水射流沖擊銷毀簡易爆炸裝置仿真研究

任云燕,溫 瑞,陳 放

(北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081)

1 引言

近年來，國內外的爆炸恐怖襲擊事件呈現出集中、高發的態勢，其規模不斷擴大，受害人數不斷增多。經調查發現，犯罪活動的組織化、預謀化程度不斷增強，襲擊目標不斷平民化，如美國波士頓馬拉松爆炸案中采用爆炸裝置是用高壓鍋制得的[1]。此類爆炸案件往往在人員較為密集處發生，一旦發生爆炸容易造成惡劣的社會影響，對爆炸裝置的現場安全排除提出了迫切的要求。面對這一背景需求，利用爆炸物解體器產生高速水射流，侵徹擊穿裝填炸藥的爆炸裝置殼體的技術應運而生，可實現非爆炸銷毀簡易爆炸裝置的目的。

國內外相關學者對水射流銷毀爆炸裝置進行了相關研究，龔建華等[2]介紹了爆炸物解體器的工作原理，研究了爆炸物解體器水射流對鋼制靶板的侵徹規律，分析了口徑、速度對侵徹效應的影響；黃玉平等[3]利用高壓水射流對B炸藥進行了破碎數值模擬，并對破碎炸藥過程中的安全性及有效性進行了研究，得出針對不同截面下破碎炸藥的水射流速度范圍；于瑞華[4]對爆炸物銷毀器的可靠性及分解炸藥的可行性進行詳細分析，并進行相關安全銷毀試驗；蔣大勇等[5-6]建立了水射流飛片沖擊模型，通過水錘壓力對沖擊起爆的影響及滯止壓力對溫升變化的影響,研究HTPB推進劑發生沖蝕破碎過程中的安全性，得出動態加載過程及準靜態加載過程中水射流的出口壓力臨界值；Parate Bhupesh等[7-8]對爆炸物處理裝置產生水射流的過程進行了后坐力計算，完成不同工況下雙基和單基推進劑破壞試驗并利用高速攝像對水射流速度進行測定；Premsiri Hongthong[9-10]設計了一種用于機器人遠程銷毀的無后坐力高壓水槍，進行了計算流體力學模擬及沖擊不同厚度靶板的試驗研究，結果表明該無后座水槍產生的水射流能夠穿透2 mm金屬板。從國內外研究現狀看，國外對于此方面的研究已發展到試驗驗證，進入工程化應用階段，而國內研究主要是針對水射流侵徹靶板及裸炸藥，對于水射流沖擊銷毀簡易爆炸裝置，尚缺少系統性研究。本文中利用LS-DYNA有限元軟件對水射流銷毀簡易爆炸裝置開展數值模擬研究，在不同水射流速度、不同沖擊位置下,分析裝藥承受壓力、反應度、單元失效數等參數，得出簡易爆炸裝置水射流作用下的起爆機理以及安全銷毀的水射流速度。

2 水射流銷毀簡易爆炸裝置安全性分析

2.1 計算方法與計算模型

目前，簡易爆炸裝置中炸藥來源一部分是由戰爭遺留炮彈所得，裝填物多為TNT、黑梯炸藥等；而爆炸恐怖分子常用來裝藥的承裝物主要有滅火器罐、液化氣罐、高壓鍋和水暖管件等承壓金屬物品，破壞威力較大。故本文中簡易爆炸裝置炸藥選用B炸藥，殼體材料選用45號鋼，厚度為1 mm。

殼體采用Lagrange算法、solid164單元進行描述；B炸藥采用SPH粒子進行描述，尺寸為Φ8 cm×10 cm；水射流采用SPH粒子進行描述，尺寸為Φ1 cm×20 cm。SPH算法是一種無網格Lagrange算法，可用于解決連續體結構解體、碎裂和固體層裂、脆性斷裂等物理問題，不存在網格畸變和單元失效問題[11]，對于本文中高速水射流以及炸藥爆轟時的網格畸變非常適用。利用前處理軟件TrueGrid進行建模，幾何模型如圖1所示。

