低壓長脈沖作用下PBX炸藥的響應特性

孫文旭,王萬軍,羅智恒,4,代曉淦,劉 彤,章定國

(1.南京理工大學 理學院,江蘇 南京 210094;2.中國工程物理研究院 化工材料研究所,四川 綿陽 621900;3.中國工程物理研究院 成都科學技術發展中心,四川 成都 610200;4.中國工程物理研究院 研究生院,四川 綿陽 621999)

關于含能材料沖擊起爆國內外已做了大量的研究,多數集中在高壓和高加載率研究領域,也就是一般所說的沖擊轉爆轟(SDT)。然而,含能材料會經受各種低于SDT的加載條件,并且同樣會發生強烈的反應[1-2]。如高速侵徹戰斗部在對混凝土等目標進行侵徹時,炸藥受到壓力較低而作用時間長達數百到上千微秒的低壓長脈沖作用。一方面,低沖擊下炸藥延遲起爆(XDT)現象本身的機制尚不清楚;另一方面,低幅值壓力作用過程涉及到多種因素的相互影響,具有較大的不確定性,因此深入認識低壓長脈沖作用下PBX炸藥的力學響應特性尤為困難[3-5]。

本文開展實驗室級別的低壓長脈沖點火試驗研究,通過測試低壓長脈沖撞擊作用下炸藥的動態力學響應,獲得被撞擊炸藥的動態應力、應變參數,分析其與撞擊脈寬、撞擊壓力的關聯,獲得一種典型的澆注PBX-1炸藥在低壓長脈沖撞擊作用下的力學響應及反應規律。采用LS-DYNA非線性有限元軟件對落錘沖擊載荷作用下炸藥內部壓力變化過程進行數值模擬,對比峰值應力、應力上升時間等主要力學參數,結果與試驗測試結果具有較高的吻合度,可以很好地模擬炸藥在低壓長脈沖沖擊下的力學響應特性。

1 大落錘試驗原理

根據應力波理論可知,當硬材料撞擊軟材料時,在不考慮卸載波影響的前提下,硬材料會持續對軟材料進行加載,直至硬材料速度降為0,相應的應力幅值逐漸降低。通過控制加載條件,可以使應力幅值緩慢衰減,如采用高阻抗硬材料。根據上述分析,本文利用大質量鋼質落錘撞擊放置在基座上的樣品,在樣品中實現低壓長脈沖加載,大落錘加載試驗示意圖如圖1所示。

圖1 大落錘加載試驗示意圖

基于X-t波系圖,對大落錘撞擊下樣品內部應力波的傳播和反射過程進行分析,如圖2所示。當大落錘撞擊樣品時,在落錘和樣品的撞擊面上產生壓縮加載波并同時向落錘和樣品內部傳播。大落錘中的加載波經過自由面的反射作用應力卸載到0,并向樣品方向傳播一個卸載波,經過加載和卸載,大落錘的速度有所降低。在樣品中的加載波與剛性固壁作用后,會反射一個加載波。該加載波又會再次與大落錘作用,由于大落錘具有高阻抗特性,又會向樣品中反射一個加載波。由此在大落錘中卸載波達到撞擊界面之前,樣品要經歷多次加載波的壓縮作用,應力不斷上升,同時在大落錘中也形成一系列加載幅值較小的擾動加載波。這一系列擾動加載波經過自由面的反射,同樣會反射一系列的擾動卸載波,但由于幅值較小,不會對大落錘速度造成明顯影響。當大落錘的卸載波達到撞擊界面時,大落錘對樣品產生二次加載。由于大落錘速度有所降低,樣品中的應力幅值也會有所下降。由于二次加載產生的應力波在大落錘與固壁之間來回反射,樣品中應力與第一個周期一樣,也會不斷增加[6-10]。

圖2 大落錘撞擊基座上樣品的應力波作用波系

2 試驗研究

采用尺寸為φ40 mm×30 mm的柱形PBX炸藥,其組分為HMX/Al/HTPB,配比為60∶35∶5。樣品放置在厚度為8 mm的鋼中進行約束,總體尺寸為φ56 mm×46 mm,在殼體上表面選用3 mm厚的聚四氟乙烯用于對應力脈沖的整形,如圖3所示。試驗中,在樣品與上、下表面的整形器之間各放置了一個薄膜式的PVDF用于測量樣品的軸向應力。在殼壁表面粘結了環向和軸向應變片,用于測量殼體的變形;利用高速相機通過限位裝置上的開孔對帶殼炸藥變形以及可能的反應發光現象進行了拍攝。

