CL-20基PBX炸藥沖擊波感度數值模擬

梁曉勇， 呂春玲， 張　俊，， 周得才， 張景林

(1. 中北大學化工與環境學院， 山西 太原 030051； 2. 湖北三江航天紅林探控有限公司， 湖北 孝感 432000)

?

CL-20基PBX炸藥沖擊波感度數值模擬

梁曉勇1， 呂春玲1， 張俊1，2， 周得才2， 張景林1

(1. 中北大學化工與環境學院， 山西 太原 030051； 2. 湖北三江航天紅林探控有限公司， 湖北 孝感 432000)

為研究CL-20基PBX炸藥的沖擊波感度，采用顯式動力學有限元程序——ANSYS/LS-DYNA軟件，運用ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)算法對某 CL-20基 PBX炸藥在沖擊波作用下的臨界起爆特性進行了數值模擬，計算出該炸藥臨界隔板厚度值在24.56～25.7 mm范圍內。通過大隔板試驗進行了驗證，得出試樣50%發生爆轟的隔板厚度L50=25.23 mm，與數值模擬結果基本吻合。

數值模擬； CL-20； PBX炸藥； 沖擊波感度； 大隔板試驗

六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)是目前世界上能量密度最高的單質炸藥之一，以 CL-20為主體的混合炸藥具有高爆速、高爆壓等特性，具有良好的應用前景，受到研究者的廣泛關注[1]。

沖擊波感度是指在沖擊波作用下炸藥發生爆轟的難易程度。由于沖擊波起爆是炸藥起爆的主要形式，因此沖擊波感度對評價炸藥的起爆和安全性都具有十分重要的作用，它反映炸藥是否具有良好戰地生存能力和準確、可靠的起爆性能[2]。大隔板試驗[3]是測試含能材料沖擊波感度的一種常用方法。但是，在沖擊波感度測試過程中，藥柱的傳爆及起爆存在隨機性，必須進行大量的試驗，取50%爆轟隔板值作為試驗結果。因此，沖擊波感度測試耗費大，且消耗大量人力及物力。隨著計算機科學及有限元仿真技術的發展，通過計算機數值模擬的方法可以較為有效地模擬出沖擊波感度隔板臨界值(區間值)，從而減少大隔板試驗量、提高試驗準確度，有效地降低成本。李龍飛等[4]運用有限元軟件AUTODYN對TATB 基 PBX 炸藥進行了小隔板試驗數值模擬，得出其臨界隔板值在5.5～5.7 mm范圍內，臨界起爆壓力在3.19～3.44 GPa范圍內；姜夕博等[5]運用有限元軟件AUTODYN對沖擊波在有機玻璃中的衰減特性進行了數值模擬和試驗研究，得出隨著隔板長度的增加，側向稀疏波的影響將會越來越顯著；章少方[6]運用有限元軟件LS-DYNA中的Lagrange算法對復合裝藥爆轟能量輸出及沖擊波感度進行了數值模擬研究，得出復合裝藥的沖擊波感度在以HMX為基的高感炸藥及以TATB為基的鈍感炸藥之間。以上研究均運用了Lagrange算法對相關的炸藥進行沖擊波感度數值模擬，該算法在處理大變形問題時會出現嚴重的網格畸變現象，造成數值計算困難。由于大型有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA中的ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)算法[7]兼具Lagrange算法和Euler算法的優點，能較好地處理因固體結構大變形而引起的有限元網格嚴重畸形問題，因此筆者利用其對CL-20基PBX炸藥的沖擊波感度進行數值模擬，并通過大隔板試驗進行驗證。

1　數值模擬

1.1模型的設計與構建

本文采用大隔板試驗裝置作為參考模型，如圖1所示。模型中主發藥柱為特屈兒，密度為1.57 g/cm3，直徑40 mm，高25 mm，隔板為三醋酸纖維素酯片，長40 mm，寬40 mm，厚0.19 mm；受主炸藥為3個φ25 mm×25 mm的藥柱，其被一個厚度為3.5 mm的薄殼體約束疊加起來組成；鑒定板為Q235A級鋼，直徑100 mm，厚6 mm。

