爆轟波疊加作用下金屬桿條斷裂行為分析

方 濤，梁民族，李翔宇

(國防科技大學 文理學院，湖南 長沙 410073)

引 言

爆轟波在炸藥中的傳播及相互作用規律一直是爆炸力學領域的重要課題，其中爆轟波碰撞的聚能效應是一個研究熱點[1-2]。兩點同步起爆炸藥時，兩個爆轟波會在起爆點對稱線上碰撞疊加，產生高壓高能量密度的狹小區域，這種現象稱為爆轟波碰撞的聚能效應。利用這種效應，可以通過爆轟波自身碰撞實現能量聚焦，產生某一方向上的能量匯集。

爆轟波碰撞理論及其應用已有學者做了一些研究。繆玉松等[2-3]基于爆轟波碰撞理論，分別對爆轟波正碰撞、斜碰撞和馬赫反射進行了理論計算，得到了不同碰撞角度下的壓力變化，并通過數值模擬和試驗驗證的方式，驗證了爆轟波碰撞的效果。馮其京等[4]基于二維有限差分程序模擬了爆轟波的形成、傳播以及與其他物質的相互作用過程，并通過試驗驗證了數值模擬結果。利用爆轟波的疊加效應可以實現一些特殊的目的。余慶波等[5]研究了爆轟波疊加作用下金屬藥型罩的碎裂行為，分析了起爆點數量的影響。沈慧銘等[6]利用有限元程序分析了多點起爆下匯聚的爆轟波對EFP侵徹能力增益的影響。W. Anold 等[7]基于爆轟波疊加效應提出了一種新型模態可調戰斗部技術。張克釩等[8-9]研究了爆轟波疊加作用下金屬盤的碎裂機理，并分析了多點起爆時裝藥參數對藥型罩碎裂的影響。

目前，關于爆轟波疊加效應的理論分析及數值模擬研究已經較為豐富，但試驗研究較少。因此本研究設計了相關試驗直觀地觀察爆轟波疊加后的壓力增強效果，并通過數值模擬和試驗驗證，研究了爆轟波疊加作用下金屬桿條的斷裂行為，并分析了起爆模式、起爆間距以及裝藥高度等因素的影響。此研究有助于分析高溫高壓下金屬動態響應，同時為桿條-破片多模戰斗部的設計提供一定參考。

1 爆轟波疊加效應試驗

1.1 試驗裝置

試驗裝置由鋁制起爆盤、殼體、主裝藥以及靶板組成，如圖1所示。起爆盤厚度為10mm，預留直徑5mm、間距30mm的兩個通孔，兩通孔之間通過寬3mm、深2mm的溝槽鏈接，溝槽與通孔內裝填RDX藥粉。試驗時雷管放置在起爆盤中心，通過RDX的傳爆即可達到兩點同步起爆主裝藥的效果。主裝藥為直徑97mm、厚30mm的TNT藥柱。靶板為5mm厚的45#鋼板。

圖1 爆轟波疊加試驗裝置Fig.1 Experiment apparatus of detonation wave interaction

1.2 試驗結果分析

試驗后回收到的靶板如圖2所示。從圖2中可以看到，靶板由于爆轟壓力而凹陷變形，沿直徑方向產生一條明顯刻痕?？毯奂毝保疃燃s為1mm。

試驗結果表明，兩點同步起爆后，爆轟波會在起爆點對稱線上碰撞疊加，產生一條狹窄的壓力增強帶。

圖2 試驗靶板Fig.2 Witness target

2 桿條斷裂行為的數值模擬

計算模型如圖3所示，包括空氣、RDX、TNT裝藥、鋁盤和桿條。其中空氣域直徑為120mm，高60mm。RDX為傳爆藥，高和寬均為3mm，長度為60mm，兩條傳爆藥間距30mm。TNT裝藥直徑為97mm，高度為30mm。鋁盤材料為LY12硬鋁，直徑為97mm，厚3mm。桿條材料為45#鋼，直徑為3mm，長度為90mm。

