典型裝藥水下爆炸的殉爆規律研究

魯忠寶, 胡宏偉, 劉 銳, 楊 帆

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典型裝藥水下爆炸的殉爆規律研究

魯忠寶1, 胡宏偉2, 劉 銳1, 楊 帆1

(1. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075; 2. 西安近代化學研究所, 陜西 西安, 710065)

針對典型的殼裝炸藥殉爆更接近炸藥實際使用狀態, 采用ANSYS/LS_DYNA軟件建立了典型裝藥水下殉爆的有限元仿真模型, 通過計算得到了殉爆距離與安全距離, 基于此加工了試驗樣彈, 并進行了相應的水下殉爆試驗。試驗結果與數值仿真結果較為吻合, 表明了本文的仿真模型能夠有效描述帶殼裝藥的水下殉爆情況, 水下試驗中由沖擊波壓力和氣泡周期來判斷被發裝藥是否殉爆是可行的。最后, 在水下殉爆理論分析基礎上, 根據試驗結果預計了大藥量水中兵器戰斗部的安全性。本文的研究可為水中兵器戰場環境的安全性設計提供依據, 并可為水中兵器戰斗部殉爆毀傷能力評估提供參考。

水中兵器; 戰斗部; 水下爆炸; 殉爆; 有限元仿真模型; 安全性

0 引言

炸藥作為一種含能物質, 在受到足夠強的外界刺激如力、熱、光和電等作用時會發生爆炸, 并可能造成臨近炸藥的殉爆[1]。炸藥殉爆主要有裸裝炸藥殉爆和殼裝炸藥殉爆2類, 其中殼裝炸藥殉爆更接近炸藥實際使用狀態。根據所處的環境, 主要有空氣中殉爆與水下殉爆2類。目前, 國內外對炸藥空氣中的殉爆研究較多, 如Howe等人采用歐拉程序2DE對殼裝炸藥殉爆進行了2D數值仿真[2]; Lu 等人對裸裝PBXN2109炸藥殉爆進行了數值仿真[3]; Fisher等人對殼裝PBXN29 炸藥殉爆進行了數值仿真[4]; 陳朗等人計算了不同距離下裸裝炸藥的殉爆距離[5]; 文獻[6]的表1中, 給出了當主發藥和被發藥均為柱狀TNT散裝單質炸藥時的殉爆試驗數據; 王晨等人進行殼裝固黑鋁(GHL)炸藥殉爆試驗[7]; 周保順等對沖擊波作用下炸藥殉爆過程進行了數值仿真并進行了試驗驗證[8]。不過, 對炸藥水中殉爆研究尚未見詳細報道。

對于水中兵器, 戰斗部水下爆炸可能激起一定距離上的另一水中兵器戰斗部發生爆炸, 即產生殉爆, 殉爆也是摧毀敵方水中兵器的作用方式之一。研究典型裝藥水下爆炸的殉爆機理, 分析水中兵器戰斗部對來襲水中兵器戰斗部的安全距離與殉爆距離, 可為水中兵器戰場環境的安全性設計提供依據, 同時也可為打擊水中兵器用的水中兵器戰斗部的毀傷威力評定提供一種新方法。

1 水中殉爆的理論分析

1.1 影響水中殉爆的因素

水中殉爆規律很復雜, 引起殉爆的原因可能有主發裝藥爆炸產生的沖擊波、氣泡、二次壓力波及爆轟產物直接作用等。影響水中殉爆的因素很多, 主要有以下幾個方面。

1.1.1主發裝藥的影響

不同種類主發炸藥其爆炸能量釋放與輸出特性存在差異, 其殉爆距離也不同。相同種類的炸藥, 主發裝藥的藥量越大, 能量越高, 被發裝藥越容易被起爆。主發裝藥帶外殼時, 爆轟產物受到約束, 增大了主發裝藥的爆轟性能, 使殉爆距離增大。外殼強度越大, 這種效應越顯著。

1.1.2被發裝藥的影響

被發裝藥對外界刺激越敏感, 殉爆距離越大。裝藥密度較低時, 也容易殉爆。另外, 外殼對爆轟產物、沖擊波和破片有衰減、阻擋作用, 能導致殉爆距離減小。

1.1.3裝藥的布局

主發裝藥與被發裝藥按同軸線的擺放方式比按軸線垂直擺放方式更容易殉爆, 起爆方式對殉爆距離也有影響。

當主發裝藥和被發裝藥的種類確定時, 影響殉爆的主要因素為殼體厚度和材料, 殼體厚度和材料都會對沖擊波大小產生影響。有研究表明, 帶殼裝藥水下爆炸的沖擊波峰值壓力隨殼厚與裝藥半徑比的增加先增大后減小, 當殼厚裝藥半徑比為0.07～0.08時, 峰值壓力隨殼厚變化的趨勢發生改變, 對主發裝藥適當的殼體厚度可以增大殉爆距離。但對被發裝藥, 可能會導致殉爆距離減小。當主、被發裝藥都帶殼體時, 難以判斷出殼體對殉爆距離的影響。