圖1 水射流銷毀簡易爆炸裝置模型

水射流材料模型為空材料模型，狀態方程為Gruneisen狀態方程，水射流速度設置為500～1 100 m/s，步長為100 m/s，材料參數如表1所示。

表1 水射流Gruneisen狀態方程參數

殼體采用Johnson-Cook材料模型、Grunsisen狀態方程進行描述，殼體參數如表2所示。

表2 殼體材料參數

B炸藥材料模型為彈塑性流體動力材料模型,狀態方程為點火增長模型[12-13]，參數如表3所示。

表3 B炸藥狀態方程參數

2.2 數值模擬結果與分析

圖2為水射流速度1 100 m/s時B炸藥不同時刻壓力云圖。從圖2可以看出，水射流接觸簡易爆炸裝置瞬間，水錘壓力達到763 MPa，此壓力遠不足以起爆B炸藥；隨著沖擊的持續進行，水射流的沖擊壓力在200～300 MPa，在此過程中B炸藥與殼體發生摩擦，頂部多處產生熱點，如圖2中60 μs壓力云圖所示，達到并超過B炸藥的臨界起爆壓力5.63 GPa，隨后壓力持續增加，最大壓力遠超B炸藥爆轟波壓力29.5 GPa[14]，B炸藥發生爆轟。

圖2 B炸藥壓力云圖

水射流速度為500～1 000 m/s時B炸藥的最大壓力變化曲線如圖3所示。水射流速度為500～1 100 m/s時B炸藥的反應度變化曲線如圖4所示。

圖3 B炸藥最大壓力-時間曲線

圖4 不同水射流速度B炸藥反應度-時間曲線

從圖4中可以看出,水射流速度為1 000 m/s以上的反應度達到1，結合最大壓力曲線分析，水射流速度超過1 000 m/s時，B炸藥發生爆炸；水射流速度在800～900 m/s時，最大壓力達到B炸藥臨界起爆壓力但并未持續增加，且反應度保持穩定，可知B炸藥發生輕微反應但不會引起爆炸；水射流速度小于800 m/s時，最大壓力始終小于2 GPa，反應度保持在0.2附近，B炸藥未發生反應。

綜合考慮最大壓力和反應度認為，水射流速度超過1 000 m/s，炸藥發生爆轟，水射流速度在800～1 000 m/s時，B炸藥會發生反應，根據上述分析，為確保簡易爆炸裝置能夠安全銷毀，不引起炸藥發生爆轟，水射流的速度不應超過 800 m/s。

2.3 簡易爆炸裝置起爆機理

根據應力波理論，可將水射流的沖擊過程分為2個階段[15]：① 高壓水射流接觸到簡易爆炸裝置表面瞬間，水射流的狀態參數發生突變，在射流頭部產生較高的沖擊壓力，即水錘壓力，這個過程為動態加載過程；② 隨著水射流對簡易爆炸裝置的繼續作用，水射流中狀態參數的變化不大，為準靜態加載過程，此水射流沖擊壓力稱為滯止壓力。

炸藥在動態加載過程中發生爆轟的過程為沖擊轉爆轟(SDT)過程，在準靜態加載過程中發生爆轟的過程稱為長持續脈沖時間壓力起爆(LALDS)過程。

在動態加載過程中，炸藥發生爆轟的準則為：

(1)

式(1)中：pt為水錘壓力，MPa；τ為水錘壓力作用時間，s；K為實驗常數。

由于水錘壓力作用時間極短，僅為微秒量級，現階段很難測量獲得。SDT過程可認為水錘壓力pt是否超過B炸藥的臨界起爆壓力pc，即若：

pt≤pc

(2)

則爆炸裝置安全，否則認為炸藥在水錘壓力的作用下發生爆轟。

對于LALDS過程，起爆判據表述為：

pnτ=K(n>2.3)

