自制炸藥的沖擊波超壓測試及TNT當(dāng)量估算

劉　玲，袁俊明，劉玉存，范星海，常雙君，王建華，于雁武

(1.中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西太原030051; 2.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西西安710061)

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自制炸藥的沖擊波超壓測試及TNT當(dāng)量估算

劉玲1，袁俊明1，劉玉存1，范星海2，常雙君1，王建華1，于雁武1

(1.中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西太原030051; 2.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西西安710061)

摘要：為評(píng)估典型自制炸藥的威力，采用無線存儲(chǔ)測試儀測量了一定質(zhì)量的雷藥、三過氧化三丙酮(TATP)、六亞甲基三過氧化二胺(HMTD)、高氯酸鉀/鋁及硝酸銨/鋁5種自制炸藥爆炸后不同距離處的沖擊波超壓及衰減規(guī)律。運(yùn)用非線性顯式動(dòng)力學(xué)軟件AUTODYN建立了TNT炸藥-土壤-空氣域有限元模型，用流固耦合算法計(jì)算了不同質(zhì)量TNT的超壓場，獲得了距離爆心38、58和78cm處TNT炸藥質(zhì)量-超壓曲線，依據(jù)該曲線計(jì)算了自制炸藥的TNT當(dāng)量。結(jié)果表明，TATP、HMTD的TNT當(dāng)量系數(shù)計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)值基本一致，相對(duì)誤差在2%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：爆炸力學(xué)；自制炸藥；沖擊波超壓；TNT當(dāng)量；數(shù)值模擬

simulation

引言

自制炸藥一般為自制爆炸物或工業(yè)炸藥的混合物，具有低密度和低爆速等特點(diǎn)，為炸藥當(dāng)量的估算帶來了困難。估算爆炸物TNT當(dāng)量的方法主要有理論計(jì)算、爆炸試驗(yàn)和數(shù)值模擬等；Locking[1]基于爆熱計(jì)算公式得到三過氧化三丙酮(TATP)、六亞甲基三過氧化二胺(HMTD)及B炸藥的TNT當(dāng)量；Cooper[2]提出平板凹痕的試驗(yàn)方法；Dusenberry[3]在《建筑抗爆設(shè)計(jì)手冊》中提出單一變量足以計(jì)算出合理的TNT當(dāng)量曲線；王玉磊等[4]采用地面和空中爆炸沖擊波測試的方法計(jì)算出不同測試條件下TNT爆炸沖擊波的經(jīng)驗(yàn)公式和B炸藥的TNT當(dāng)量。Ackland K等[5]運(yùn)用有限元軟件AUTODYN基于沖擊波超壓和沖量分別計(jì)算了塑性炸藥(C4)、銨油炸藥(ANFO)、彭托利特炸藥的TNT當(dāng)量，提出在涉及鋼結(jié)構(gòu)變形時(shí)，利用沖量估算的TNT當(dāng)量與理論值更為接近。研究表明小藥量自制炸藥在近地處爆炸，不在經(jīng)驗(yàn)公式適用的比例距離范圍內(nèi)，且試驗(yàn)所得為近地爆炸的地表反射壓，故采用傳統(tǒng)超壓經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算自制炸藥的TNT當(dāng)量不能很好地反映實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)，需對(duì)常用的超壓經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正[6]。

本研究通過配制5種典型的自制炸藥，用無線存儲(chǔ)測試儀測得不同距離處的超壓，運(yùn)用AUTODYN軟件建立TNT炸藥爆炸模型，根據(jù)超壓計(jì)算值估算自制炸藥的TNT當(dāng)量，并與文獻(xiàn)的估算結(jié)果進(jìn)行比較，以期為非常規(guī)炸藥的TNT當(dāng)量估算提供參考。

1實(shí)驗(yàn)

1.1樣品及儀器

自制炸藥樣品：雷藥、三過氧化三丙酮(TATP)、六亞甲基三過氧化二胺(HMTD)、高氯酸鉀/鋁粉、硝酸銨/鋁粉。雷藥、TATP的質(zhì)量分別為50g，HMTD的質(zhì)量為20g，高氯酸鉀/鋁粉、硝酸銨/鋁粉混合炸藥的質(zhì)量均為100g。

CJB-V-01型無線存儲(chǔ)測試儀，中北大學(xué)，存儲(chǔ)容量1M字節(jié)，采樣頻率1MHz，量程0～1.37MPa。

1.2試驗(yàn)裝置及場地布置

沖擊波超壓試驗(yàn)場地布局示意圖如圖1所示。

圖1　沖擊波超壓試驗(yàn)場地布局示意圖Fig.1　Experiment arrangement of the overpressure test

將沖擊波超壓傳感器按照測試距離分別為38、58、78cm埋入地面，露出其敏感部位。裝有被測爆炸物的紙筒垂直懸掛固定于距離地面一定高度，但需保證爆炸中心與傳感器敏感部分連線和地面夾角小于15°。自制炸藥用電雷管引爆。通過沖擊波超壓傳感器現(xiàn)場測量并記錄其沖擊波超壓，再由計(jì)算機(jī)處理獲得超壓曲線。