圖3 計算模型Fig.3 Computational model

采用流固耦合算法對模型進行計算。炸藥選用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態方程描述，鋁盤和金屬桿條選用彈塑性流體模型和GRUNEISEN狀態方程描述。TNT和RDX的主要參數見表1。鋁和45#鋼的主要參數見表2。表中ρ為密度，A、B、R1、R2以及ω為JWL狀態方程主要參數，S1、S2、S3以及0為GRUNEISEN狀態方程主要參數。

表1 TNT和RDX的主要參數

表2 鋁和45#鋼的主要參數

3 結果與討論

3.1 桿條斷裂過程分析

通過提取數值模擬數據得到桿條所受壓力對稱分布，由于爆轟波的疊加作用，桿條中間位置所受壓力峰值(Pm)約為32GPa，明顯高于其他位置。傳爆藥下方，即爆轟波未疊加處壓力峰值約為21GPa。由于爆轟波的疊加，局部爆轟壓力增長了約50%。桿條兩端距離起爆位置最遠，且沒有爆轟波的疊加，受力最小。

圖4給出了爆轟波疊加作用下桿條的斷裂過程。圖4(a)和(b)為起爆后的炸藥剖面圖，圖4(c)為爆轟波作用到桿條之后的壓力分布圖，圖4(d)為桿條斷裂后的俯視圖。

圖4 桿條斷裂過程Fig.4 The process of rod-fracture

兩點同步起爆后，爆轟波沿傳爆藥傳播，同時引爆下方主裝藥。主裝藥中兩爆轟波在傳爆藥對稱線上發生碰撞，形成一條明顯的壓力增強帶。爆轟壓力作用到桿條之后，桿條上產生一條明顯的應力集中帶，此區域壓力顯著高于其他位置，桿條微元運動速度在極小的區域內存在極大梯度，因此桿條斷裂。

3.2 模型驗證

為了驗證模型的正確性，進行了相關的桿條斷裂試驗。試驗裝置結構尺寸及參數與模型一致。試驗裝置置于松軟的沙堆之上，如圖5所示。利用細沙良好的緩沖作用對破片進行回收。

圖5 桿條斷裂試驗裝置Fig.5 Experimental apparatus of rod-fracture

試驗及模擬結果如圖6所示。從圖6中可以看出，試驗結果與模擬結果吻合較好。金屬桿條產生明顯的彎曲變形，同時斷裂為兩段。模擬結果桿條斷裂位置為中部，與試驗結果有所區別。這主要是因為試驗時起爆藥裝填密度不均，導致桿條斷裂位置偏移，桿條斷裂為長度不一的兩段。

圖6 桿條斷裂結果對比Fig.6 Comparison of simulation and experimental results

試驗驗證了模型的正確性，同時也表明利用爆轟波的疊加效應可以實現對金屬桿條的切割。

3.3 桿條斷裂行為影響因素分析

爆轟波疊加作用下桿條的斷裂受到多種因素的影響，本研究主要分析了起爆模式、起爆間距和裝藥高度的影響，幾何模型如圖7所示。

圖7 幾何模型Fig.7 Geometrical model

3.3.1 起爆模式對桿條斷裂行為的影響

起爆點的位置會影響爆轟波到達炸藥端面的時間和碰撞角度，導致爆轟波疊加后的壓力不同?？紤]圖7中兩種起爆模式的影響：A，起爆點位于傳爆藥一端；B，起爆點位于傳爆藥中心。不同桿條中部受到的壓力峰值如圖8所示。

圖8 起爆模式對疊加壓力的影響Fig.8 Effect of initiation mode on superimposed pressure

起爆點位于傳爆藥一端時，靠近起爆點一端的桿條所受壓力峰值明顯低于其他桿條，其他桿條所受壓力大小基本相同。但從爆轟波到達的時間來看，分布較為離散。起爆點位于傳爆藥中心時，桿條受到爆轟波作用的時間更加集中，且壓力大小接近。

