王良全，商 飛，張建偉，孔德仁，王 瑞

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.672靶場，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

0 引 言

高能炸藥因爆炸產(chǎn)生的高溫高壓會(huì)對(duì)生物、非生物有極強(qiáng)的毀傷能力受到軍事界廣泛關(guān)注.在未來的常規(guī)武器研究與發(fā)展中，高能炸藥必將成為提高常規(guī)武器高效毀傷能力的主要發(fā)展趨勢[1].故對(duì)典型的高能炸藥進(jìn)行數(shù)值模擬仿真分析并結(jié)合公認(rèn)的毀傷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)的毀傷威力評(píng)判具有重要的參考意義[2].

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)高能炸藥毀傷威力的研究較多.茅靳豐等[3]利用LS-DYNY對(duì) 100 kg 溫壓炸藥坑道口部爆炸過程及沖擊波在空氣中的傳播進(jìn)行了比例尺為1:6的縮比例數(shù)值模擬研究，并對(duì)沖擊波毀傷范圍和毀傷威力進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：溫壓炸藥爆炸沖擊波衰減緩慢，持續(xù)時(shí)間長，遠(yuǎn)場優(yōu)勢明顯，可以確定不同傷亡等級(jí)下的爆炸沖擊波毀傷范圍.周莉[4]在相同的靜爆場試驗(yàn)內(nèi)多次將TNT和溫壓藥進(jìn)行引爆，應(yīng)用不同的測試儀器和方法對(duì)炸藥的爆炸場參數(shù)進(jìn)行觀察記錄，綜合得到炸藥的毀傷威力評(píng)估，結(jié)果表明：試驗(yàn)結(jié)果和理論分析吻合，對(duì)3種炸藥的毀傷威力進(jìn)行對(duì)比研究，得到了較為直觀的結(jié)果，對(duì)軍事生產(chǎn)和高能炸藥毀傷威力評(píng)估具有一定的實(shí)際意義.張玉磊等[5]為研究溫壓炸藥內(nèi)爆炸壓力特性和威力，基于爆炸相似律與理想氣體狀態(tài)方程分析建立了沖擊波超壓及準(zhǔn)靜態(tài)壓力計(jì)算模型，并利用爆炸罐開展了溫壓炸藥和TNT炸藥裸藥柱內(nèi)爆炸試驗(yàn)，結(jié)果表明：內(nèi)爆炸壓力效應(yīng)包括沖擊波壓力和準(zhǔn)靜態(tài)壓力，準(zhǔn)靜態(tài)壓力上升伴隨著沖擊波的多次反射，反射結(jié)束后準(zhǔn)靜態(tài)壓力上升到峰值并維持較長時(shí)間.劉想炎等[6]為了提出地面戰(zhàn)場中云爆彈對(duì)人員綜合殺傷作用的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合超壓和熱輻射作用建立了云爆彈的綜合毀傷概率評(píng)估模型，并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究，結(jié)果表明不同云爆劑含量對(duì)人員綜合殺傷具有不同的影響效果.趙未平等[7]提出了新的破片戰(zhàn)斗部毀傷雷達(dá)目標(biāo)的評(píng)估方法，用AUTODYN仿真軟件對(duì)破片戰(zhàn)斗部進(jìn)行數(shù)值模擬，獲取破片的質(zhì)量、速度及密度分布，并結(jié)合AUTODYN和目標(biāo)易損性軟件對(duì)雷達(dá)目標(biāo)進(jìn)行毀傷評(píng)估，仿真結(jié)果表明：仿真計(jì)算的破壞現(xiàn)象與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，選用的評(píng)估方法有效.

本文采用AUTODYN對(duì)4種常見爆炸材料按照實(shí)際靶場測試方案建立數(shù)值建模仿真試驗(yàn)，通過數(shù)值仿真獲取高能炸藥爆炸過程中產(chǎn)生的沖擊波和溫度數(shù)值分析其毀傷威力，并對(duì)其沖擊波及溫度峰值進(jìn)行對(duì)比，研究不同種類炸藥毀傷威力元特性.