1.3自制炸藥的制備

雷藥采用人工方法將鞭炮里的粉末藥劑剝離出來，配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：高氯酸鉀50%、硝酸鋇15%、鋁粉15%、鋁鎂合金15%和硫磺5%。

三過氧化三丙酮(TATP)的制備：將30mL丙酮和50mL雙氧水混合均勻后冷卻至5℃，再緩慢加入2.5mL濃硫酸，攪拌5min后冷卻24h，TATP晶體完全析出，冰水反復(fù)清洗、烘干。

六亞甲基三過氧化二胺(HMTD)的制備：分3次將4.5g四氮六甲胺加入9g的雙氧水中，分5次將4.5g檸檬酸加入冷卻后的溶液中，將最終溶液冷卻后析出HMTD晶體，將晶體用清水沖洗、烘干。

100g的高氯酸鉀/鋁粉混合炸藥、硝酸銨/鋁粉混合炸藥中鋁粉的含量均為12g，混合均勻。

分別將5種自制炸藥裝填于牛皮紙制作的直徑40mm的圓筒中，輕輕壓實(shí)，裝藥密度約為1g/cm3。

1.4試驗(yàn)結(jié)果

TATP在測試距離58cm處的超壓曲線見圖2。5種自制炸藥的超壓峰值(pm)測試結(jié)果見表1。

圖2　測試距離58cm處TATP的超壓曲線Fig.2　Overpressure curve of TATP at the distanceof 58cm

自制炸藥pm/MPa38cm58cm78cm雷藥0.8530.3200.253TATP1.2270.4760.347HMTD0.7130.2510.219高氯酸鉀/鋁粉1.7790.5980.422硝酸銨/鋁粉1.1920.4120.302

2數(shù)值模擬

2. 1有限元模型的建立及網(wǎng)格劃分

采用AUTODYN軟件建立土壤-空氣域二維對(duì)稱計(jì)算模型，計(jì)算采用mm-mg-ms單位制。空氣域及TNT炸藥采用多物質(zhì)Euler算法，將TNT炸藥以物質(zhì)填充的方式填入空氣域。空氣域長1m，高0.7m，空氣域X、Y方向均勻劃分為1000及700個(gè)網(wǎng)格單元，土壤厚度為0.2m，長度為0.95m，均勻劃分為20、950個(gè)網(wǎng)格單元。爆點(diǎn)設(shè)置為藥柱中心，距地面0.15m。土壤底部添加固定邊界，土壤-空氣域邊界采用模擬無限區(qū)域的流出邊界，無反射作用產(chǎn)生。

根據(jù)試驗(yàn)中無線存儲(chǔ)測試儀的分布位置，分別在距爆點(diǎn)38、58和78cm處取3個(gè)觀測點(diǎn)，觀測點(diǎn)距地面高度為2cm。計(jì)算模型及觀測點(diǎn)分布見圖3。

圖3　TNT裝填位置及超壓峰值觀測點(diǎn)分布Fig.3　Position of TNT charge and gauges

2. 2材料模型及參數(shù)

TNT炸藥材料用JWL狀態(tài)方程來描述[11]：

(1)

式中：p為爆轟產(chǎn)物壓力；V為相對(duì)體積；E為單位體積的內(nèi)能；A、B、R1、R2、ω為JWL系數(shù)。

TNT炸藥的JWL參數(shù)及空氣材料參數(shù)均采用AUTODYN軟件自帶參數(shù)，分別見表2和表3。

表2　TNT炸藥的JWL參數(shù)

表3　空氣材料參數(shù)

2.3TNT當(dāng)量估算

基于沖擊波超壓參數(shù)對(duì)自制炸藥TNT當(dāng)量進(jìn)行估算。利用AUTODYN軟件對(duì)不同質(zhì)量TNT的爆炸場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到不同距離處沖擊波超壓分布規(guī)律，并根據(jù)等距離處具有相同沖擊波超壓峰值的原理，采用公式(2)估算自制炸藥的TNT當(dāng)量：

(2)

為保持模擬試驗(yàn)和實(shí)際試驗(yàn)條件一致，假設(shè)TNT為圓柱形裝藥，距離土壤地面一定高度，爆炸沖擊波沿土壤地面在無限空氣域中傳播。

由于試驗(yàn)所用牛皮紙桶對(duì)自制炸藥爆炸沖擊波超壓測試影響很小，故在數(shù)值模擬試驗(yàn)中忽略不計(jì)。計(jì)算方法基于流固耦合法，以質(zhì)量為2g的TNT炸藥為起點(diǎn)，并以2g為質(zhì)量步長依次增加TNT藥量，模擬并記錄質(zhì)量為2～100g時(shí)的TNT炸藥在相應(yīng)觀測點(diǎn)處的超壓峰值。

3計(jì)算結(jié)果及分析

采用土壤-空氣域二維對(duì)稱計(jì)算模型，計(jì)算出不同時(shí)刻TNT炸藥的爆炸沖擊波的壓力云圖，見圖4；由數(shù)值模擬結(jié)果擬合TNT炸藥的質(zhì)量—超壓曲線，見圖5。