1.2 水中爆炸的起爆判據和殉爆閾值

1.2.1水中爆炸的起爆判據

起爆判據是判斷主發裝藥爆炸后, 被發裝藥是否爆炸的依據, 空氣中一般用爆炸產生的特征參量(沖擊波超壓)或試驗現象(殘藥或見證板的破壞情況)來判別。對于水中爆炸, 被發裝藥的殘藥或殘留外殼、見證板難于回收, 可采用水中沖擊波壓力和氣泡周期來判斷被發裝藥是否發生爆轟。

1.2.2水中爆炸的起爆閾值

沖擊起爆是炸藥對壓力脈沖的一種動態響應形式。對于均質炸藥, 早期認為只要沖擊波壓力超過臨界起爆壓力, 炸藥就會被引爆。對于非均質炸藥, 其起爆閾值既與沖擊波壓力有關, 又與其持續時間有關。因此, 水中爆炸殉爆的臨界起爆判據需要綜合考慮臨界起爆壓力或臨界起爆能量, 殉爆臨界起爆閾值應符合:＞,≥(為沖擊波能,為臨界起爆能)。

1.3 帶殼裝藥水中爆炸的殉爆相似律

函數的具體形式可通過試驗確定, 當以沖擊波超壓作為判別殉爆的主要參數時, 水中殉爆距離與主發藥量、殼體厚度和裝藥半徑(包括主發和被發裝藥)的比值有關。

2 數值仿真

有限元分析軟件ANSYS/LS_DYNA強大的自適應線譜增強算法(adaptive line enhancement, ALE)和Euler算法及炸藥的材料與狀態方程廣泛應用于各種水下爆炸分析中, 相關資料表明[9], ANSYS/LS-DYNA在水中爆炸分析中有很多成功的案例。對炸藥水下殉爆試驗的數值仿真可以描述炸藥在殉爆中的反應規律, 同時能夠獲得殉爆過程中的細節規律, 在很大程度上可以減少試驗數量。

2.1 計算模型

2.1.1 物理模型及算法

炸藥裝藥水下爆炸殉爆模型見圖1,為2個裝藥的中心距,為2個裝藥的邊距。主發裝藥與被發裝藥外形尺寸均為f90 mm×90 mm的圓柱體, 裝藥類型均為GUHL-1, 主發裝藥包裹有 1.5 mm的鋁殼, 被發裝藥包裹有1 mm的鋁殼。

圖1 裝藥水下殉爆示意圖

計算模型由主發裝藥、被發裝藥、主發裝藥外殼、被發裝藥外殼和水介質5部分組成, 其中主發裝藥、水介質采用歐拉網格建模, 單元使用多物質ALE算法, 被發裝藥、主發裝藥外殼、被發裝藥外殼采用LAGRANGE算法, 在被發裝藥、主發裝藥外殼、被發裝藥外殼與水域間采用關鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID實現耦合算法[10]。主發裝藥采用圓柱體中心起爆, 根據模型對稱性特點, 主發裝藥及其外殼采用1/2有限元建模。選擇SOLID164單元和相應的材料屬性對幾何模型劃分網格, 創建PART, 施加對稱約束和透射邊界條件, 調整主發裝藥與被發裝藥間的距離, 設置求解時間等操作。形成有限元模型如圖2所示。

圖2 裝藥水下殉爆有限元模型

2.1.2材料與狀態方程

主發裝藥及被發裝藥的鋁殼選用各項同性隨動強化的彈塑性金屬材料模型MAT_PLASTIC_ KINEMATIC, 密度=2.7×103kg/m3, 彈性模量=70 GPa,泊松比=0.35, 屈服應力=0.3 GPa; 水選用空白材料模型NULL, 狀態方程為EOS_GRUNEISEN, 密度為水=1.025×103kg/m3; 主發裝藥選用高能炸藥燃燒與增長模型MAT_ HIGH_EXPLOSIVE_BURN, EOS_JWL狀態方程, 其密度藥=1.8×103kg/m3, 爆速=7020 m/s, 爆壓P=21.5 GPa, 炸藥及水的具體參數可參考文獻[11]。被發裝藥采用流體彈塑性材料模型*MAT _ELASTIC_PLASTIC_HYDRO[12], 采用點火增長反應速率方程*EOS_IGNITION_AND_ GROWTH_ OF_REACTION_IN_HE[12], 方程如下