1 數(shù)值仿真模型

本文按照實(shí)際靶場測試方案建立數(shù)值仿真模型.模型中可見空氣域尺寸為6 000 mm×200 mm×800 mm，網(wǎng)格劃分大小為2 mm×2 mm×2 mm，為了模擬實(shí)際靶場無限空氣域的環(huán)境，除地面之外的其余 5個(gè)面邊界條件都設(shè)置為壓力流出，這樣可以模擬除地面以外的其余5個(gè)面不存在壓力反射.地面采用沙土進(jìn)行填充，裝藥方式為球體裸裝藥，采用模塊填充，爆心距地面 0.5 m 高，起爆方式為中心點(diǎn)起爆.測點(diǎn)共布設(shè)10個(gè)，測點(diǎn)距爆心距離分別為1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m、5.0 m、5.5 m.地面沙土及裝藥采用Lagrange 求解器進(jìn)行求解.建立的數(shù)值仿真模型如圖1 所示.

圖1 數(shù)值仿真模型Fig.1 Numerical simulation model

在上述的模型中，空氣為理想氣體，密度為0.001 225 g/cm3，E=4.29×106J/ kg，JWL狀態(tài)方程為[8，9]

式中：P為壓力；V為體積；E為內(nèi)能；A和B為材料參數(shù)；R1，R2和ω為常數(shù)參數(shù).根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)測試研究分析，材料各個(gè)參數(shù)的具體取值如表1 所示[10].

表1 TNT中JWL狀態(tài)方程參數(shù)Tab.1 JWL state equation parameters in TNT

因?yàn)楸驹囼?yàn)采用了4種不同的爆炸材料，為了定量研究4種材料的毀傷威力，在進(jìn)行仿真設(shè)置時(shí)，裝藥質(zhì)量及裝藥半徑如表2 所示.

表2 爆炸材料參數(shù)表Tab.2 Parameters of explosive materials

2 毀傷威力對(duì)比分析

2.1 沖擊波毀傷威力對(duì)比分析

通過上述仿真參數(shù)的設(shè)置，對(duì)4種爆炸材料進(jìn)行數(shù)值仿真，仿真完成后獲取爆炸沖擊波的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行處理.得到的4種材料的爆炸沖擊波壓力時(shí)程曲線如圖2 所示，圖中1～10對(duì)應(yīng)于高斯測點(diǎn)Gauge#1～Gauge#10.

(a) TNT

圖2 的沖擊波壓力時(shí)程曲線只能從整體趨勢上分析爆炸沖擊波壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律，無法對(duì)其進(jìn)行量化分析，所以，對(duì)上述的沖擊波壓力曲線進(jìn)行數(shù)值提取，得到4種炸藥在不同測點(diǎn)距離下的爆炸沖擊波超壓峰值數(shù)據(jù)，如表3 所示.

表3 沖擊波超壓峰值表Tab.3 Peak table of shock wave overpressure 單位：kPa

將表3 沖擊波超壓峰值數(shù)據(jù)繪制成曲線、曲面，如圖3 和圖4 所示.

對(duì)表3、圖3 和圖4 進(jìn)行分析可以看出：① 爆炸沖擊波壓力隨時(shí)間的衰減具有明顯的規(guī)律，沖擊波壓力在很短的時(shí)間內(nèi)上升到一個(gè)峰值，然后隨著爆炸時(shí)間的推移，壓力逐漸下降，沖擊波壓力衰減過程相對(duì)于壓力上升較為緩慢，沖擊波壓力逐漸衰減至常壓.② 越靠近爆心的測點(diǎn)沖擊波壓力峰值到達(dá)時(shí)刻越早，并且壓力峰值越高，隨著測點(diǎn)距離的增加，沖擊波壓力的峰值逐漸下降，峰值到達(dá)時(shí)刻逐漸推遲，因此可得爆炸沖擊波在空氣中的傳播是以球面波的形式向外進(jìn)行擴(kuò)散，在擴(kuò)散過程中沖擊波的壓力逐漸衰減，越靠近爆心的位置毀傷威力越大，隨著距離的增加，毀傷威力逐漸減小.③ 對(duì)上述沖擊波超峰值進(jìn)行量化分析，同等裝藥質(zhì)量情況下，PBX9010在各個(gè)測點(diǎn)處的沖擊波超壓峰值最大，AL/AP-HE的沖擊波超壓峰值最小，4種材料爆炸沖擊波對(duì)目標(biāo)的毀傷威力為PBX9010>H6>TNT>AL/AP-HE.

