Ξ 固体炸药冲击起爆尺寸效应的数值模拟

冯长根,柯加山,陈　朗

(北京理工大学机电工程学院,北京　100081)

摘要:固体炸药样品的装药尺寸对其冲击起爆的特性有着比较明显的影响,本文利用非线性有限元方法模拟计算了JO 29159炸药冲击起爆过程,分析了炸药冲击起爆过程的尺寸效应。结果表明,在一定范围内,JO 29159炸药的起爆压力阈值随装药直径和装药长度的增大而减小。

关键词:炸药;冲击起爆;尺寸效应;数值模拟

中图分类号:TQ 560;　O 242.1　　　文献标识码:A 　　　文章编号:100727812(2002)0420016203

Nu m er ica l Si m ula tion on the D i m en siona l Effect of Shock -to -D etona tion

Tran sition of Sol id Explosives

FENG Chang -geng ,KE J i a -shan ,CHEN Lang

(Schoo l of M echano 2E lectronics Engineering ,Beijing Institute of T echno logy ,Beijing 　100081,Ch ina )

Abstract :　T he di m en si on of so lid exp lo sives p lays an i m po rtan t ro le in the characteristic of the shock 2to 2detonati on tran siti on (SD T ).T he non linear fin ite elem en t code w as u sed to calcu late and analysis the di m en si onal effect of the SD T of JO 29159.T he resu lts show that the in itiati on p ressu re th resho ld of JO 29159decreases along w ith increasing

of the diam eter and th ickness of the exp lo sives

.Key words :　exp lo sives ;shock to in itiati on tran siti on ;di m en si onal effect ;num erical si m u lati on

引　　言

对于炸药装药尺寸影响冲击起爆性能的问题,人们在实验研究中曾得出不一致的结论。

W eingart [1]对装药长度为6.0mm 、

10.0mm 和19.1mm 炸药的起爆阈值进行了实验研究,得出了起爆阈值与装药长度无关的观点。Schw arz [2]则在实验中发现装药长度较大的炸药样品,有较大的起爆压力阈值。周之奎和卫玉章[3]的试验结果则表明对于PBH 29炸药,3.0mm 厚样品的起爆阈值大于5.0mm 厚样品,而5.0mm 和10.0mm 厚样品的起爆阈值相同。而炸药冲击起爆的临界直径方面的研究早在1974年就已经开始了[4]。

本文采用非线性有限元方法模拟了JO 29159炸药冲击起爆过程,分析了装药尺寸对炸药冲击起爆特性的影响,得到了装药尺寸对炸药的起爆压力阈值的影响规律。

1　物理模型和本构关系

图1　隔板实验模型

计算过程中采用如图1所示的隔板试验物理模型[5],采

用拉格朗日六面体单元,分别对计算模型中的PETN 炸药、

RH T 2901炸药、JO 29159炸药和有机玻璃隔板进行网格划

分。

传爆炸药特屈儿和加载炸药RH T -901都采用高能炸药燃烧材料模型和JW L 状态方程;有机玻璃隔板的材料模

型和状态方程分别采用弹塑性流体动力学模型和M ie 2

Gruneisen 状态方程;钢板的材料模型采用各向同性随动硬

化材料模型;JO 29159炸药的材料模型采用弹塑性流体动力

学模型,状态方程采用点火与增长模型。61火炸药学报2002年　第4期　Ξ收稿日期:2002-01-22作者简介:冯长根(1953-),男,教授,博士生导师,从事燃烧爆炸及安全技术研究与教学工作。

表1　计算装药直径效应的模型尺寸种类PETN RH T 2901J 029159PMM A ST EEL 直径 c m

2.04.02.0～6.06.08.0长度 c m 0.52.0

3.0-1.0

2　装药直径效应

计算装药直径效应的模型尺

寸如表1所示。通过数值模拟得到

了装药直径分别为2.0、3.0、4.0、

5.0、

6.0c m 时,JO 29159炸药的起爆压力阈值的计算结果,如图2所

示(其余图略)。从图中可以看出,JO 29159炸药在装药直径为2.0、3.0、4.0、5.0、6.0c m 时所对应的起爆压力阈值分别约等于

5.30、3.95、3.30、3.12、3.08GPa 。

图2　装药直径为6.0c m 时起爆压力阈值计算结果

将以上模拟计算得到的几种不同装药直径的JO 29159炸药的起爆压力阈值绘成一条曲线,如图3所示。图3的曲线表明,在装药长度固定的条件下,JO 29159炸药的起爆压力阈值随着装药直径的增大而减小,但装药直径增大到一定程度时起爆压力阈值趋于一个定值。同时,当装药直径减小到一定程度时,入射冲击波压力值趋于无穷大。

