六棱柱破片沖擊起爆帶殼B炸藥速度閾值研究*

盧錦釗，智小琦，李娟娟，郝春杰（　中北大學機電工程學院，太原　03005；　晉西工業集團有限責任公司，太原　03005）

六棱柱破片沖擊起爆帶殼B炸藥速度閾值研究*

盧錦釗1，智小琦1，李娟娟2，郝春杰2
（1中北大學機電工程學院，太原030051；2晉西工業集團有限責任公司，太原030051）

文中根據六棱鎢柱破片沖擊起爆帶殼B炸藥實驗，利用Autodyn-3D軟件進行仿真。B炸藥應用點火增長Lee-Tarver模型，得出炸藥壓力云圖以及B炸藥內部觀測點壓力變化曲線，仿真數據與實驗結果吻合。在此基礎上計算出六棱柱最大迎風面積及其沖擊起爆閾值速度，得出雙六棱柱破片不同間距與閾值速度的關系和單破片沖擊不同蓋板厚度閾值速度曲線。研究結果對反導戰斗部破片殺傷元素的設計具有指導意義。

六棱柱破片；沖擊起爆；閾值速度；數值仿真

0　引言

對于防空反導，主要毀傷方式為利用高速破片沖擊引爆導彈戰斗部，其本質為破片對帶殼炸藥的沖擊起爆問題［1］。采用普通鋼質破片撞擊導彈戰斗部，若實現毀傷往往需要較大的破片質量；而穿甲能力強、密度大的鎢合金破片，被日益廣泛的用作殺傷元素，這是攔截并起爆和引燃來襲導彈戰斗部裝藥最理想的毀傷破片之一［2］。國內對B炸藥沖擊起爆研究多數為圓柱或球形破片［1-5］，對六棱柱破片研究很少，而六棱柱破片在有限戰斗部空間中能實現破片排列數量最多和總質量最大，從而增加目標被擊中并摧毀的概率［6］。

文中利用Autodyn-3D顯式有限元分析軟件和國際上較為流行的點火增長模型Lee-Tarver［7］，模擬六棱柱破片沖擊起爆B炸藥，并利用該模型研究在實際實驗過程中無法觀測的起爆機理，這對研究帶殼B炸藥在高速破片撞擊下的起爆問題具有重要的意義。

1　沖擊起爆炸藥盒實驗及結果

1.1實驗系統

實驗采用14.5 mm的彈道槍。破片為12 g內切圓?9×9.5 mm六棱鎢柱；炸藥盒為?100×80 mm 的Q235，厚度10 mm；炸藥盒內裝填?80的B炸藥。

圖1　實驗系統原理圖

1.2實驗判定與結果

炸藥盒外觀完整，無爆炸響聲判定不爆；炸藥盒后端被剪切或破碎性炸裂，且有明顯響聲判定為爆炸，見圖2所示。

圖2　炸藥盒判定

表1　實驗結果

從實驗數據可知，六棱柱破片沖擊起爆炸藥盒閾值速度約為750～800 m/s之間。

2　數值模擬

2.1模型建立

根據上述實驗，利用Autodyn-3D軟件對六棱鎢柱撞擊帶殼B炸藥進行建模。建立內切圓?9×9.5 mm正六棱柱鎢合金破片；炸藥為?100×80 mm的B炸藥，裝藥密度1.68 g/cm3，其他參數均取自于Autodyn標準數據庫；蓋板為?100×10 mm Q235，材料密度為7.89 g/cm3，剪切模量為79.64 GPa，屈服應力235 MPa，泊松比為0.29。

模型使用Lagrange計算方法建立，由于計算模型關于兩個空間面對稱，采用四分之一模型進行計算；考慮到模型較小，為確保計算精度，網格均采用0.5 mm的尺寸進行劃分；同時在炸藥軸線方向均勻添加7個高斯觀測點，對炸藥內部壓力的變化進行觀測。