圖3 沖擊波壓力峰值曲線Fig.3 Peak shock pressure curve

圖4 沖擊波壓力峰值曲面Fig.4 Shock wave pressure peak surface

2.2 熱效應(yīng)毀傷威力對(duì)比分析

高能材料爆炸過程中在產(chǎn)生沖擊波的同時(shí)也伴隨產(chǎn)生大量熱量，對(duì)于高能戰(zhàn)斗部來說，爆炸熱效應(yīng)也是其非常重要的毀傷參量之一，因此，在上述對(duì)沖擊波壓力進(jìn)行處理的同時(shí)，研究了上述 4種高能炸藥的熱毀傷效應(yīng)，其溫度時(shí)程曲線如圖5 所示，圖中1～10對(duì)應(yīng)于高斯測點(diǎn)Gauge#1～Gauge#10.

(a) TNT

對(duì)上述4種材料爆炸溫度時(shí)程曲線進(jìn)行峰值提取，得到不同測點(diǎn)距離處的溫度峰值，如表4 所示.

表4 爆炸溫度峰值數(shù)據(jù)表Tab.4 Peak temperature peak data table 單位：K

將上述溫度峰值數(shù)據(jù)繪制成曲線、曲面，如圖6 和圖7 所示.

圖6 爆炸溫度峰值曲線Fig.6 Peak explosion temperature curve

圖7 爆炸溫度峰值曲面Fig.7 Peak surface of explosion temperature

對(duì)表4、圖6 和圖7 進(jìn)行分析可以看出：① 溫度和沖擊波的變化規(guī)律有很大的差別，各個(gè)測點(diǎn)處的溫度變化規(guī)律并不是在某一時(shí)刻達(dá)到溫度峰值后就逐漸衰減，而是存在著多個(gè)溫度上升過程，溫度峰值趨向于多次累加的結(jié)果.② 各個(gè)測點(diǎn)處的溫度衰減速率較為緩慢，在距離爆心一定范圍內(nèi)，溫度場的溫度可以保持一個(gè)較高的溫度，所以，溫度場可以對(duì)目標(biāo)造成持續(xù)的毀傷.③ 同一爆炸材料爆炸產(chǎn)生毀傷元的毀傷威力并不是保持一致的，在上述4種材料爆炸沖擊波威力分析中，其沖擊波毀傷力由大到小為PBX9010>H6>TNT>AL/AP-HE，熱效應(yīng)毀傷威力由大到小為AL/AP-HE>PBX9010>H6>TNT.

3 結(jié) 論

本文采用AUTODYN對(duì)TNT、H6、PBX9010、AL/AP-HE 4種高能爆炸材料進(jìn)行數(shù)值仿真試驗(yàn)，并對(duì)其爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力、溫度進(jìn)行分析，仿真及分析結(jié)果表明：

1) 上述4種高能爆炸材料在同一裝藥質(zhì)量下爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值及溫度峰值存在著較大的差異，沖擊波威力由大到小為PBX9010>H6>TNT>AL/AP-HE，熱效應(yīng)毀傷威力由大到小為AL/AP-HE>PBX9010>H6>TNT.

2) 高能材料爆炸時(shí)在爆心周圍一定距離處會(huì)產(chǎn)生局部高溫，該溫度能夠保持較長的時(shí)間，并且溫度的衰減速率相比于沖擊波的衰減速率要小得多，因此，溫度場對(duì)多目標(biāo)的毀傷作用時(shí)間要高于沖擊波場對(duì)目標(biāo)的毀傷時(shí)間.

3) 同一爆炸材料爆炸產(chǎn)生毀傷元的毀傷威力并不是一致的，需要依據(jù)對(duì)于目標(biāo)的實(shí)際毀傷需求選擇具有合適毀傷元的彈藥種類，從而達(dá)到對(duì)目標(biāo)的最佳毀傷效果.