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論文精?。篜BX炸藥在摩擦作用下的點火起爆研究

2016-07-12 10:36:05 來源:中國爆破網 瀏覽:722

澳客网 www.nmxed.icu 摘  要:為了研究PBX炸藥的摩擦感度及其在摩擦作用下的點火機理,對PBX炸藥進行了摩擦感度試驗,并從細觀結構的角度對炸藥在摩擦作用下的響應過程進行了數值模擬,分析了細觀結構對炸藥溫度場的影響,以及壓力、初速度等條件對炸藥摩擦點火的影響。結果表明:摩擦作用下PBX炸藥的點火點位于HMX顆粒與黏結劑交界處,點火的臨界溫度為1100K;向炸藥施加的壓力越大,其發火可靠性越高,點火時間越早;鋼柱摩擦炸藥的初速度增大,能夠提高其發火可靠性以及點火時間。

關鍵詞:PBX炸藥;摩擦;點火;試驗;數值模擬

 

 引 言

研究炸藥在沖擊作用下的摩擦起爆機理具有重要的現實意義,理論上,侵徹體中的裝藥在侵徹過程中,裝藥殼體與炸藥間存在相對運動,將產生摩擦,導致裝藥的點火起爆;大量的實驗也表明:裝藥與殼體之間的摩擦是導致炸藥點火的重要因素之一。J. G. Glenn[1]等用活塞裝置在裝有炸藥的圓柱鋼管內滑動,產生摩擦,通過改變活塞與鋼管壁的壓力,觀察到了點火現象;AVI. Birk[2]等人用活塞在不同厚度的鋼管中以不同的速率進行滑動加載,也觀察到了炸藥點火現象。

摩擦起爆感度實驗中,通常將炸藥置于兩滑塊之間,對其施加一定的壓力(100-500MPa[3,4],通過對炸藥施加強烈又短暫的機械摩擦功,觀測炸藥是否發生點火爆炸,進而來確定炸藥的摩擦感度。炸藥的摩擦感度是炸藥性能的重要參數之一,相關的實驗研究較多,也取得了一些成果[5],但對具體的理論研究還較少。

PBX炸藥是由高能炸藥、黏結劑和增塑劑等以不同比例混合壓制而成,因其組分的多樣性造成了炸藥細觀結構的非均勻性,劉群[6]等人從細觀結構角度用數值模擬的方法研究了PBX炸藥在沖擊載荷下的點火機理,但它的著重點在撞擊感度上,而實際上在侵徹過程中炸藥與殼體間的摩擦作用不容忽視。因此,本文采用實驗方法對PBX炸藥的摩擦感度進行觀測,并結合數值模擬法研究了PBX炸藥的摩擦起爆機理。

 

2  PBX炸藥與金屬摩擦起爆試驗

2.1  摩擦感度試驗方法及裝置

 

如圖1所示,本試驗以一種高HMX含量(88%左右)的PBX炸藥為研究對象,試驗時,將由HMX和粘結劑按比例澆注而成的炸藥置于兩鋼柱之間,使用擺錘擊打上鋼柱,使其與炸藥產生相對位移,導致鋼柱與炸藥摩擦。試驗中,炸藥呈扁平柱狀,重100g;上下鋼柱的直徑為15cm,上鋼柱重10kg,下鋼柱與炸藥接觸點裝壓力傳感器,可通過調節下鋼柱下的螺絲松緊度來調節其對炸藥壓力的大??;擺錘重8kg,擺線長度可調,質量忽略不計,通過調節擺線長度來調整撞擊后其賦予上鋼柱的初速度。整套系統試驗時用遮光布遮擋,用高速攝影機來記錄摩擦反應過程,距試驗系統約4.6m,如圖2所示為試驗用高速攝影機。

 

需要注意的是,試驗時擰下鋼柱的螺絲時不能太快,以防其對炸藥壓力過大或變化過快引起炸藥爆炸,另外,高速攝影機也不能距試驗裝置太近,否則炸藥發生反應時會損壞相機鏡頭。

