起爆方式對炸藥爆炸沖擊波壓力場影響研究

李東偉，亢 慧，熊國松，王筱鋒，王 鋒，趙雙雙

(重慶紅宇精密工業(yè)集團有限公司， 重慶 402760)

炸藥裝藥的起爆方式對其能量輸出結(jié)構(gòu)具有顯著的影響[1]。裝藥多點起爆方式往往伴隨著爆轟波的相互碰撞，在一定條件下可以形成馬赫波，此時炸藥的爆轟不再遵循傳統(tǒng)的CJ爆轟理論，爆轟產(chǎn)物流體動力學(xué)狀態(tài)偏離主等熵線，爆轟壓力、爆轟速度等均明顯大于CJ爆轟[2]。利用波的疊加原理，理論上可以使爆轟波及爆轟產(chǎn)物壓縮空氣產(chǎn)生的沖擊波疊加，對炸藥驅(qū)動周圍介質(zhì)運動具有較大的貢獻[3]。采用先進起爆方式，理論上可以將裝藥爆炸能量有針對性地集中于特定區(qū)域，增加有效能量輸出。

眾多學(xué)者對不同炸藥起爆方式下爆炸能量輸出特征進行了大量研究，然而，目前的研究工作主要集中于戰(zhàn)斗部裝藥端面單點和端面多點環(huán)形起爆研究[4-6]，而對裝藥中心軸線多點起爆方式對炸藥爆炸沖擊波壓力場影響研究較少。本文運用非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，對不同軸線多點起爆方式下裝藥爆炸過程進行數(shù)值計算，分析自由場空氣沖擊波壓力的量值及分布特點，為爆破類戰(zhàn)斗部起爆方式設(shè)計提供參考。

1 數(shù)值計算

應(yīng)用非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，對不同起爆方式下梯形裝藥爆炸自由場空氣沖擊波壓力進行三維數(shù)值模擬。計算中采用裝藥軸線單點、2點、3點、4點、10點起爆，建立有限元模型如圖1所示。

圖1 計算模型示意圖

炸藥質(zhì)量為35.5 kg。采用六面體映射網(wǎng)格劃分，炸藥空氣采用Euler網(wǎng)格建模，單元使用多物質(zhì)ALE算法，為了節(jié)省計算量，采用四分之一模型，并添加對稱約束。

裝藥軸線起爆點設(shè)置如圖2所示。

圖2 裝藥軸線起爆點設(shè)置位置示意圖(●為起爆點)

計算中，采用JWL狀態(tài)方程描述炸藥爆轟產(chǎn)物的膨脹過程。JWL狀態(tài)方程表達式[7]如下：

(1)

式中：A、B、C、R1、R2、ω為參數(shù)；Vg=va/v0是相對比體積；v0=1/ρ0是初始比體積。

炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)如表1所示。

表1 炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)

空氣材料采用Ideal Gas狀態(tài)方程描述。Ideal Gas狀態(tài)方程表達如下：

P=E·(γ-1)·ρ/ρ0

(2)

式中：P為氣體壓力；γ為理想氣體常數(shù)；ρ為氣體密度；ρ0為氣體初始密度；E為能量密度(單位體積炸藥能量)。

空氣的材料參數(shù)見表2。

表2 空氣材料參數(shù)

2 結(jié)果與討論

計算得到了不同起爆方式下梯形裝藥爆轟波及空氣沖擊波的傳播規(guī)律和超壓場的分布。

單點中心起爆爆轟波及空氣沖擊波傳播規(guī)律已有較多文獻報道[8-11]。因此，本文僅對2點、3點、4點和10點起爆方式下的爆炸空氣沖擊波壓力場分布進行分析。

圖3給出了軸線2點起爆方式下，典型時刻爆轟波及空氣沖擊波壓力等值圖。

圖3 軸線2點起爆不同時刻壓力等值圖

由圖3可以看到，裝藥兩端同時起爆時，爆轟波陣面呈半球形向藥柱中心傳播，炸藥爆轟壓力約為22 GPa；兩爆轟波相遇后碰撞疊加，碰撞區(qū)域爆轟壓力達到35 GPa，增益約60%。爆轟產(chǎn)物進一步壓縮空氣做功，空氣沖擊波高壓區(qū)為裝藥中截面域。

在0.2 m處空氣域中設(shè)置5個觀測點，具體位置如圖4所示。計算得到了觀測點處空氣沖擊波超壓時間曲線圖5所示。

圖4 觀測點位置(2點起爆)圖

圖5 觀測點處超壓時間曲線(2點起爆)

從圖5可以看到：靠近爆轟疊加面區(qū)域，空氣沖擊波超壓峰值越大。位于爆轟疊加面的3#點，沖擊波超壓峰值為41 MPa，約為裝藥軸線等距離處的1#、5#點的4.5倍，約為裝藥軸線等距離處2#、3#點的2.8倍。

分析原因：軸線2點起爆，爆轟波在戰(zhàn)斗部腰部中心位置碰撞疊加，中心壓力高兩端壓力低。爆轟產(chǎn)物驅(qū)動空氣介質(zhì)作功，使得空氣沖擊波壓力同樣呈現(xiàn)中心壓力高兩端壓力低的分布，因此，軸線2點起爆方式下，炸藥爆炸空氣沖擊波壓力場呈三角形“△”分布分布。

