TNT炸藥射流撞擊響應(yīng)仿真

王 堃

(海裝西安局，西安 710043)

炸藥在高速金屬射流作用下的引爆問題是炸藥研究中極關(guān)心的問題。隨著彈藥在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中受到聚能武器威脅的不斷增加，炸藥在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境條件下承受射流攻擊時(shí)的射流感度安全性評(píng)估日益得到重視，成為炸藥安全性研究的重點(diǎn)之一，炸藥射流撞擊試驗(yàn)作為炸藥易損性試驗(yàn)方法之一也備受關(guān)注［1］。

西方國(guó)家非常重視彈藥中炸藥的易損性評(píng)價(jià)，典型的有美國(guó)的MIL-STD-2105C“非核彈藥的危險(xiǎn)性評(píng)估試驗(yàn)方法”，其中一項(xiàng)重要試驗(yàn)項(xiàng)目為射流撞擊試驗(yàn)。易損性中射流撞擊試驗(yàn)采用50 mm標(biāo)準(zhǔn)射流源，其v2d要求不小于360 mm3/μs2［2］，通過研究 50 mm 標(biāo)準(zhǔn)射流形成的射流形態(tài)，并對(duì)其經(jīng)過隔板后撞擊炸藥時(shí)炸藥的響應(yīng)情況進(jìn)行仿真研究，為射流撞擊試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)以及研究炸藥樣品的響應(yīng)類型提供依據(jù)。利用目前的顯式動(dòng)力學(xué)分析軟件AUTODYN，采用有限元方法，對(duì)藥型罩在炸藥爆轟過程中被壓垮形成射流的過程進(jìn)行仿真，并通過對(duì)射流侵徹隔板和射流經(jīng)過隔板作用于炸藥后壓力變化，判斷炸藥的響應(yīng)情況，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 模型選擇

1.1 材料模型的選擇

由于標(biāo)準(zhǔn)射流源選用的聚奧炸藥［3］，該炸藥沒有相應(yīng)的狀態(tài)方程，因此選用性能接近的PBX-9404炸藥［4］，表1為這兩種炸藥性能的對(duì)比。

表1 2種炸藥性能對(duì)比

對(duì)于射流形成，炸藥使用JWL狀態(tài)方程，藥型罩選用Shock狀態(tài)方程，其材料參數(shù)分別見表2和表3，空氣采用理想氣體模型，內(nèi)能設(shè)置為2.066E-3 Mbar·cm3/cm3。

表2 PBX-9404的材料參數(shù)

表3 銅的材料參數(shù)

射流仍采用表3所示Shock狀態(tài)方程，IRON采用Shock模型，炸藥選用TNT，使用Lee-Tarver狀態(tài)方程，使用的參數(shù)均為AUTODYN中材料數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)。

1.2 計(jì)算模型及方法［5］

50 mm射流源如圖1所示，采用銅藥型罩，炸藥采用的是聚奧炸藥，外形尺寸為φ50 mm×100 mm。根據(jù)試驗(yàn)確定其射流穩(wěn)定性較好時(shí)炸藥選擇為90 mm，采用45#鋼時(shí)平均穿深為280 mm，射流頭部速度為8.3 mm/μs，射流頭部直徑達(dá)到5.5 mm。

圖1 50 mm標(biāo)準(zhǔn)射流源

1.3 射流形成

采用1/2軸對(duì)稱模型。考慮到射流罩、炸藥、空氣等具有大變形，其采用多物質(zhì)Euler算法。為模擬空氣域?yàn)闊o(wú)限大，在空氣域邊界設(shè)置FLOWOUT邊界條件，共設(shè)置10觀察點(diǎn)，見圖2所示。為了提高計(jì)算精度，將中心部位計(jì)算域網(wǎng)格加密。

圖2 射流形成計(jì)算模型

1.4 炸藥沖擊響應(yīng)

炸藥沖擊響應(yīng)的計(jì)算模型在射流侵徹鋼靶的計(jì)算模型基礎(chǔ)上生成，隔板與炸藥采用共節(jié)點(diǎn)，銅射流與兩者定義接觸。炸藥固定厚度為50 mm，每隔5～10 mm設(shè)置一個(gè)觀察點(diǎn)，檢測(cè)其壓力變化曲線，其中中心線設(shè)置7個(gè)觀察點(diǎn)，并在相對(duì)位置(20 mm，1.5 mm)處設(shè)置1個(gè)觀察點(diǎn)，以便對(duì)炸藥爆轟響應(yīng)進(jìn)行觀測(cè)。隔板根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)置，從10 mm一直到150 mm，間隔10 mm，并設(shè)置4個(gè)觀察點(diǎn)。其中圖3為隔板厚度100 mm時(shí)的計(jì)算模型。

