撞擊條件下分步壓裝裝藥的點火機理?

屈可朋 王曉峰 何 超 王世英

西安近代化學研究所（陜西西安，710065）

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撞擊條件下分步壓裝裝藥的點火機理?

屈可朋 王曉峰 何 超 王世英

西安近代化學研究所（陜西西安，710065）

［摘 要］利用大型落錘加載裝置對不同密度分布狀態的藥柱進行了撞擊加載試驗，在分析試驗前、后藥柱中應力和密度分布狀態變化的基礎上，討論了分步壓裝裝藥的點火機制。結果表明：藥柱的力學響應與其內部密度分布情況密切相關，均勻密度藥柱所能承受的最大載荷明顯高于非均勻密度藥柱。在撞擊加載過程中，藥柱內部徑向密度差引起的剪切流動是導致分步壓裝裝藥點火的重要原因。

［關鍵詞］含能材料；分步壓裝裝藥；撞擊試驗；點火機理

引言

分步壓裝裝藥工藝具有效率高、裝藥無疵病等特點，已成功應用于裝填中大口徑殺爆彈［1］。分步壓裝是通過螺桿多次搗壓后成型的工藝過程，其工藝特點決定了裝藥后形成的藥柱沿其徑向存在一定的密度差，即中心密度高、邊沿密度低，這種徑向密度差的存在能否保證裝藥的撞擊安全性已成為關注的焦點。針對炸藥裝藥的撞擊安全性，國內外以往的研究主要集中于炸藥配方［2］、裝藥工藝［3］、裝藥尺寸［4］、裝藥密度［5］以及載荷類型［6-7］等方面，而對于藥柱徑向密度差對其撞擊安全性的影響尚未開展深入研究。國內，王淑萍等［5，8］從裝藥缺陷、裝藥孔隙率、裝藥密度分布等方面定性分析了分步壓裝裝藥的安全性，但未深入分析分步壓裝裝藥在撞擊條件下的點火機理。

本研究以一種新型RDX基含鋁炸藥為對象，壓制了具有一定徑向密度分布的藥柱，進行了撞擊加載試驗，在獲取其動態響應特性的基礎上，分析了分步壓裝裝藥在撞擊條件下的點火機理，為分步壓裝工藝裝填大口徑榴彈的發射安全性分析提供參考。

1 試驗部分

1. 1 試驗樣品

RDX基含鋁炸藥由西安近代化學研究所提供，其主要成分（質量分數）為：75%RDX、20%鋁粉和5%黏結鈍感劑。

為模擬分步壓裝裝藥的徑向密度差，利用“沖頭直徑小、模筒直徑大”的壓制模具，采用多次壓制的方法，制備了尺寸為40 mm×40 mm、具備一定徑向密度差的圓柱形試驗樣品，樣品的平均密度為1. 70 g/ cm3。為確定分次壓裝藥柱沿徑向的密度分布情況，在藥柱中部鋸切出3 mm的薄片，分別在薄片的中心、1/2半徑及邊沿處鋸切出1個小藥塊，并利用GJB772A—1997中方法401. 2液體靜力稱量法測量鋸出的藥塊密度，結果列于表1。由表1可知，采用分次壓制方法制備的藥柱，其最大徑向密度差在6%左右。

表1 多次壓裝藥柱不同部位的密度值Tab. 1 Density values of the multiple pressing samples at different location

為與多次壓裝藥柱對比，采用傳統模壓工藝，制備了密度為1. 70 g/ cm3的均勻密度的藥柱。

1. 2 試驗裝置和方法

試驗在大型落錘加載裝置上進行，試驗裝置如圖1所示。

藥柱安裝于試驗樣彈中，通過自由下落的重錘撞擊試驗樣彈的上擊柱，實現對藥柱的沖擊加載。試驗樣彈裝配時，各組件須依次裝入套筒，以防止各組件之間殘留氣體的存留。試驗中，所用落錘質量為400 kg，通過改變落錘高度，調節藥柱所受到的應力載荷，觀察樣彈中藥柱的反應情況，并利用應變式傳感器記錄試驗過程中的應力波形。每種狀態重復3發，取其平均值作為最終試驗結果。

