多点同步起爆环形传爆药柱数值模拟研究

多点同步起爆环形传爆药柱数值模拟研究
刘洪榕;胡立双;胡双启;曹雄;李娟娟
【摘要】钝感主装药的出现对爆炸序列中的传爆药柱提出了更新的要求,即传爆药柱必须要有足够的输出用于可靠起爆钝感主装药.传统的圆柱形传爆药柱很难满足钝感弹药的要求.综合运用炸药冲击起爆理论和聚能效应,设计了环形传爆药柱,并利用ANSYS模拟研究了在四点和八点同步网路起爆下,环形传爆药柱的起爆能力.数值模拟结果表明:多点起爆条件下环形传爆药柱的起爆能力好于圆柱形传爆药柱,八点起爆效果优于四点起爆效果.
【期刊名称】《爆破》
【年(卷),期】2013(030)004
【总页数】4页(P129-132)
【关键词】爆炸力学;同步起爆;传爆药;起爆能力;数值模拟
【作者】刘洪榕;胡立双;胡双启;曹雄;李娟娟
【作者单位】中北大学化工与环境学院,太原030051;中北大学化工与环境学院,太原030051;中北大学化工与环境学院,太原030051;中北大学化工与环境学院,太原030051;晋西工业集团有限责任公司,太原030051
【正文语种】中文
【中图分类】TQ560
钝感弹药成为当今世界武器弹药的发展方向之一[1,2]。

钝感弹药都包含一个可靠
起爆和传爆的子系统，由于钝感弹药中使用的主装药的钝感化，用于传爆的圆柱形传爆药柱的尺寸势必增大，这就等于增加了武器系统中敏感部件的尺寸，从而会导致意外爆炸机会增多。

在较小传爆药柱尺寸条件下可靠的起爆钝感主装药的一个有效途径是研究新型传爆药装药结构，通过新结构达到减小传爆药柱的装药尺寸，进而达到武器系统安全的目的[3-5]。

因此，开展传爆药装药结构研究对于解决钝感
主装药的安全、可靠起爆问题具有现实意义。

课题组先前用实验的方法研究了环形传爆药柱在四点和八点起爆下的起爆能力(因
为环形传爆药柱结构决定不能使用中心单点起爆，所以选用环周四点和八点同步起爆方式)，得出了一些重要结论[6]。

实验得出的结果虽然很有说服力，但是不能够观察到环形传爆药柱的具体起爆过程，而数值模拟则能很好的解决这个问题。

1 数值模拟
数值模拟已经成为分析凝聚炸药爆轰的一种非常重要的手段[7]，主要研究多点起
爆条件下，环形传爆药柱轴向输出波形及径向汇聚的过程。

1.1 计算模型
计算中采用顶部四点和八点对称起爆，建立有限元模型(如图1所示)。

采用六面体映射网格进行划分。

炸药、空气采用Euler网格建模，网格大小0.5 mm，单元使用多物质ALE算法。

把炸药、空气的多物质ALE单元定义为固体，它们之间采用流固耦合法进行连接。

为了节省计算量，采用四分之一模型，并添加对称约束[8]。

图 1 计算模型图Fig. 1 Numerical simulation model
1.2 炸药及其爆轰产物本构参数
传爆药选择JO-9C传爆药[9]，JO-9C作为直列式爆炸序列许用传爆药，是目前爆速较高的一种新型传爆药。

JO-9C炸药的爆轰产物本构参数如表1。

表 1 JO-9C炸药本构参数Table 1 Constitutive parameters of JO-9C参数数值参数数值A/Mbar8.05B/Mbar0.18R14.6R21.3ω0.38Cv/(Mbar·k-1)1×10-
5E0/Mbar0.102ρ0/(g·cm-3)1.60D/(mm·μs-1)7.5Pcj/Mbar0.25
2 数值模拟结果与讨论
2.1 四点同步起爆药柱模拟结果
该过程包括药柱轴向起爆及径向汇聚过程。

2.1.1 四点起爆下轴向起爆模拟结果
四点起爆药柱轴向起爆结果见图2。

图 2 四点起爆药柱轴向起爆过程压力云图Fig.2 Axial pressure nephogram of booster pellet under four-point synchronous initiation
从以上四点起爆药柱轴向起爆过程压力云图看，爆轰波在对称的四点同时起爆，当t=1.198 μs时，相邻的两个爆轰波发生斜碰撞，压力的峰值增加；当t=1.299 μs 时，爆轰波的前沿波阵面到达装药11.5 mm高度的位置，此时的波阵面形状呈明显的波浪状，波阵面前沿和波阵面后沿之间的距离为0.65 mm；当t=2.500 μs 时，爆轰波的前沿波阵面到达装药底部，此时的波阵面形状依然不太平整。