圖1　大隔板試驗裝置

在不影響數值模擬結果的前提下，為了方便建模和劃分網格，隔板厚度20 mm時網格劃分及檢測點分布如圖2所示(加空氣域，且在受主炸藥上設置7個點，用來監測受主炸藥壓力變化情況，不同厚度隔板使用相同的檢測點)。對有限元模型進行如下的簡化處理：1)通過ANSYS前處理對主發藥柱設置起爆點，對受主炸藥設置約束，雷管、雷管座和薄殼體可不用建模；2)將隔板改為直徑40 mm圓形隔板，并用相類似的材料環氧樹脂代替三醋酸纖維素酯片；3)將主發藥柱和受主炸藥考慮為均質炸藥進行計算；4)由于整個模型對稱，故只需建立1/4有限元模型，如圖3所示。

圖2　隔板厚度20 mm時網格劃分及檢測點分布

圖3　計算模型

1.2狀態方程及材料主要參數

運用溶液-水懸浮法制備CL-20基PBX炸藥，其主要成分為5%粘結劑、1%石蠟、1%石墨和93% CL-20，通過壓裝得到密度為1.89 g/cm3的藥柱。主發藥柱特屈兒采用JWL狀態方程，受主炸藥CL-20基PBX炸藥采用關鍵字*EOS_IGNITION_AND_GROWTH_OF_REACTION_IN_HE(即點火增長方程)。CL-20基PBX炸藥和特屈兒的主要參數[8]如表1所示。

表1　CL-20基PBX炸藥和特屈兒的主要參數

注：A、B、R1、R2和ω為試驗確定的常數；E0為初始內能密度。

鑒定板、隔板采用John-Cook材料本構模型，其主要參數分別如表2、3所示。隔板和鑒定板采用Lagrange算法進行數值模擬計算，主發藥柱、受主炸藥和空氣(密度為1.292 9×10-3g/cm3)采用Euler算法進行數值模擬計算，采用空氣作為流體，加空氣域的計算模型如圖4所示。采用關鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLD實現流固耦合。

表2　鑒定板的主要參數

注：A1、B1、C、n和m為試驗確定的常數；T*為相對溫度。

表3　隔板的主要參數

圖4　加空氣域的計算模型

1.3大隔板試驗方法

根據經驗和試樣的性質，估計試樣50%爆轟的隔板厚度L1，并確定步長d，對于一般試樣，可選d=1.14 mm。

采用估計的隔板厚度L1和步長d進行預備試驗，開始可用(4～8)d值作為步長，當相鄰的2次試驗出現相反的結果時，步長減小一半繼續試驗，直到步長變為選定的d值為止；然后以恒定步長d進行試驗，有效試驗次數不小于20次。試驗后如鑒定板上有一明顯的孔，則判斷為爆轟；否則，判斷為未爆轟。

2　數值模擬結果與討論

2.1數值模擬結果

由文獻[8]可知：初次設定CL-20沖擊波感度大隔板厚度L1=20 mm。圖5為不同隔板厚度下鑒定板數值模擬結果，可以看出：當L1=20，24.56 mm時，CL-20基PBX受主炸藥完全爆轟；當L1=25.7 mm時，受主炸藥并未發生爆轟。由此可知：臨界隔板厚度值在24.56～25.7 mm范圍內。

圖5　不同隔板厚度下鑒定板數值模擬結果

2.2分析與討論

圖6為不同隔板厚度下受主炸藥爆轟的模擬效果。可以看出：當隔板厚度L1=20，24.56 mm時，在1.5 μs主發藥柱開始爆轟，在4 μs主發藥柱產生沖擊波，從而穿過隔板直接起爆受主炸藥，在6 μs受主炸藥達到穩定爆轟，在9.5 μs受主炸藥爆轟波到達鑒定板表面，鑒定板有一明顯孔洞，則判定受主炸藥完全爆轟；當L1=25.7 mm時，主發藥柱在1.5 μs開始爆轟，在4 μs其沖擊波穿過隔板并逐漸衰減，并沒有起爆CL-20基PBX炸藥，在6 μs沖擊波逐漸衰減，在9.5 μs沖擊波到達鑒定板表面，沖擊波能量幾乎衰減至0，鑒定板上無明顯的孔洞，則判定受主炸藥未發生爆轟。

圖6　不同隔板厚度下受主炸藥爆轟的模擬效果

圖7為不同隔板厚度下受主炸藥壓力分布。通過分析發現：當L1=20，24.56 mm時，主發藥柱沖擊波穿過隔板起爆受主炸藥，受主炸藥由不穩定爆轟逐漸變為穩定爆轟(開始階段壓力高可能是因為隔板起到一定約束作用，導致沖擊波形成反射疊加)，爆轟波10 μs到達鑒定板，鑒定板對爆轟波也存在反射作用，形成反射疊加，導致壓力增大；當L1=25.7 mm時，主發藥柱產生的沖擊波穿過隔板，因惰性隔板作用，沖擊波能量衰減較大，導致受主炸藥因起爆能量不夠而未發生爆轟，沖擊波能量呈遞減狀態，到10 μs到達鑒定板，能量幾乎衰減為0，可以判定受主炸藥未爆轟。