GUHL-1炸藥點火增長模型參數選取如表1所示。

2.2 仿真計算結果

選取幾種不同作用距離進行仿真模型的計算。當=3 cm時, 被發裝藥未被殉爆, 沖擊波傳播、被發裝藥變形、被發裝藥內部＃120154單元的壓力時程曲線(峰值壓力P= 2.31714GPa)見圖3。當=1 cm時, 被發裝藥被殉爆, 沖擊波傳播、被發裝藥殉爆、被發裝藥內部＃120154單元的壓力時程曲線(峰值壓力P=23.224 5 GPa)見圖4。

表1 GUHL-1炸藥點火增長模型反應速率方程參數

圖3 作用距離R=3 cm時, 沖擊波傳播、被發裝藥變形以及內部單元壓力時程曲線圖

圖4 R=1 cm時, 沖擊波傳播、被發裝藥殉爆以及內部單元壓力時程曲線圖

3 殉爆試驗

按照2.1中的仿真研究模型, 加工了試驗樣彈, 尺寸都為f90mm×90mm, 裝藥品種都為GUHL-1, 密度大于1.8×103kg/m3, 主發裝藥鋁殼厚1.5 mm, 傳爆藥柱為20 g JH-14, 采用8#銅殼電雷管端面中心起爆。被發裝藥鋁殼厚1 mm。

試驗水池為圓柱形結構, 試驗時將主發裝藥、被發裝藥懸吊在水池中心, 入水深度5 m, 并處于同一水平面上, 主發裝藥和被發裝藥的距離通過鐵絲編制的架子來控制。同時在距爆心2.5 m處布放3個水下傳感器, 傳感器與兩裝藥處于同一水平面。測定炸藥爆炸時水中壓力隨時間而變化的-曲線。

測試系統由高速采集儀(見圖5)、適配器、水下沖擊波壓力傳感器(見圖6)、低噪聲電纜和專用軟件組成。傳感器采用美國PCB公司生產的PCB138A型大量程電氣石壓力傳感器, 測量系統有專用軟件, 能自動找出氣泡脈動周期和沖擊波峰值壓力等參數。

首先測量了單個1 kg的GUHL-1炸藥(主發裝藥, 見圖7)水中爆炸的沖擊波壓力和氣泡周期, 測距為2.5 m, 3點的峰值壓力平均值為16.27 MPa, 氣泡周期平均值為322.9 ms。GUHL-1和GUHL-1的殉爆試驗裝配見圖8。殉爆的試驗結果見表2。

圖5 水下數據采集系統

圖6 傳感器

圖7 單個1 kg的GUHL-1炸藥

圖8 GUHL-1和GUHL-1的殉爆試驗裝配圖

4 結果分析及討論

針對相同的主發裝藥、被發裝藥的水下殉爆研究模型, 采用數值仿真以及試驗測試的方式展開研究。

由圖4可看出, 在=1 cm時, 被發裝藥發生膨脹, 其內部一單元的峰值壓力達23.224 5 GPa,大于該炸藥的爆壓P, 被發裝藥被殉爆; 由圖3可看出, 在= 3 cm時, 被發裝藥發生壓縮變形, 內部同一單元的峰值壓力僅為2.31714 GPa, 遠遠小于該炸藥的爆壓P, 被發裝藥未被殉爆。同樣可得在= 6 cm和= 8 cm工況下, 被發裝藥均未被殉爆。采用數值仿真方法, 可以明顯地觀測到被發裝藥是否被殉爆。數值仿真結果與試驗結果的吻合表明, 采用數值仿真方法能較好地模擬水下殉爆, 本文2.1節中的材料與狀態方程參數是合理可行的。

表2 GUHL-1和GUHL-1的殉爆試驗結果

當殉爆距離較近時, 難以準確測量沖擊波峰值壓力, 通過數值仿真計算可知, 被發裝藥GUHL-1的殉爆沖擊波壓力閾值約為7.49 GPa。

由表2可知, 2個裝藥表面距離為3 cm, 6 cm和8 cm時, 測點處的沖擊波峰值壓力和氣泡周期與單個1 kg的GUHL-1裝藥一致, 被發裝藥未殉爆。2個裝藥表面距離為1 cm時, 測點處的沖擊波峰值壓力和氣泡周期都大于單個1 kg的GUHL-1裝藥的沖擊波峰值壓力和氣泡周期, 被發裝藥殉爆, 與數值仿真結果吻合。研究表明, 在水下殉爆試驗中, 由沖擊波壓力和氣泡周期來判斷被發裝藥是否殉爆是可行的。