(3)

結合壓力云圖以及反應度曲線分析可知，殼體在簡易爆炸裝置受到沖擊瞬間起到緩沖作用，水錘壓力pt遠小于B炸藥臨界起爆壓力pc，B炸藥在水錘壓力的作用下不會發生爆炸；在水射流的持續沖擊作用下，炸藥的反應度呈現階梯式增加，同時由于B炸藥與殼體接觸摩擦，形成局部高壓區域，并產生“熱點”，導致爆炸裝置發生爆炸。

3 水射流銷毀簡易爆炸裝置有效性分析

3.1 計算方法與計算模型

由前文可知，銷毀簡易爆炸裝置的水射流速度不應超過800 m/s，將水射流速度設置為500～800 m/s，以25 m/s為步長，改變水射流沖擊簡易爆炸裝置的位置，研究水射流沖擊簡易爆炸裝置的有效性。水射流同樣采用SPH粒子進行描述；簡易爆炸裝置中炸藥采用各項同性隨動硬化塑性材料模型進行描述，殼體材料參數不變。設置水射流沖擊簡易爆炸裝置頂部以及中部，計算模型如圖5所示。

圖5 水射流沖擊簡易爆炸裝置模型

3.2 數值模擬結果與分析

水射流沖擊簡易爆炸裝置的位置對沖擊效果有較大影響，圖6為水射流速度為800 m/s時2種情況最終時刻的沖擊效果圖。

圖6 水射流速度800 m/s沖擊效果

從圖6可以看出，頂部沖擊造成的最大直徑為24.44 mm，中部沖擊造成的最大直徑為25.81 mm，可以看出水射流從中部沖擊B炸藥后還有較大的剩余速度穿透殼體，殼體在應力作用下發生回彈。

通過不同速度下水射流沖擊簡易爆炸裝置的失效單元數對簡易爆炸裝置的銷毀情況進行分析，圖7為2種沖擊位置下t=300 μs時水射流速度與失效單元數的關系圖。

圖7 水射流速度與失效單元數關系

從圖7可知，失效單元數隨著水射流速度的增加而增加，且增加逐漸趨于平緩，結合圖6分析，水射流速度為750m/s左右時已到達殼體底部，所以隨著水射流速度的增加，失效單元數變化不大。

速度較小時，從中部沖擊的失效單元數增加緩慢，隨后才與從頂部沖擊的失效單元數增加趨勢相似，這是由于水射流接觸的殼體為拱形，相比從頂部沖擊，需要更多能量才能沖破殼體，實現對裝藥結構的破壞。

水射流可對簡易爆炸裝置造成2.5倍自身直徑的穿孔，由于僅考慮核心區速度，忽略了水射流的霧化作用，實際情況會造成更大截面的破壞，甚至導致簡易爆炸裝置發生解體。在對簡易爆炸裝置銷毀過程中，可同時針對導火索、電子線路等部位實施銷毀，增加銷毀過程的可靠性。

4 結論

本研究通過LS-DYNA有限元仿真軟件對不同速度下水射流銷毀簡易爆炸裝置進行數值模擬，得出以下結論：

1)在處理簡易爆炸裝置時,為確保能夠安全銷毀，不引起炸藥爆炸，水射流速度應小于800 m/s。

2)由于殼體的緩沖作用,過高的水射流速度并不會使簡易爆炸裝置立即發生爆炸，而是由于持續沖擊作用下炸藥與殼體發生摩擦，產生局部高壓區域導致炸藥爆炸，在實施銷毀作業時，應避免較大水量的持續沖擊。

3)在實際應用過程中，可根據爆炸裝置的尺寸選擇合理的沖擊銷毀位置及水射流速度，使其失去爆炸性能，安全排除危險。由于條件有限，未進行試驗驗證，研究結果可為水射流銷毀爆炸裝置系統的設計及優化作參考。