1. 3 試驗結果

2種密度分布狀態的藥柱在落錘撞擊作用下的動態響應結果列于表2。可以看出，藥柱的響應情況與其密度分布情況密切相關，均勻密度藥柱所能承受的最大載荷明顯高于非均勻密度藥柱，均勻密度藥柱在應力達到1 160 MPa的作用力下仍可保持不燃不爆，而非均勻密度藥柱在應力為907 MPa時，即發生了爆炸反應，這可能是由于2種密度分布狀態藥柱的點火機制不同。

表2 試樣在落錘沖擊作用下的力學響應結果Tab. 2 Mechanical reponse results of samples under the drop hammer impact loading

2 分析與討論

藥柱中密度分布狀態的差異可能導致其在撞擊過程中內部應力分布的差異，而藥柱中的應力分布狀態直接影響到熱點的形成機制，從而使不同密度分布狀態的藥柱在同等的加載條件下表現出不同的響應特性。為弄清徑向密度差對藥柱點火機制的影響，從加載過程中藥柱內部應力分布及密度變化兩方面進行了分析。

2. 1 應力分布狀態

由于目前的測試手段難以對藥柱內部應力分布情況進行直接測量，所以本研究中采用數值模擬方法對其進行分析。由于難以獲得大量的不同密度裝藥的本構參數，所以將密度不均勻的分步壓裝藥柱假設為3層復合裝藥，其中，內層裝藥的直徑為8 mm，密度為1. 74 g/ cm3；中間層的外徑為18 mm，密度為1. 70 g/ cm3；最外層裝藥的密度為1. 64 g/ cm3，則計算出的平均密度約為1. 70 g/ cm3，與樣品的測量值基本相符。

利用ANSYS/ LS-DYNA仿真軟件分別建立圖1 （b）的仿真模型。其中，炸藥采用分段線性塑性模型Mat_Piecewise_Linear _Plasticity描述，聚乙烯墊片采用彈塑性隨動硬化模型，落錘、套筒及活塞所用材料均為T 10鋼，采用Johnson-Cook（J-C）模型描述，各類材料的物理參數列于表3。為得出藥柱沿軸向及徑向的應力分布數據，在藥柱模型上設置若干觀測點，如圖2所示。

表3 材料的物理參數Tab. 3 Physics parameters of materials

圖3為非均勻密度藥柱與均勻密度藥柱不同部位等效應力峰值的統計結果。

從圖3（a）可以看出，在軸向分布的4個測點中，非均勻密度藥柱中的應力峰值均高于均勻密度藥柱，這是因為非均勻密度藥柱的中心密度高于均勻密度藥柱，但兩種藥柱的應力峰值沿軸向的變化趨勢均相同。

從圖3（b）可以看出，對于非均勻密度藥柱，隨著半徑的增加，應力峰值逐漸減小，半徑為4 mm的測點位于密度最高的中心位置附近，其應力峰值為1 047 MPa；半徑為9、14 mm的兩個測點均位于藥柱中間層，其應力峰值分別為980 MPa和968 MPa；半徑為19 mm的測點位于密度最低的藥柱邊沿，其應力峰值為935 MPa。而均勻密度藥柱中，其應力峰值基本不變，約為965 MPa左右。這表明，藥柱徑向密度差會導致其徑向應力峰值出現明顯的梯度，中心位置的應力峰值超出邊沿位置約110 MPa。雖然仿真模型僅為3層復合裝藥，但也可以體現出非均勻密度藥柱中應力峰值隨著半徑的增加而逐漸減小的趨勢。

從圖3（c）可以看出，藥柱的密度分布狀態直接影響著藥柱內部的剪切應力峰值。雖然兩種密度分布狀態藥柱的剪切應力均隨半徑的增加而增加，但非均勻密度藥柱的剪切應力明顯高于均勻密度藥柱，且隨著半徑增加，其增幅逐漸增大。

2. 2 密度分布狀態

表4列出了均勻密度藥柱和非均勻密度藥柱試驗前、后藥柱不同部位密度的CT值。由表4可知，兩種藥柱在試驗后，藥柱中心、1/2半徑及邊沿處的密度均增大，說明藥柱受到了明顯的壓縮作用。均勻密度藥柱試驗后各部位的密度增幅在1%～2%之間。而非均勻密度藥柱試驗后藥柱中心密度增幅最小，約為3%，邊沿密度增幅最大，達到了8%，說明藥柱內部有物質向邊沿位置移動。