表2　計算選取的模型

B炸藥的狀態方程采用Lee-Tarver狀態方程：

式中：F是反應率；P是爆炸壓力；μ是壓縮沖程；b、c、y、e、g為常數；抑制點火閾值a=0.036 7；點火控制量I=40 μs；x=7；炸藥早期反應增長控制值G1=140 Mbar；d=0.333；控制高壓反應率z=3。

圖3　模型及觀測點位置

2.2沖擊速度閾值的模擬

采用“升-降法”調整六棱柱破片速度進行反復計算，得出在16 μs時六棱柱破片分別以755 m/s和760 m/s的速度撞擊帶殼B炸藥的壓力（PRESSURE）云圖（見圖4）和觀測點的壓力-時間曲線圖（見圖5）。

根據Autodyn標準材料庫，B炸藥爆轟時產生的C-J壓力為29.5 GPa。由圖4可得，當破片速度為755 m/s時，在16 μs時刻炸藥內部產生最大壓力約為0.69 GPa，壓力分布較均勻，炸藥沒有爆炸；當速度為760 m/s時最大壓力為33.07 GPa，壓力峰值在波面上，且從點火點向外進行擴散，說明炸藥中有爆轟波的傳播。

圖4　炸藥在16 μs時壓力云圖

通過高斯觀測點壓力-時間曲線（圖5）可以得到，著速為755 m/s時，觀測點壓力依次先升高再下降，直至穩定在一個壓力范圍內，表明炸藥不發生爆炸。著速為760 m/s時，14 μs時刻觀測點5壓力急劇上升，隨后觀測點6、7也急劇升高，達到壓力峰值后緩慢下降，這壓力顯然為爆轟傳播，炸藥發生爆炸；點火發生在觀測點4和5之間，說明起爆位置不在破片撞擊點；高斯觀測點1、2、3在20～25 μs之間壓力達到峰值。

因此可以得出利用Autodyn計算?9×9.5 mm的六棱柱破片沖擊起爆帶殼B炸藥閾值速度約為760 m/s，數值模擬結果與實驗數據一致。

圖5　不同速度時觀測點壓力圖

2.3六棱柱破片在最大迎風面積下的起爆速度

六棱柱迎風面積計算公式為：

式中：A為破片迎風面積；d為正六邊形邊長；h為高。α為六棱柱軸線所在最大截面與蓋板夾角，取值范圍為0°～90°。對式（1）進行求導，得：

圖6　夾角與迎風面積關系圖

根據圖6拋物線關系可知當α=90°時，最小迎風面積A=70.15 mm2，破片起爆速度約為760 m/s；利用上面仿真模型，計算出?9×9.5 mm六棱柱破片在夾角35.4°時沖擊起爆閾值速度約為1 315 m/s。即當破片速度小于760 m/s時，破片不能起爆帶殼B炸藥；當速度在760～1 315 m/s時，根據破片姿態判定；當破片速度大于1 315 m/s時，理論上百分百起爆帶殼B炸藥。

2.4雙破片沖擊起爆帶殼B炸藥閾值速度研究

利用Autodyn-3D對雙?9×9.5 mm六棱柱破片間距L分別為0 mm、4.5 mm、9 mm和13.5 mm進行模擬仿真，得出壓力云圖和沖擊起爆閾值速度。

雙六棱柱破片撞擊帶殼B炸藥，當破片間距較小時，在炸藥中持續形成壓力波，壓力波在炸藥的內部疊加，并與后續的壓力波再次疊加，形成最終壓力峰，炸藥的點火點往往產生于兩發破片之間的壓力峰上（見圖7（a））；當破片間距增大到某一值后，壓力波的疊加不明顯或消失（見圖7（b）），雙破片起爆速度閾值趨向單破片的閾值。

圖7　雙破片撞擊帶殼B炸藥壓力云圖

雙六棱柱破片撞擊帶殼B炸藥的起爆速度隨破片距離增加呈非線性趨勢增加。當距離為0 mm時，起爆速度約為495 m/s，速度明顯低于單發破片；當破片距離13.5 mm時，起爆速度約為750 m/s，速度接近單破片起爆速度。可見，破片密度越高，越容易起爆帶殼炸藥，而當破片密度降低到某一值后，多枚破片的作用效果與單枚破片的效果相當。