2.1.2 四点起爆下径向汇聚模拟结果
四点起爆药柱径向汇聚结果见图3。

图 3 四点起爆药柱径向汇聚压力云图Fig. 3 Radial pressure nephogram of booster pellet under four-point synchronous initiation
药柱在对称的四点同时起爆，爆轰波在沿轴向传播的同时，也沿传爆药柱径向传播，当爆轰波传出药柱内表面时，在中心空气介质中形成冲击波继续向药柱中心传播，随着轴向爆轰波压力升高，向药柱中心传播的冲击波也逐渐加强。

当t=2.400 μs 时，向药柱中心传播的冲击波开始碰撞汇聚，压力逐渐增高。

此时爆轰波在轴向已基本到达药柱底部。

由于药柱中心传播的冲击波速度慢，因而中心汇聚时间较轴向爆轰有一定时间延迟；t=2.900 μs时，中心汇聚压力达到最大，为P=27.4 GPa，当t=3.799 μs时，汇聚结束。

2.2 八点起爆药柱起爆过程数值模拟
2.2.1 八点起爆下轴向起爆模拟结果
八点起爆药柱轴向起爆结果见图4。

图 4 八点起爆药柱轴向起爆过程压力云图Fig. 4 Axial pressure nephogram of booster pellet under eight-point synchronous initiation
从模拟结果看，爆轰波在对称的八点同时起爆，当t=0.799 μs时，相邻的两个爆轰波发生斜碰撞，压力峰值增加，然后爆轰波整体向下推进；当t=1.300 μs时，爆轰波前沿波阵面到达装药11.5 mm高度的位置，波阵面已经基本趋于平整，波阵面前沿和波阵面后沿之间的距离只有约0.15 mm；当t=2.500 μs时，爆轰波的前沿波阵面到达装药底部。

比较二者爆轰波前沿到达药柱11.5 mm高度位置时的波形，可以看出八点同步起爆的波形要远远好于四点同步起爆的波形。

当药柱高度不变时，四点起爆的药柱轴向波形很难达到平齐，从而使其轴向起爆威力减弱，对发挥药柱起爆能力有很大不足。

从模拟结果来看，增加起爆点个数可以弥补这一不足。

但是增加起爆点个数意味着增加同步起爆网路的级数，起爆网路的级数越大，其输出同步性时间偏差就越大，这将对药柱的输出波形产生不利影响，因此，要根据具体情况取舍。

数值模拟结果显示，在保证较小的同步时间偏差的情况下，八点同步起爆药柱的轴向起爆能力好于四点同步起爆的药柱。

2.2.2 八点起爆下径向汇聚模拟结果
八点起爆药柱径向汇聚结果见图5。

图 5 八点起爆药柱径向汇聚压力云图Fig .5 Radial pressure nephogram of booster pellet under eight-point synchronous initiation
药柱在对称的八点同时起爆，爆轰波在沿轴向传播的同时，也沿药柱径向传播，当爆轰波传出药柱内表面时，在中心空气介质中形成冲击波继续向药柱中心传播，随
着轴向爆轰波压力升高，向药柱中心传播的冲击波也逐渐加强。

当t=2.200 μs时，向药柱中心传播的冲击波开始碰撞汇聚，压力逐渐增高。

此时爆轰波在轴向距药柱底部还有一定距离。

中心汇聚较轴向爆轰也有一定时间延迟；当t=2.500 μs时，中心汇聚压力达到最大，为P=29.6 GPa；当t=3.600 μs时，药柱汇聚结束。

对比四点、八点起爆的药柱具体的径向汇聚过程，八点起爆环形中心轴线汇聚时间较四点提前0.2 μs，汇聚压力达到最大值时间提前0.4 μs，压力峰值较四点大2.2 GPa。

由于八点起爆的药柱爆轰波轴向一致性好，因而向中心汇聚速度快，压力也高。

看来，起爆点数不仅影响轴向输出，同时对药柱中心汇聚过程也有显著影响。

总的来看，八点起爆的药柱的起爆能力大于四点。

从模拟结果看，环形传爆药柱起爆主装药的过程，综合了两种作用：一是传爆药环轴向输出的环形爆轰波作用，二是传爆药环径向输出的爆轰波汇聚作用，且传爆药环径向输出的爆轰波汇聚起爆作用占主导地位。

3 结语
采用数值模拟对四点和八点同步起爆条件下的环形传爆药柱的起爆能力进行了研究，得出如下几点结论：
(1)环形传爆药柱起爆过程包括轴向起爆过程和径向汇聚过程。

(2)八点同步起爆的环形传爆药柱的起爆效果优于四点同步起爆的效果。

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