圖3 炸藥沖擊響應(yīng)計(jì)算模型

2 仿真結(jié)果與討論

2.1 射流形成

射流在26 μs已經(jīng)基本形成，并達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)射流源設(shè)置的炸高高度，停止計(jì)算，此時(shí)狀態(tài)見圖4，圖5為射流速度梯度圖。

圖4 射流形成時(shí)狀態(tài)

圖5 射流速度梯度

通過分析各觀察點(diǎn)的壓力和速度可以得到射流形成過程中各觀察點(diǎn)的最大速度，結(jié)果見表4。

表4 射流形成過程中各觀察點(diǎn)最大速度

從表4可以看出，射流達(dá)到最大速度為8381 m/s，與實(shí)測(cè)射流頭部速度基本相當(dāng)。從射流侵徹鋼靶仿真可以看出，射流侵徹深度為260 mm左右，實(shí)際測(cè)試結(jié)果為240 mm左右，相差10%左右，而且由于仿真時(shí)對(duì)變形較大的侵蝕單元進(jìn)行丟棄處理，沒有考慮實(shí)際過程中的杵體會(huì)堵塞穿孔的情況，因此仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較大。

2.2 響應(yīng)分析

從炸藥上設(shè)置的觀測(cè)點(diǎn)可以看出，觀測(cè)點(diǎn)1～7可以反映射流作用到炸藥上的壓力大小，見表5，觀測(cè)點(diǎn)8則反映炸藥的響應(yīng)的情況，其最大壓力和達(dá)到最大壓力的時(shí)間與隔板厚度的關(guān)系見圖6所示。

根據(jù)表5可以看出，炸藥在不同點(diǎn)的壓力除了受到的射流作用外，還包括了爆轟產(chǎn)生的壓力，而經(jīng)過不同隔板厚度衰減的射流在作用于炸藥上后，炸藥發(fā)生響應(yīng)的厚度隨著隔板厚度的增加而增加。

從圖6可以看出TNT炸藥不發(fā)生爆轟時(shí)隔板厚度為115～120 mm之間，取其中間值為117.5 mm。

圖6 TNT響應(yīng)時(shí)間及壓力與隔板厚度的關(guān)系曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果

為了判斷仿真結(jié)果的正確性，采用以下試驗(yàn)裝置(圖7)進(jìn)行了試驗(yàn)。

圖7 TNT射流撞擊試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置由標(biāo)準(zhǔn)射流源、炸高管、隔板、樣彈和見證板組成。樣彈壁厚為3 mm，尺寸為φ60 mm×240 mm。通過改變隔板厚度，并根據(jù)底見證板判斷炸藥是否發(fā)生爆轟反應(yīng)。試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果見表6所示。

從表6中可以看出，TNT炸藥在隔板厚度為110 mm以下時(shí)，均發(fā)生爆炸反應(yīng)，而當(dāng)隔板厚度超過115 mm時(shí)，未發(fā)生爆炸反應(yīng)，考慮到殼體壁厚等因素，因此，判斷TNT炸藥在射流撞擊條件下發(fā)生相應(yīng)的隔板厚度為115.5 mm。對(duì)比仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果可以看出兩者相差較小。

對(duì)比不同距離處TNT炸藥的響應(yīng)可以看出，TNT炸藥在隔板厚度為110 mm時(shí)超壓未達(dá)到爆轟反應(yīng)時(shí)的值(比隔板厚度100 mm時(shí)小)，底見證板也未顯示TNT發(fā)生完全爆轟反應(yīng)，因此從試驗(yàn)現(xiàn)象可以判斷，射流撞擊條件下，炸藥的爆轟仍有一個(gè)增長(zhǎng)過程，該過程隨著射流強(qiáng)度的增加而減小。

表6 TNT炸藥裝藥射流撞擊試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

經(jīng)過研究可得出以下結(jié)論:采用Autodyn可以簡(jiǎn)單有效地進(jìn)行射流形成及炸藥的射流沖擊響應(yīng)模擬;TNT炸藥裝藥按照易損性標(biāo)準(zhǔn)條件下射流撞擊響應(yīng)的臨界隔板厚度為115.5 mm;在射流撞擊條件下，炸藥的爆轟會(huì)有一個(gè)增長(zhǎng)過程，該過程將隨著射流入射強(qiáng)度的增加而減小。

［1］王建靈，俞統(tǒng)昌，郭煒.一種射流源和炸藥射流感度的研究［J］.爆炸與沖擊，2003，27(4):370-374.

［2］MIL-STD-2105C，Hazard Assessment Test for Non-Nuclear Munitions［S］.

［3］劉萍，許西寧.聚奧炸藥的機(jī)械感度研究［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2000，32(4):16-17.

［4］Gibbs T R，Pepolato A.LASL Explosive Property Data［M］.University of California Press，1980.

［5］王靜，王成，寧建國(guó).射流侵徹混凝土靶的靶體阻力計(jì)算模型與數(shù)值模擬研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，1998，19(12):1409-1416.