3.3.2 起爆間距對桿條斷裂行為的影響

當裝藥高度為30mm時，分析了不同起爆間距(D)對爆轟波疊加產生的壓力大小的影響。圖9給出了幾個典型的起爆間距下桿條中部所受壓力峰值。

圖9 起爆間距對疊加壓力的影響Fig.9 Effect of initiation distance on superimposed pressure

由圖9可看出，隨著起爆間距的增加，桿條受到的壓力逐漸增強。當起爆間距與裝藥高度相同時，爆轟波疊加壓力達到最大，繼續增加起爆間距爆轟壓力增加不明顯。因此，在裝藥高度與起爆間距的比值在1～1.5之間時，增加起爆間距可以顯著提高爆轟波疊加產生的爆轟壓力。比值小于1時，增加起爆間距雖可以提高疊加壓力，但是增幅很小。

圖10給出了幾種起爆間距下的數值模擬結果。

圖10 不同起爆間距下桿條斷裂結果Fig.10 Rods fracture at different initiation distances

由圖10可看出，隨著起爆間距(D)的增加，桿條變形程度越來越大。當起爆間距達到30mm后，桿條出現了斷裂，但最外側兩根桿條未斷裂。繼續增加起爆間距，桿條全部斷裂。主要是因為起爆間距明顯小于裝藥高度時，爆轟波疊加產生的壓力較小，使得桿條微元不能在極小的區域產生極大的速度梯度，不會斷裂，僅發生平緩的彎曲形變。當起爆間距等于或略大于裝藥高度時，爆轟波疊加壓力顯著增加，桿條斷裂。

3.3.3 裝藥高度對桿條斷裂行為的影響

當起爆間距為20mm時，不同裝藥高度(H)下桿條中部受到的壓力峰值如圖11所示。

圖11 裝藥高度對疊加壓力的影響Fig.11 Effect of charge height on superimposed pressure

由圖11可看出，隨著裝藥高度的增加，桿條所受壓力逐漸增大。裝藥高度達到25mm時，壓力峰值達到最大。繼續增加裝藥高度，桿條所受壓力顯著下降。因此，當裝藥高度與起爆間距的比值在0.75～1.25時，增加裝藥量雖可以提高爆轟波疊加產生的壓力，但增幅很小。裝藥高度與起爆間距相差太大時，作用到桿條上的爆轟壓力值反而會明顯下降。

圖12給出了不同裝藥高度下的模擬結果。從圖12中可以看出，桿條隨著裝藥高度的增加而發生更大程度的形變，但沒有出現斷裂。主要是因為裝藥量增加，初始爆轟壓力增加。但由于起爆間距較小，裝藥量較少，疊加之后的壓力仍不足以使桿條發生斷裂，因此金屬桿條僅隨著裝藥高度的增加而發生更大程度的彎曲。

圖12 不同裝藥高度下桿條斷裂結果Fig.12 Rods fracture at different charge heights

4 結 論

(1)爆轟波疊加效應試驗表明，試驗結束后靶板上產生一條深度為1mm的刻痕，刻痕長而直，沿靶板直徑方向。表明爆轟波碰撞疊加后，形成一條狹窄的壓力增強區域，具有能量匯集的作用，可以用于控制金屬桿條的斷裂行為。

(2)桿條斷裂效果取決于爆轟波疊加后的壓力分布，通過數值模擬分析了起爆模式、裝藥高度和起爆間距對45#鋼桿斷裂行為的影響，并通過試驗驗證了模型的正確性。起爆模式影響爆轟波到達裝藥端面的時間和疊加壓力大小，位于傳爆藥中心時，不同位置桿條的受力情況相對一致。裝藥高度與起爆間距的比值在0.75～1.25之間時，爆轟波疊加后作用到桿條上的壓力隨著起爆間距和裝藥高度的增加而增大。起爆間距對爆轟波疊加壓力的影響比起爆點位置和裝藥高度更加明顯。