圖3 帶殼炸藥試驗裝置及測試布局

第1發試驗中,大落錘的實測撞擊速度為3 m/s,高速攝影給出了帶殼炸藥在大落錘撞擊下的響應過程,如圖4所示。大落錘撞擊后,先造成聚四氟乙烯緩沖層的墩粗變形,并對帶殼炸藥進行加載。在600 μs時,聚四氟乙烯緩沖層在較大變形下出現斷裂破壞,在1 200 μs時,大部分聚四氟乙烯緩沖層碎裂分散,由此造成帶殼炸藥的短時卸載,隨后大落錘進一步加載,帶殼炸藥繼續變形,直至與限位裝置發生相互作用。

圖4 第1發試驗撞擊過程高速攝影結果

通過應力和應變波形,可以獲得大落錘撞擊過程的量化信息,如圖5所示,圖中,ε為應變,σ為應力。在大落錘加載下,炸藥上表面的軸向應力逐漸增加,在撞擊后300 μs時可觀測到局部卸載現象,此后應力繼續增加;800 μs左右達到峰值,上表面的軸向應力峰值約為100 MPa,下表面約為40 MPa;在900 μs時聚四氟乙烯大面積破碎飛散,造成撞擊過程中更為嚴重的卸載現象;整個加載過程的持續時間約為1.5 ms。在應變測量結果中,環向受拉伸作用產生變形,最大應變為0.013;軸向受壓縮作用產生變形,最大應變為0.014;整個帶殼炸藥呈墩粗形狀。此外,在應變波形中,也可以在對應時刻觀測到緩沖層的破碎飛散過程對殼體環向和軸向應變波形的影響。同時由圖6中的回收樣品可知,在較低的撞擊速度下,殼體變形處于彈性范圍,當完全卸載后,殼體恢復原有形狀,回收的帶殼炸藥試樣沒有變形。

圖5 第1發試驗炸藥試樣的應力、應變波形

圖6 回收的帶殼炸藥試樣

第2發試驗通過增加落高將撞擊速度提升至5 m/s,其余試驗條件和第1發試驗保持一致。高速攝影給出了帶殼炸藥的響應過程,如圖7所示。大落錘撞擊后,帶殼炸藥出現墩粗變形,在撞擊后1 000 μs時可觀測到殼壁直徑方向明顯的尺寸變化;1 800 μs時,限位裝置內壁出現反射發光現象,這是內部裝藥反應引起的,隨后發光進一步增強,直至熄滅。

圖7 第2發試驗撞擊過程高速攝影照片

圖8給出了炸藥反應情況下測得的應力和應變波形。由圖可知,在撞擊后900 μs時樣品的軸向應力和殼體應變達到最大值,應力的峰值約為220 MPa,環向和軸向的最大應變約為0.045。

圖8 第2發試樣應力及應變波形

3 動力學有限元數值模擬

3.1 數值仿真模型

采用LS-DYNA非線性動力學計算軟件,對不同速度的大落錘撞擊下殼體的變形過程以及炸藥的化學反應過程進行數值模擬。根據物理過程的軸對稱特性,采用二維軸對稱方法建立計算模型,如圖9所示。基本單位選取為cm-g-μs,其余物理量的單位根據基本單位制導出。計算網格均采用Lagrange網格,殼體底部通過施加邊界條件約束其法向位移。

圖9 1/2軸對稱有限元計算模型

采用Lee-Tarver點火增長模型描述PBX炸藥在撞擊作用下的化學反應速率。雖然點火增長模型通常用于描述炸藥在沖擊起爆過程中的化學反應速率,而大落錘低速撞擊產生的壓力脈沖與通常意義上的沖擊波作用相比具有明顯更低的峰值壓力和更長的作用時間,但是,考慮到無論是低壓長脈沖還是高壓短脈沖作用下的炸藥爆轟(爆燃或燃燒),其本質上都是壓力誘導炸藥發生快速的化學反應,而Lee-Tarvar點火增長模型中多參數能夠保證其適用于各種壓力誘導下的化學反應速率描述。本文采用三項式Lee-Tarver點火增長模型描述炸藥在大落錘撞擊下的化學反應過程:

(1)

式中:p為壓力;F為反應度;t為時間;I為點火項系數;b為點火反應項指數;a為臨界壓縮度;x為壓縮項指數;G1,G2為增長項系數;c,d,e,g為增長反應項指數;y,z為壓力項指數。

