣面后其內(nèi)部壓強(qiáng)與體應(yīng)變的相互聯(lián)系,如圖10和圖11所示,從圖可知,擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相符。
圖10 PBX1內(nèi)部壓強(qiáng)P與體應(yīng)變?chǔ)蔚年P(guān)系式
圖11 PBX2內(nèi)部壓強(qiáng)P與體應(yīng)變?chǔ)蔚年P(guān)系式
基于沖擊雨貢紐曲線(xiàn),給出該P(yáng)BX炸藥起爆前的Grüneisen物態(tài)方程,其描述形式如下
(25)
式中:Γ為Grüneisen系數(shù);PH為沖擊波陣面上的壓強(qiáng);eH為沖擊波陣面上的能量;c0為材料聲速;ρ0為初始密度,μ=ρ/ρ0-1。假設(shè)Γρ=Γρ0=常數(shù),則有如下關(guān)系式
(26)
(27)
在一定的沖擊壓力范圍內(nèi), 文獻(xiàn)[12]提到的計(jì)算Grüneisen系數(shù)的方法如下所示
(28)
式中:b為相關(guān)參數(shù);s為沖擊因子; 在Slater模型中,b的取值為0,V0K為零溫度下的材料比容,從零溫度到室溫過(guò)程中假設(shè)材料的膨脹比變化不大,則可近似有V0K=V0,進(jìn)而有如下關(guān)系式
(29)
由研究中獲得的沖擊因子代入上式關(guān)系式,可分別求得PBX1與PBX2的Γ0為2.495和2.553。 文獻(xiàn)[13]提出簡(jiǎn)化的Γ(V)描述形式
ρΓ(V)=ρ0Γ0
(30)
結(jié)合體應(yīng)變的定義可以得到如下關(guān)系式
(31)
由表3與表4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及Γ0值,結(jié)合式(25),可求得相對(duì)應(yīng)的Γ(V)值。分析體應(yīng)變?chǔ)我约芭c其相對(duì)應(yīng)的Γ(V)值,采用線(xiàn)性回歸法完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合,擬合得到Γ(V)與體應(yīng)變?chǔ)沃g的相互關(guān)系如圖12與圖13所示,其擬合得到的相關(guān)參數(shù)如表5所示,擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相符。其線(xiàn)性相關(guān)度尤為顯著,擬合得到的Γ(V)與ξ關(guān)系式較為可靠,其可正確描述該P(yáng)BX炸藥在沖擊波陣面后Γ(V)值與體應(yīng)變之間的相互聯(lián)系。
圖12 PBX1 Grüneisen系數(shù)Γ與體應(yīng)變?chǔ)蜗凳?/p>
圖13 PBX2 Grüneisen系數(shù)Γ與體應(yīng)變?chǔ)蜗凳?/p>
ρ/(g·cm-3)截距斜率斜率標(biāo)準(zhǔn)誤差線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)R-21.652.491-2.4340.071870.995661.752.545-2.5020.079930.99391
(1) 獲得了該P(yáng)BX炸藥的沖擊因子λ以及聲速c0,其為物態(tài)方程及該P(yáng)BX炸藥數(shù)值模擬研究提供了重要的參數(shù)。
(2) 給出了該P(yáng)BX炸藥起爆前的Grüneisen物態(tài)方程,并獲得了相關(guān)參量。其為該P(yáng)BX炸藥在更大平面正沖擊波作用下對(duì)其內(nèi)部壓強(qiáng)、密度、能量狀態(tài)的預(yù)測(cè)提供了重要的依據(jù)。
(3) 揭示了該P(yáng)BX炸藥物態(tài)方程Grüneisen系數(shù)Γ(V)與體應(yīng)變?chǔ)纬矢叨染€(xiàn)性關(guān)系,并分別求得PBX1和PBX2的Γ(V)與ξ的斜率值。