試論蘇珊試驗中彈體形變的測量和模擬計算

摘 要

以JOB-9003炸藥為對象，進行了蘇珊試驗，采用X光機進行殼體邊界的測試和相關數值計算，通過模型建立比較計算結果與試驗試劑結果，從而全面分析了蘇珊試驗彈在撞擊過程中的變形情況和炸藥內部壓力及應變情況，旨在為相關研究與實踐提供參考。

【關鍵詞】蘇珊試驗；彈體形變測量；模擬計算；X光機

炸藥安全性能至關重要，國內外建立了眾多炸藥安全性能試驗方法，例如跌落試驗、槍擊試驗等，其中蘇珊試驗能夠有效模擬炸藥遭受意外撞擊時的安全性能，并進行模擬數值計算分析。但需要注意的是，受到試驗條件的限制，蘇珊試驗手段有限，傳統手段不能獲得撞擊后清晰的殼體變形過程，且不利于數值計算對比。基于以上，本文提出了一種新的蘇珊試驗測試方法，即X光測試，采用此方法進行彈體形變的測量和模擬計算。

1 試驗分析

1.1 試驗原理

蘇珊試驗是一種射彈試驗，主要目的是測量炸藥撞擊感度，主要試驗原理如下：在殼體中裝入炸藥，以空氣炮或火炮的方式發射試驗彈，彈丸經過3.7m左右后撞擊鋼靶。以氦氖激光器、測時儀、等光電系統為基礎進行彈丸飛行速度的測量，利用告訴攝影系統對彈丸著靶姿態及撞靶之后的變形情況等全部過程進行拍攝，利用傳感器、電荷放大器等組成的數據采集系統進行數據采集，測量炸藥爆炸后形成的空氣沖擊波超壓，通過試驗能夠得到彈丸撞靶速度與相對釋放能關系的炸藥撞擊感度曲線。

1.2 試驗方法

在蘇珊試驗彈中裝入炸藥柱，彈重量在5.44kg左右，口徑為φ82mm。本試驗旨在探索低速條件下炸藥及鋁殼的變形，因此采用壓縮空氣炮進行試驗彈的發射，試驗彈發射之后撞擊前方3.7m處的鋼靶之上。場外試驗過程中，大部分的X光機系統器件都暴露在外，為了保證儀器安全，在水泥墩后放置X光機后，用加厚擋板進行防護。除了傳統測試手段外，試驗中還采用兩臺脈沖閃光機來進行動態測試，在鋼靶上安裝探針，試驗彈撞擊鋼靶時，會導通并觸發電信號，利用延時同步機向X光機發送動作信號，以示波器關聯時間關系原理為基礎實現對X光機的觸發。

試驗彈撞擊鋼靶之后，從兩個不同角度和時刻對鋁殼的變形過程進行拍攝，X光源與鋼靶靶心之間的距離為1.73m。

1.3 試驗結果

以JOB-9003炸藥為試驗對象開展蘇珊試驗，彈速為125m·s-1的時候彈丸撞靶，之后X光機分別在100us和200us兩個時刻進行圖像拍攝，由拍攝圖像能夠對殼體外邊界的擠壓變形過程進行分辨與識別。

相較于高速相機拍攝的照片來說，X光測試方法得到的圖像更為清晰，打破了傳統方法的局限性，結合200us時刻拍攝的照片可知，在彈丸撞靶后，鋁殼開始發生變形，隨著鋁殼變形，炸藥發生塑性流動，在一定程度發生點火爆炸，爆炸過程中存在一定延遲。根據以往的試驗研究結果可知，JOB-9003炸藥在此速度撞靶的延遲時間在450us左右，炸藥在撞擊下受到擠壓和流動摩擦作用產生受熱分解，從而形成點火甚至爆轟，形成點或爆炸。處理撞靶后的X光機拍攝圖像，得到各個時刻殼體邊界膨脹情況，可以發現，在100us的時候，殼體發生的變形僅為幾毫米，屬于輕微變形狀態，整個炸藥后端幾乎沒有出現變形，而在200us的時候，殼體發生了嚴重的變形，變形達到了25mm，在100us-200us之間，隨著鋁殼的變形，炸藥產生了塑性流動，而在嚴重變形下，炸藥仍然沒有發生點火爆炸，由此可推測，此時炸藥受到擠壓和流動摩擦的影響，使得其內部能量發生了向熱能的轉換，炸藥受熱之后出現分解，最終實現點火爆炸。

2 數值計算

為了對鋁殼和炸藥內部應力應變進行研究，進行上述分析結果和結構的二維數值計算。采用有限元程序ANSYS/LSDYNA進行彈塑性材料的建模計算，其中DYNA程序采用單點高斯積分進行計算，以中心差分法為基礎進行時間積分，并將沙漏粘性控制零能模態引入其中。以動量方程、質量守恒方程及能量方程為基礎，確定屈服條件，選擇計算模型初始網格中的三個點，分別為炸藥的頂部、炸藥的尾部和炸藥的中部，材料參數如表1所示。

對100us時殼體邊界線進行計算，與得出100us實驗結果殼體邊界線進行對比，得出對比圖。由圖可知，計算值與試驗實際值較為符合，但炸藥在動態加載下相關參數缺乏，且內部溫度及反應程度也會帶來一定影響，再加上本試驗采用的JOB-9003炸藥本身動力學方程缺乏相關參數，因此難以實現利用反應速率方程進行建模，有待進一步完善。對壓力及應變曲線進行計算，由計算結果可知，最先發生變形位置為炸藥頂部的點，變形程度較大，在撞靶之后200us時，其應變約為130%，同時呈現出增大趨勢，壓力峰值在0.13GPa左右；在撞靶70us左右時，炸藥中部的點開始形變，撞靶后200us內壓力峰值在0.05GPa左右；最后發生變形部位為炸藥尾部的點，在撞靶后200us內其壓力峰值為0.06GPa左右。

3 結論

綜上所述，蘇珊試驗應用X光測試方法的過程中，在彈丸撞擊鋼靶之后，能夠清晰的拍攝處于煙霧包裹下的鋁殼邊界，相較于傳統高速攝影方法來說，其清晰度更加優良。將數值計算結果與實際拍攝圖像進行對比，對炸藥內部應力進行測量，建立材料模型，以此來實現對蘇珊試驗中速度閾值的預估，實現了整個試驗的定量分析。由試驗結果可知，在彈丸撞靶之后，炸藥不同部位出現變形的時間不同，其中炸藥頂部最先出現變形，之后炸藥中部和炸藥尾部相繼出現變形，炸藥頂部壓力峰值為0.13GPa左右，炸藥中部壓力峰值在0.05GPa左右，炸藥尾部壓力峰值在0.06GPa左右，炸藥受到擠壓和流動摩擦的影響，使得其內部能量發生了向熱能的轉換，炸藥受熱之后出現分解，最終實現點火爆炸。

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作者簡介

王建軍（1993-），陜西省橫山縣人。大學本科學歷。現為西安文理學院在讀大學生。研究方向為應用物理學專業。

作者單位

西安文理學院 陜西省西安市 710065