結(jié)合試驗(yàn)測得的超壓數(shù)據(jù)，對(duì)照?qǐng)D5中的曲線可得出自制炸藥在相同測試距離處所對(duì)應(yīng)的等效TNT質(zhì)量，再求得其平均等效TNT質(zhì)量，結(jié)果見表4，通過式(1)即可求得相應(yīng)的TNT當(dāng)量系數(shù)。自制炸藥的TNT當(dāng)量及與文獻(xiàn)[8]結(jié)果對(duì)比見表5。

圖4　不同時(shí)刻爆炸沖擊波的壓力云圖Fig.4　Pressure contour for shock wave of detonationat different times

圖5　不同質(zhì)量的TNT在對(duì)應(yīng)距離處的峰值超壓曲線Fig.5　Overpressure curves of TNT with different massat the corresponding distance

炸藥m/g38cm58cm78cmm/g雷藥22.72525.17926.54724.817DWTATP45.83447.35447.05246.747HMTD18.71115.32616.11316.717高氯酸鉀/鋁粉82.41683.35185.19283.653硝酸銨/鋁粉43.32944.07141.52242.947

表5　兩種方法計(jì)算的TNT當(dāng)量

由表1和圖5可知，實(shí)際試驗(yàn)測試環(huán)境因?yàn)闅鉁?、風(fēng)向及地面反射，會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定影響，在實(shí)際爆炸中，爆炸初期空氣被嚴(yán)重壓縮(最大壓縮約11倍)，高溫氣體中因電離、離解和分子結(jié)合等過程衰減較快，而數(shù)值模擬軟件以一種理想狀態(tài)來模擬藥柱在近地面爆炸，故使用數(shù)值模擬方法估算所得的結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果存在一定偏差。

文獻(xiàn)[8]利用AUTODYN軟件計(jì)算出質(zhì)量為1kg球型裝藥的TATP及HMTD的超壓，并提出基于超壓的TATP和HMTD的TNT當(dāng)量分別為0.920、0.820。本研究得到的TATP、HMTD的TNT當(dāng)量分別為0.933及0.836，與文獻(xiàn)[8]計(jì)算結(jié)果基本一致，說明數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可信度較高。

4結(jié)論

(1)用無線存儲(chǔ)超壓測試儀測試了雷藥、TATP、HMTD、高氯酸鉀/鋁粉、硝酸銨/鋁粉5種自制炸藥的超壓，得到不同距離處的沖擊波超壓分布規(guī)律。

(2)采用AUTODYN軟件建立了土壤-空氣域二維對(duì)稱計(jì)算模型，計(jì)算了不同質(zhì)量TNT在等距離處的超壓峰值，得到質(zhì)量-超壓曲線，從而估算出自制炸藥的TNT當(dāng)量，其中，TATP、HMTD的TNT當(dāng)量計(jì)算值與文獻(xiàn)計(jì)算的TNT當(dāng)量基本吻合，相對(duì)誤差在2%以內(nèi)。

(3)對(duì)于低密度、低爆速的非常規(guī)自制炸藥，利用基于沖擊波超壓參數(shù)的數(shù)值計(jì)算方法可行，其計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確。

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Shock Wave Overpressure Test and Evaluation of TNT Equivalent

of Self-made Explosives

LIU Ling1, YUAN Jun-ming1, LIU Yu-cun1, FAN Xing-hai2, CHANG Shuang-jun1, WANG Jian-hua1, YU Yan-wu1

(1.School of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Taiyuan 030051，China;

2.Shannxi Applied Physicochemical Research Institute, Xi′an 710061, China)

Abstract:To evaluate the power of typical self-made explosives, the overpressure and attenuation rule at different distances after the explosion of five kinds of self-made explosives: fireworks, TATP, HMTD, KClO4/Al, NH4NO3/Al with a certain mass were measured by a wireless memory tester. An infinite element wedge model of TNT explosive-soil-airdomain was established by a nonlinear explicit dynamics software AUTODYN. The overpressure field of TNT with different mass was calculated with the fluid-solid coupling algorithms. The TNT mass-overpressure curves at the distance of 38, 58 and 78cm from explosion center were obtained . The TNT equivalents of self-made explosives were estimated based on the TNT mass-overpressure curves. Results show that the computed results of TNT equivalent coefficient for TATP and HMTD are in agreement with the literature ones, and the relative error is within 2%.

Keywords:explosion mechanics; self-made explosives; shock wave overpressure; TNT equivalent; numerical

通訊作者:袁俊明(1979-)，男，副教授，從事含能材料制備與性能計(jì)算。

作者簡介:劉玲(1988-),女，碩士研究生，從事自制炸藥性能研究。

基金項(xiàng)目:火炸藥青年基金(08020401-4)

收稿日期:2014-08-08；修回日期:2015-01-13

中圖分類號(hào)：TJ55; TQ560

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7812(2015)02-0050-04

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.02.011