2.2 試驗結果與分析

本試驗中共有兩個變量,即擺錘擊打上鋼柱后鋼柱的初速度v和下鋼柱對炸藥的壓力p,采用控制變量法,分別做了多組試驗來觀察現象,部分試驗參數及結果見表1。

 

從表中的試驗結果看,當p=420MPa、v=4.5m/s,以及p=500MPa、v=4.0m/s時,炸藥在摩擦作用下點火起爆,且能明顯聽到爆炸聲;當p=420MPa、v=4.2m/s,及p=490MPa、v=4.0m/s時,可觀察到炸藥因摩擦點火,但爆炸聲不明顯,說明炸藥反應未達到爆轟的劇烈程度。

查閱相關資料[3,7],分析其可能原因為:摩擦前,炸藥在壓緊的狀態下與鋼柱間的摩擦系數較大,摩擦時,炸藥迅速升溫,由于炸藥的熔點較低,溫度很快接近熔點,導致炸藥與鋼板間的摩擦系數減??;另外,在摩擦過程中隨著炸藥溫度的迅速升高,必然存在炸藥與下鋼柱間的熱傳導。因此,當炸藥在摩擦作用下的熱分解使其溫升幅度足夠大時,導致炸藥爆炸;當炸藥溫升不足以引起熱爆炸時,則產生快速燃燒現象,無明顯爆炸聲。

3 PBX炸藥摩擦點火數值模擬

3.1 PBX炸藥的細觀結構模型

數值模擬中的PBX炸藥的細觀結構模型是通過對包有黏結劑的HMX炸藥顆粒進行壓制來獲得的。假設HMX炸藥顆粒在未壓之前是圓形的,每個顆粒都均勻的包裹了黏結劑,且所有顆粒的大小相等。隨著炸藥成分的不同,HMX炸藥顆粒與黏結劑的比例也不同,且HMX炸藥顆粒分層排列在壓制磨具中。如圖3所示,模型中共有100個緊密接觸的HMX炸藥顆粒,炸藥顆粒的直徑為0.4~0.8mm,黏結劑為Estane,其厚度為0.01~0.02mm,黏結劑的質量分數在12%左右。圖4為炸藥顆粒與黏結劑的局部網格圖。

  

 

采用非線性有限元法對HMX炸藥顆粒的壓制過程進行數值模擬,計算時炸藥下部為加壓面,其余三個方向為剛性約束。通過對下部施加一定的壓力,使HMX炸藥顆粒發生變形,從而得到PBX炸藥細觀結構模型。

圖5是密度為2.0g/cm3的炸藥細觀結構模型。圖中可見,炸藥顆粒被壓制的較密實,孔隙基本消失,原本為圓形的HMX顆粒在壓制的過程中發生了變形和側向位移,顆粒的尺寸發生了變化,且分布呈現不規則性,這些結構特征與圖3中的炸藥細觀結構類似。因此,通過改變壓力等計算條件,可以得到不同密度、HMX質量分數及顆粒尺寸的PBX炸藥細觀結構。

采用非線性有限元法對HMX炸藥顆粒的壓制過程進行數值模擬,計算時炸藥下部為加壓面,其余三個方向為剛性約束。通過對下部施加一定的壓力,使HMX炸藥顆粒發生變形,從而得到PBX炸藥細觀結構模型。

圖5是密度為2.0g/cm3的炸藥細觀結構模型。圖中可見,炸藥顆粒被壓制的較密實,孔隙基本消失,原本為圓形的HMX顆粒在壓制的過程中發生了變形和側向位移,顆粒的尺寸發生了變化,且分布呈現不規則性,這些結構特征與圖3中的炸藥細觀結構類似。因此,通過改變壓力等計算條件,可以得到不同密度、HMX質量分數及顆粒尺寸的PBX炸藥細觀結構。