圖8　雙破片間距與閾值速度關系圖

2.5蓋板厚度對沖擊起爆閾值速度影響

利用Autodyn-3D對?9×9.5 mm六棱鎢柱撞擊帶厚度為2～14 mm Q235殼B炸藥時的沖擊起爆閾值速度進行計算，可得出關系見圖9所示。

表3　六棱柱破片沖擊起爆不同厚度的Q235帶殼B炸藥速度閾值計算結果

圖9　閾值速度隨蓋板厚度變化關系圖

由計算結果可知，殼體厚度從2 mm增加到4 mm時，閾值速度增量為80 m/s；隨著厚度增大，閾值速度增量增大；厚度從12 mm增加到14 mm時，閾值速度增量為140 m/s；說明在帶有2～14 mm厚Q235殼條件下，?9×9.5 mm六棱鎢柱對B炸藥的沖擊起爆閾值速度隨殼體厚度增加而增大，且閾值速度增加幅度大于殼體厚度增加幅度。

3　結論

1）?9×9.5 mm六棱柱破片沖擊起爆帶10 mm 厚Q235殼B炸藥閾值速度約為760 m/s；最大迎風面積時，沖擊起爆閾值速度約為1 315 m/s，該速度可視為理論上百分百起爆速度。

2）雙六棱柱破片同時撞擊帶殼B炸藥，閾值速度隨著破片間距增加而呈非線性增加；當六棱柱破片間距增大到某一值后，起爆速度趨向單破片起爆速度。

3）六棱柱破片沖擊起爆帶殼B炸藥的閾值速度隨殼體厚度的線性增加呈非線性增大，其幅度大于殼體厚度增加幅度。

［1］ 梁爭峰，袁寶慧.破片撞擊起爆屏蔽B炸藥的數值模擬和實驗［J］.火炸藥學報，2006，29（1）：5-9.

［2］王樹山，李朝君，馬曉飛，等.鎢合金破片對屏蔽裝藥撞擊起爆的實驗研究［J］.兵工學報，2001，22（2）：189-191.

［3］何源，何勇，潘緒超，等.含能破片沖擊引爆屏蔽炸藥研究［J］.南京理工大學學報，2011，35（2）：187 -193.

［4］ 陳文，胡曉東.某新型炸藥沖擊起爆試驗與臨界起爆特性研究［J］.火工品，2009（2）：5-8.

［5］陳衛東，張忠，劉家良.破片對屏蔽炸藥沖擊起爆的數值模擬和分析［J］.兵工學報，2009，30（9）：1187 -1191.

［6］崔凱華，洪滔，曹結東.射彈沖擊帶蓋板Comp B裝藥起爆過程數值模擬［J］.含能材料，2010，18（3）：286 -289.

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Threshold Velocity of Hexagonal Prism Fragment Impacting on Comp B with Shell

LU Jinzhao1，ZHI Xiaoqi1，LI Juanjuan2，HAO Chunjie2
（1School of Mechatronics and Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2Jinxi Industries Group Co.Ltd，Taiyuan 030051，China）

Based on experiment of hexagonal prism fragment impacting on comp B with shell，Autodyn-3D software was used for simulation. Comp B material uses Lee-Tarver EOS for pressure nephogram of comp B and pressure curve of internal observation point，the simulation data and experimental results were consistent.Based on it，the biggest windward area of hexagonal prism fragment and its threshold velocity were calculated，the relationship of threshold speed with different spacing when double hexagonal prism fragment impacting on it and the curve of threshold speed with different thickness shell were got.This result is significant to lethality of fragment in missile warhead.

hexagonal prism fragment；impact initiation；threshold velocity；simulation

TJ410.33；O347.1

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.021

2015-05-21

盧錦釗（1988-），男，廣東從化人，碩士研究生，研究方向：炸藥沖擊起爆臨界能量研究。