圖6為軸線3點起爆方式下，典型時刻爆轟波及空氣沖擊波壓力等值圖。

圖6 軸線3點起爆不同時刻壓力等值圖

由圖6可以看到，裝藥軸線3點起爆時，爆轟波陣面?zhèn)鞑ヒ?guī)律為：軸線中心起爆點處產(chǎn)生球形爆轟波，并端面2個半球形爆轟波發(fā)生碰撞，此為第一次碰撞，產(chǎn)生2個高壓區(qū)；隨后爆轟波各自向前傳播，端面兩爆轟波在軸線中心相遇碰撞，此為第二次碰撞，再次產(chǎn)生1個高壓區(qū)；爆轟波第一次碰撞后，迅速向空氣傳播，形成具有2個“駝峰”的高壓區(qū)。

同時計算得到了0.2 m處5個觀測點處空氣沖擊波超壓時間曲線如圖7。

圖7 觀測點處超壓時間曲線(3點起爆)

從圖7可以看到：2#、4#為爆轟波一次疊加區(qū)域(“駝峰”區(qū))，空氣沖擊波壓力較高，分別為18.9 MPa和22.4 MPa。3#為為爆轟波二次疊加區(qū)域，二次疊加與一次疊加的時間差，使得中心區(qū)域出現(xiàn)遲滯高壓。

分析原因：軸線3點起爆，爆轟波在戰(zhàn)斗部中共發(fā)生3次碰撞疊加，產(chǎn)生3個高壓區(qū)，空間上位于戰(zhàn)斗部中心(遲滯高壓區(qū))及兩端1/4處。因此，軸線3點起爆方式下，炸藥爆炸空氣沖擊波壓力場呈梯形“”分布。

圖8為軸線4點起爆方式下，典型時刻爆轟波及空氣沖擊波壓力等值圖。

圖8 軸線4點起爆不同時刻壓力等值圖

由圖8可以看到，軸線4點起爆與軸線2點及4點起爆方式下，爆轟波傳播規(guī)律一致，不同之處在于爆轟波碰撞次數(shù)增加，形成的“駝峰”狀高壓區(qū)增多，但是壓力幅值降低。

計算得到了0.2 m處5個觀測點處空氣沖擊波超壓時間曲線如圖9所示。

從圖9可以看到：2#、3#、4#為空氣沖擊波壓力較為接近，說明爆轟波經(jīng)過多次疊加后，在平行于戰(zhàn)斗部軸線平面上形成空氣沖擊波壓力分布較為均勻。軸線4點起爆方式下，炸藥爆炸空氣沖擊波壓力場仍然呈梯形“”分布。

圖9 觀測點處空氣沖擊波超壓時間曲線(4點起爆)

圖10為軸線10點起爆不同時刻爆轟波及空氣沖擊波壓力等值圖。

圖10 軸線10點起爆不同時刻壓力等值圖

由圖10可以看到，軸線均布10點起爆與2點、3點、4點起爆方式下，爆轟波傳播規(guī)律一致，不同之處在于爆轟波碰撞次數(shù)增加，形成的“駝峰”高壓區(qū)增多。

同時計算得到了0.2 m處5個觀測點處空氣沖擊波超壓時間曲線如圖11。

從圖11可以看到：2#、3#、4#為空氣沖擊波壓力較為接近，說明爆轟波經(jīng)過多次疊加后，在平行于戰(zhàn)斗部軸線平面上形成空氣沖擊波壓力分布較為均勻；說明，隨著起爆點的增加，爆轟波疊加產(chǎn)生的空沖擊波超壓分布趨于平緩均勻。

圖11 觀測點處空氣沖擊波超壓時間曲線(10點起爆)

進一步計算得到了不同起爆方式下，觀測半徑分別為0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m和1.6 m處空氣沖擊波超壓時間曲線。通過編制MATLAB代碼，在全時間范圍內(nèi)提取各等距壓力面上的壓力峰值，得到沿彈體軸線不同距離處空氣沖擊波峰值壓力曲線如圖12。

圖12 不同距離及不同軸線起爆方式峰值壓力曲線

由圖12可以看到：

1) 同一距離處，不同起爆方式導(dǎo)致空氣沖擊波超壓空間分布及量值不同，證明起爆方式對裝藥能量輸出結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響；

2) 軸線2點起爆(兩端面中心起爆)方式，裝藥爆炸空氣沖擊波壓力分布特點為中心壓力高，兩端壓力低，分布范圍窄；

3) 隨著起爆點的增加，裝藥爆炸空氣沖擊波壓力分布逐漸由三角形“△”過渡為梯形“”，且增加起爆點個數(shù)有利于減緩稀疏波影響，壓力場衰減幅度減緩。

考慮到沿裝藥軸線空氣沖擊波峰值曲線包裹的面積可表征裝藥在空間范圍內(nèi)整體超壓水平的高低，經(jīng)積分計算，得到了不同距離處超壓峰值積分如圖13所示。

圖13 不同距離處超壓峰值柱狀圖

由圖13可以看到，在各觀察半徑下，軸線10點起爆產(chǎn)生的爆炸空氣沖擊波超壓整體水平均優(yōu)于其他方式。

3 結(jié)論

1) 起爆方式對裝藥爆炸空氣沖擊波超壓場空間分布及量值具有顯著影響；

2) 軸線2點起爆可以較好的增加裝藥中截面附近區(qū)域的空氣沖擊波超壓量值，特別是近場超壓峰值高，具有明顯的“集中”顯現(xiàn)；

3) 隨著起爆點的增加，裝藥爆炸空氣沖擊波壓力分布形式逐漸由三角形“△”過渡為梯形“”，且增加起爆點個數(shù)，減緩了沖擊波壓力的衰減幅度，遠場壓力高；

4) 軸線10點起爆方式產(chǎn)生的爆炸空氣沖擊波超壓整體水平均優(yōu)于其他方式，特別是遠場壓力分布范圍寬、峰值高，證明戰(zhàn)斗部采用軸線10點起爆方式可以提升裝藥爆炸能量利用率，提升毀傷效能。