當主發裝藥和被發裝藥都為帶殼的1 kg的GUHL-1時, 水中爆炸的殉爆中心距離約為10 cm, 安全中心距離約為12 cm, 距離很近。根據水中爆炸的殉爆相似律可知, 大藥量的水中兵器戰斗部在水下戰場環境下的安全性也很高。

5 結束語

本文選取了水下典型的主發裝藥與被發裝藥模型, 采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對典型帶殼裝藥的水下殉爆進行了數值仿真, 并加工了試驗樣彈, 開展了水下殉爆的試驗研究, 得到了典型帶殼裝藥的水下殉爆距離與安全距離。數值仿真結果與試驗結果較為吻合, 表明數值仿真模型能夠有效描述帶殼裝藥的水下殉爆情況, 試驗中由沖擊波壓力和氣泡周期來判斷被發裝藥是否殉爆是可行的。由水下殉爆的理論分析, 可以預計大藥量水中兵器戰斗部的殉爆安全性。

本文僅選取了典型的水下裝藥模型, 有關不同裝藥品種、不同裝藥形式與起爆方式、不同裝藥外殼的水下殉爆現象與規律的研究尚沒有涉及, 有待后續深入研究。

[1] 章冠人, 陳大年. 凝聚炸藥起爆動力學[M]. 北京: 國防工業出版社, 1991.

[2] Howe P M, Huang Y K, Arbuckle A L. A Numerical Study of Detonation Propagation Between Munitions[C]//Pro- cee-dings of the 7th Symposium(International) on Detonation, 1982.

[3] Lu J P, Lochert I J, Kennedy D L, et al. Simulation of Sy- mpathetic Reaction Rests for PBXN2109[C]//Proceedings of 13th Symposium(International) on Detonation, 2006.

[4] Fisher S, Baker E L, Wells L, et al. XM982 Excalibur Sympathetic Detonation Modeling and Experimentation

[C]//Insensitive Munitions & Energetic Materials Te- chnology Symposium, 2006.

[5] 陳朗, 王晨, 魯建英, 等. 炸藥殉爆實驗和數值模擬[C] //第四屆爆炸計算力學會議論文集, 2008.

[6] 李錚, 項續章. 各種炸藥的殉爆距離[J]. 爆炸與沖擊, 1994, 14(3): 231-241.

[7] 王晨. 殼裝炸藥殉爆實驗和數值模擬[J]. 爆炸與沖擊, 2010, 30(2): 152-158.Wang Chen. Experiments and Numerical Simulations of Sympathetic Detonation of Explosives in Shell[J]. Explosion and Shock Waves, 2010, 30(2): 152-158.

[8] 周保順. 非均質炸藥殉爆試驗數值模擬[J]. 彈箭與制導學報, 2009, 29(5): 145-148.Zhou Bao-shun. Numerical Simulation of Sympathetic Detonation of Heterogeneous Condensed Explosives[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2009, 29(5): 145-148.

[9] 張勝民. 基于有限元軟件ANSYS7.0的結構分析[M]. 北京: 清華大學出版社, 2003.

[10] ANSYS股份有限公司北京辦事處. ANSYS/LS-DYNA算法基礎和使用方法[M], 2000.

[11] 劉銳. 不同條件下水中爆炸沖擊壓力場分布特性研究[D]. 北京: 北京理工大學, 2010.

[12] 美國ANSYS公司. ANSYS/LS-DYNA User′s Manual[M], 2003.

(責任編輯: 楊力軍)

Research on Law of Sympathetic Detonation of Typical Charge Subjected to Underwater Explosion

LU Zhong-bao,HU Hong-wei,LIU Riu,YANG Fan

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2. Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

Aiming at typical charge in shell, a finite element analysis (FEA) model of sympathetic detonation of typical charge subjected to underwater explosion is established using the simulation software ANSYS/LS_DYNA. The distance of sympathetic detonation and the distance of safety are achieved by calculation, and a prototype ammunition is manufactured for underwater sympathetic detonation experiment. The experimental result indicates that the FEA model can describe the underwater sympathetic detonation of charge in shell effectively, and that explosive pressure and bubble period can be used to estimate the occurrence of sympathetic detonation of acceptor charge. Based on the theoretical analysis of underwater sympathetic detonation, the warhead security of typical underwater weapon is estimated according to the experiment result. This study may give a reference for the safety design and the destroy ability evaluation of underwater weapon warhead.

underwater weapon; warhead; underwater explosion; sympathetic detonation; finite element analysis(FEA) model; security

TJ630.1; TP391.9

A

1673-1948(2014)03-0230-06

2013-12-16;

2014-01-27.

魯忠寶(1978-), 男, 碩士, 高級工程師, 主要從事水中兵器戰斗部的研究與設計.