圖7　不同隔板厚度下受主炸藥壓力分布

3　試驗驗證

為了進一步驗證數值模擬結果的有效性，按照大隔板試驗方法對CL-20基PBX炸藥(壓裝密度為(1.89 ±0.02 )g/cm3)進行試驗，根據臨界隔板數值模擬結果(24.56～25.7 mm)，選擇隔板厚度L1=25 mm，步長d=1.14 mm，采用升降法進行大隔板試驗。大隔板試驗裝置裝配如圖8所示。

圖8　大隔板試驗裝置裝配

大隔板試驗數據如表4所示，可以看出：大隔板試驗發生完全爆轟的隔板厚度為23.86 mm，隨機發生爆轟的隔板厚度為25 mm，完全未發生爆轟的隔板厚度為26.14 mm。

發生爆轟前后鑒定板效果對比如圖9所示，根據文獻[3]中的計算方法可得出試樣50%發生爆轟的隔板值L50=25.23 mm，該結果與數值模擬結果基本吻合。

表4　大隔板試驗數據

圖9　發生爆轟前后鑒定板效果對比

4　結論

本文采用ANSYS/LS-DYNA軟件的ALE算法對某 CL-20基 PBX炸藥的沖擊波感度進行了數值模擬，并通過大隔板試驗進行了驗證，結果表明數值模擬結果與試驗結果基本吻合。炸藥的沖擊波感度數值模擬方法可以極大地提高大隔板試驗效率、降低成本，為探討沖擊波的傳播規律和特性提供了一種新思路。然而，本文中大隔板沖擊波感度數值模擬計算模型是固定的，如果改變炸藥成分，模擬參數就會改變；此外，如果保持網格密度不變，在進行計算時就可能出現負體積，致使計算中止。因此，該計算模型的應用受到限制，下一階段研究的重點是處理好模擬參數和網格密度之間的關系。

[1]王昕,彭翠枝.國外六硝基六氮雜異伍茲烷的發展現狀[J].火炸藥學報,2007,30(5):45-48．

[2]任務正,王澤山.火炸藥理論與實踐[Z].北京:中國北方化學工業總公司,2001.

[3]GJB772A—97 炸藥試驗方法[S].

[4]李龍飛,王晶禹,候聰花. TATB 基 PBX 炸藥沖擊波感度數值模擬研究[J].火工品,2014，(6): 32-34.

[5]姜夕博,饒國寧,徐森,等.沖擊波在有機玻璃中衰減特性的數值模擬與試驗研究[J].南京理工大學學報,2012,36 (6):1059-1064.

[6]章少方.復合裝藥爆轟能量輸出及沖擊波感度的數值模擬研究[D].南京：南京理工大學,2010.

[7]王澤鵬. ANSYS13.0/ LS-DYNA非線性有限元分析實例指導教程[M].北京:機械工業出版社,2011:346-352.

[8]歐育湘,孟征,劉進全.高能量密度化合物CL-20應用研究進展[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2007, 26(12):1690-1694.

(責任編輯: 尚彩娟)

Numerical Simulation on the Shock Wave Sensitivity of CL-20 Based PBX Explosive

LIANG Xiao-yong1, Lü Chun-ling1, ZHANG Jun1,2, ZHOU De-cai2, ZHANG Jing-lin1

(1. School of Chemical and Environmental Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China；2. Hubei Space Sanjiang Honglin Detection and Control Co.Ltd, Xiaogan 432000, China)

In order to study the shock wave sensitivity of CL-20 based PBX explosive, using the explicit dynamic finite element program ANSYS/LS-DYNA software, and the ALE (Arbitrary Lagrange-Euler) algorithm, the characteristics of the critical initiation for a certain CL-20 based PBX explosive under the effect of shock wave are simulated, and the critical value of the bulkhead thickness is calculated between 24.56 mm and 25.7 mm. The reliability of numerical simulation results is verified through large gap test, the test results show that its bulkhead thicknessL50=25.23 mm in 50% detonation, which is consistent with the numerical simulation results.

numerical simulation; CL-20; PBX explosive; shock wave sensitivity; large gap test

1672-1497(2016)04-0068-05

2016-04-28

梁曉勇(1990-)，男，碩士研究生。

TQ56； TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.013