與兩項式Lee-Tarver模型相比,主要的不同在于將增長項分為兩項:當熱點作用仍然顯著時,只發生類似于顆粒燃燒中出現的相對較慢的化學反應;當熱點開始湮滅時,剩余的未反應炸藥開始快速分解,能夠用壓力相關的增長速率進行描述。

PBX-1炸藥的點火增長模型參數如表1所示,具體選用AUTODYN材料庫中密度與PBX-1接近的PBX炸藥沖擊起爆模型參數。

表1 PBX炸藥點火增長模型參數(20 ℃)

3.2 計算結果及分析

3.2.1 炸藥內部壓力變化規律

首先對炸藥內部不同位置處的壓力隨時間變化歷程進行分析,提取了炸藥內部中心軸線上3個不同位置(見圖9)的壓力-時間變化曲線,如圖10所示。通過對比不同撞擊速度下的炸藥內部壓力變化歷程可以看出,當撞擊速度為3 m/s時,炸藥內部的壓力不超過30 MPa,而且壓力隨時間的推移而逐漸緩慢減小,因此沒有發生明顯的化學反應過程。當撞擊速度增大至5 m/s時,3個觀測點處的壓力幾乎同時在650 μs時開始上升,并在大約1 100 μs后上升至最大值300 MPa左右,然后壓力再次減小至170 MPa。通過與圖8中試驗所得壓力隨時間變化規律的對比可知,數值計算中獲得的壓力隨時間先增大后減小的變化趨勢與試驗結果基本一致,只是峰值壓力大于試驗測試結果,這也初步表明Lee-Tarver點火增長模型能夠應用于炸藥在低壓長脈沖作用下的化學反應速率描述。

圖10 不同撞擊速度下炸藥內部不同觀測點處的壓力-時間曲線

通過對圖10(b)中的壓力-時間變化曲線分析可以看出,低壓長脈沖下的炸藥化學反應與沖擊起爆過程顯著不同。在低壓長脈沖作用下,不同觀測點處的壓力基本上同步變化,呈現出比較明顯的整體特征。也就是說,在低壓長脈沖刺激作用下,炸藥內部各個位置在落錘撞擊作用下處于基本相同的壓縮狀態,到達某一臨界值后同時開始發生化學反應,而不存在明顯的爆轟波傳播過程。當撞擊速度為5 m/s時,其峰值壓力顯著大于撞擊速度為3 m/s時的峰值壓力,表明炸藥內部發生了明顯的化學反應,這與高速攝影觀測結果吻合。同時,裝藥殼體在內部高壓作用下開始膨脹并發生塑性變形,殼體的塑性變形消耗掉一部分的炸藥內能使其壓力有所降低,化學反應減緩并最終停止,最終殼體內部壓力保持不變。

3.2.2 殼體變形規律

為了定量觀測裝藥殼體,本文在數值模擬過程中同時觀測了不同撞擊速度下殼體中心部位的軸向應變和徑向位移,以撞擊速度5 m/s為例,其軸向應變和徑向位移如圖11所示。從圖中可以看出,數值模擬所得的軸向應變與圖8中試驗所得的軸向應變的變化趨勢基本一致,計算所得最大軸向應變約為0.049,略大于試驗測試結果0.045;最大徑向位移約為0.142 cm,計算可得其對應的最大環向應變為0.05,同樣略大于試驗測試所得的0.045,這是由于數值模擬過程中化學反應速率相較試驗過程較快,導致殼體內部壓力大于實際情況。

圖11 撞擊速度5 m/s的殼體變形情況

試驗結果和數值模擬結果均表明,炸藥發生明顯的化學反應后,殼體將產生明顯的塑性變形,殼體塑性變形的程度與炸藥反應釋放的能量呈正相關的關系。因此,本文的研究結果表明,可以采用殼體的塑性變形量作為衡量炸藥在低壓長脈沖刺激下反應程度的重要指標。

4 結論

①本文試驗結果表明,通過大質量落錘低速撞擊小面積樣品進行軸向壓縮,試驗中應力幅值達到102MPa量級,脈沖持續時間大于1.5 ms,可用于炸藥低壓長脈沖點火研究;

②Lee-Tarver三項式點火增長模型可以較好地描述PBX-1炸藥在落錘沖擊下的化學反應過程,驗證了該模型用于低壓長脈沖作用下炸藥點火特性分析的可行性;

③通過數值計算結果可知,隨著落錘撞擊速度的增加,炸藥反應程度加劇,這與試驗測試結果基本一致,炸藥的反應程度可以用殼體的塑性變形量進行表征。