上述结果表明,JO 29159炸药的隔板冲击起爆过程存在着明显的直径效应,这可以从两个方面进行解释。一方面,从JO 29159炸药的细观结构来看,其内部存在着孔洞。这些孔洞受到冲击波作用后,可能产生粘滞流动、快速压缩等过程,使局部温度升高,形成热点。在同样加载条件下,药柱所受的单位面积上的力相等,当药柱直径增大时,药柱受到同样大小压力值的区域增大,热点数和热点区域相应增加,这就使药柱更容易被起爆。另一方面,受冲击波作用的炸药向爆轰的转变依赖于炸药化学反应释放能量的增加速率与稀疏波引起的能量的损失速率之间的竞争。若化学反应的能量释放速率大于能量损失速率,只要药柱足够长总是能成长为爆轰。在隔板冲击起爆条件下,存在着来自侧向和背后的两种稀疏波。因此控制起爆过程的因素有3个,即入射冲击波压力、加载面积和压力脉冲持续时间。由于JO 29159药柱的装药长度为3.0c m ,这就保证了足够的轴向压力持续时间。所以影响起爆过程的因素实际上主要就是入射冲击波压力和加载面积这两个因素。当装药直径增大时,加载面积随之增大,同时药柱轴心处的压力受侧向稀疏波的影响也随之减小。因此随着药柱直径的增大,炸药就越容易被起爆。而当药柱直径减小时,轴心处的压力值受到侧向及背后稀疏波的作用随之加大,当药柱直径减小到一定程度时(临界直径),轴心处的压力便不足以维持炸药化学反应的继续进行,也就是能量损失速率超过了炸药化学反应的能量释放速率,于是炸药最终无法被起爆。

3　装药长度效应

为了考察装药长度对固体炸药冲击起爆性能的影响,这里将装药直径固定为4.0c m ,然后对装药长度为0.5c m 、1.0c m 、2.0c m 和6.0c m 的JO 29159炸药的起爆压力阈值进行了模拟计算,计算模型尺寸如表2所示。并将所得到的结果与以上已经得到的装药直径为4.0c m 、装药长度为3.0c m 的起爆压力阈值(3.3GPa )进行比较分析。

71　第4期火炸药学报

表2　装药长度效应的计算模型尺寸种类PETN RH T 2901J 029159PMM A ST EEL 直径 c m

2.04.04.06.08.0长度 c m 0.52.00.5～6.0-1.0

　　从四种不同装药长度的JO 2

9159炸药冲击起爆的起爆压力阈

值的模拟计算结果可以得到,JO 2

9159炸药在装药长度为0.5、1.0、

2.0、6.0c m 时所对应的起爆压力阈值分别为

3.80、3.35、3.30、3.

30GPa 。把以上得到的JO 29159炸药的起爆压力阈值与炸药装药长度的关系绘出曲线,如图4所示。从图上可以清楚地看出,当装药长度小于1.0c m 时,JO 29159炸药的起爆压力阈值随着装药长度的增加而减小。当装药长度大于1.0c m 时,炸药的起爆压力阈值趋于一个定值

,即3.3GPa 。

图3　起爆压力阈值与装药直径的关系图4　JO 29159炸药的起爆压力阈值与装药长度的关系由于隔板实验中,控制起爆过程的因素包括入射冲击波压力、加载面积和压力脉冲持续时间。对于炸药装药长度小于一定值时,并不能保证轴向压力持续时间足够长。因此,就会存在这样的情况,炸药起爆过程中压力持续时间决定了炸药是否能够由起爆成长为稳态爆轰。事实上,当炸药的装药长度小到一定程度时,起爆过程中存在着冲击波强度和背后稀疏波强度之间的比较作用,装药长度越小就越需要更强的入射冲击波以克服背后稀疏波的作用使炸药由起爆成长为爆轰。

另外,从上述试验的曲线峰值压力也反映出,装药长度越小时,炸药起爆后的爆轰压力值越低。这是因为炸药在冲击波作用下由起爆转变为稳态爆轰时,必须有足够的装药长度。这也可以用炸药在受冲击波作用时,化学反应的能量释放速率与稀疏波引起的能量损失速率之间的竞争关系来进行解释。因为炸药在冲击压力作用下起爆时,这种竞争关系中能量释放速率占主导地位,此时装药长度越短,化学反应所积累的热量就越少,从而导致炸药不能够达到稳定爆轰状态。

由此可见,在一定范围内,炸药的装药长度对其临界起爆压力阈值是有影响的。特别是较敏感的炸药往往在很短的长度时才能表现出来。W eingart R C (1979)认为炸药装药长度对冲击起爆过程没有影响的错误之处,就在于他们在实验中所采用的炸药样品不够短,从而没有观察到这种现象。4　结论

本文通过采用数值模拟的方法,计算了JO 29159炸药的冲击起爆压力阈值与装药直径和装药长度的关系,并与前人的结论进行了比较分析,可以得出两点主要结论:①在一定的直径范围内,JO 29159炸药的冲击起爆压力阈值随装药直径的增大而减小;②在一定的长度范围内,JO 29159炸药的冲击起爆压力阈值随装药长度的增大而减小。

参考文献:

[1]　W E I N GA R T R C.E lectric Gun:A pp licati ons and Po tential,U CRL 25200028022,1979.

[2]　SCHWA R Z A C.SAND 28022372,1981.

[3]　周之奎,卫玉章.固体炸药的短脉冲冲击起爆[J ].爆炸与冲击,1992,12(1):77282.

[4]　ORN ELLA S D L .Com bust .F lam e [J ].1974,23(1):37246.

[5]　陈朗,冯长根.固体炸药冲击起爆实验和数值模拟[A ].中国兵工学会第十一届火工烟火学术年会论文集[C ].2001,5.81火炸药学报2002年