表4 試樣沖擊加載前后密度的CT值Tab. 4 Density CT values of samples before and after impact loading

為分析試驗前、后藥柱密度分布變化情況，計算了試驗前、后藥柱邊沿密度較中心密度的增量，計算方法為：

增量＝（邊沿密度-中心密度）/中心密度× 100%

圖4為試驗前、后藥柱邊沿密度較中心藥柱的增量變化情況。由圖4可見，均勻密度藥柱試驗前、后邊沿密度較中心密度的增量基本不變，約為9. 5%，說明在試驗加載過程中，藥柱內部各處的變形為均勻變形，物質無明顯徑向移動；而非均勻密度藥柱，試驗加載前，邊沿密度較中心密度的增量為5. 71%，而試驗后邊沿密度較中心密度的增量明顯增大，達到了11. 46%，說明在試驗加載過程中，藥柱內部各處的均勻變形，有一部分物質由藥柱的中心位置向邊沿位置移動，這與王淑萍等［8］的研究結論是一致的。

2. 3 分步壓裝裝藥點火機理分析

在落錘加載過程中，藥柱四周受到強約束，均勻密度的模壓藥柱發生軸向壓縮，內部各處變形均勻，其起爆機制一般認為是由于藥柱中的空隙等缺陷受到絕熱壓縮，從而引發局部熱點形成［9］。而分步壓裝藥柱一般不存在肉眼可見的疵病，主要缺陷在于壓制不密實而產生的一定范圍的空隙率（均勻分布的微米級的細小氣泡），典型的分步壓裝裝藥，其平均空隙率一般在10%左右。盡管空隙率很高，但分布相對均勻，故絕熱壓縮起爆機制并不能完全解釋分步壓裝藥柱的點火機制。

由試驗前、后藥柱內部應力及密度分布變化情況可知，分步壓裝藥柱在受到撞擊加載時，存在較大的徑向應力梯度，在此徑向應力梯度的作用下，藥柱內部物質會趨于均勻化分布，使得中心高密度區物質向邊沿低密度區流動，這會造成藥柱內部的不均勻運動，進而產生剪切流動現象。而文獻［10-11］認為，材料內部不均勻的剪切流動，使得持續的變形與能量耗散向局部區域集中，從而可造成不均勻的熱狀態，增大了熱點形成的幾率，故可以認為由藥柱中徑向密度差引起的剪切流動是導致分步壓裝裝藥點火的重要原因。

由于分步壓裝裝藥的撞擊點火是一個復雜的過程，難以直接觀測到內部物質的流動，故后續需要開展相關理論研究及模型試驗對其點火機制進行進一步分析。

3 結論

1）落錘撞擊條件下藥柱的響應特性與其內部密度分布情況密切相關，均勻密度藥柱所能承受的最大載荷明顯高于非均勻密度藥柱。

2）分步壓裝藥柱在受到撞擊加載時，藥柱內部物質會由中心高密度區向邊沿低密度區流動，產生了剪切流動現象，快速的剪切流動可能是導致分步壓裝裝藥點火的。

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Ignition Mechanism of Step Press Loading Charge under Impact Loading

QU Kepeng，WANG Xiaofeng，HE Chao，WANG Shiying

Xi’an Modern Chemistry Research Institute（Xi’an，710065）

［ABSTRACT］ Impact tests of explosive samples with different density distributions were carried out using drop hammer. Based on the analysis of stress and density distribution before and after impact tests，ignition mechanism of step press loading charge was discussed. The results show that the mechanical response of explosive samples are dependent with the inner density distribution，uniform density sample with uniform density distribution can endure bigger load stress than sample with non-uniform density distribution. Shear flow caused by the radial density difference is one of the important reasons causing step press loading charge ignition during the impact loading.

［KEY WORDS］ energetic materials；step-press-loading charge；impact test；ignition mechanism

收稿日期：［分類號］ TJ55；O347. 3?2015-12-28

doi：10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 03. 005

基金項目：國家重大基礎研究項目（0040105）

作者簡介：屈可朋（1983 -），男，碩士，工程師，主要從事彈藥材料動態力學響應及安全性的研究。E-mail：155301498@ qq. com