3.2 計算模型及材料參數

計算模型由鋼柱和PBX炸藥組成,如圖6所示。計算時,鋼柱以一定的初速度向右滑動,在與炸藥摩擦力的作用下逐漸減速至停止,觀察相對運動過程中的炸藥顆粒與黏結劑的動態響應。模型中,鋼柱的直徑為15mm,炸藥厚度為6.5mm。

 

模型中,HMX顆粒和黏結劑均采用彈塑性流體力學材料模型和格林愛森狀態方程描述,鋼柱采用塑性動力學模型描述,采用各向同性熱材料模型來描述HMX顆粒和黏結劑的溫度變化。整個模型的初始溫度設為298K,模型中其它的材料參數見表2。

 

注: ρo為密度, σo為屈服應力,Go 為剪切模量, λ為導熱系數, c為聲速, C為比熱。

3.3 數值模擬結果及分析

3.3.1 細觀結構對炸藥溫度場的影響

對條件為:p=420MPa、v=4.5m/s的情況進行了計算,該條件與摩擦感度試驗相同。模擬結果顯示,炸藥發生了點火。如圖7所示,在炸藥的內部顆粒上取兩個監測點,觀察溫度變化,圖中1號測點位于黏結劑上,2號測點在HMX顆粒中心位置。各測點處溫度隨時間的變化曲線如圖8所示,可以看出摩擦作用下,1號測點處的溫度可達1200K,而2號測點的最高溫度只有600K左右,即顆粒表面黏結劑的溫度遠高于顆粒內部的溫度;圖中還可看出,兩測點的最高溫都出現在3μs左右,且1號測點要比2號測點更早些。因此可以推斷,在摩擦作用的瞬間,首先引起黏結劑局部溫升,由于HMX會發生自熱反應[8,9,10],當HMX顆粒周圍溫度上升到一定值時,化學反應放出的熱量將使HMX快速反應,從而引起顆粒外層某處溫度突越升高,導致PBX炸藥發生點火。圖9為炸藥摩擦時點火點處的溫度變化曲線,圖中可見,當HMX顆粒某處溫度達到1100K時,PBX炸藥發生點火。

 

 

 

3.3.2 壓力P對PBX炸藥摩擦點火的影響

對條件為p=500MPa、v=4.0m/s的情況進行數值模擬,結果顯示,炸藥發生了點火,與摩擦感度試驗結果相符。結合上一節的模擬結果,圖10給出了不同壓力情況下炸藥點火的時間,圖中可見,當p=500MPa時,炸藥約在3.3μs時發生點火,當p=420MPa時,炸藥在3.8μs左右點火,即炸藥在當壓力越大,炸藥點火的時間越早。當P從420MPa增大到500MPa時,從細觀角度看,PBX炸藥的密度增大了,HMX顆粒之間的黏結劑分布的更加均勻,顆粒之間的孔隙變得更小,總體上,炸藥變得更加密實。這樣,在摩擦作用下,黏結劑溫度迅速升高,溫度更加快速的傳遞給HMX顆粒,使炸藥顆粒發生化學反應更加劇烈,增強了HMX顆粒某點處發生溫度突越的力量,提高了其溫度突越的幾率,因此壓力的增大可提高炸藥的摩擦感度。

 

3.3.3 初速度v對PBX炸藥摩擦點火的影響

為了研究初速度對PBX炸藥摩擦點火的影響,再對條件為p=420MPa、v=3.5m/s及p=420MPa、v=5.0m/s的情況分別進行數值模擬,結果顯示:當v=3.5m/s時,炸藥不發生點火,v=5.0m/s時,發生點火。如圖11所示,為不同初速度下HMX顆粒某處的溫度變化,圖中可見,只有當v=3.5m/s時,炸藥顆粒的溫度沒有突越,其峰值溫度為1000K左右;同為發火情況,初速度為5.0m/s時的發火時間約在3.4μs,初速度為4.5m/s時的發火時間在3.8μs,初速度為3.5m/s時的溫度峰值約在4.6μs,因此,壓力相同時,初速度越大,炸藥越容易發火,發火的時間越早。當摩擦速度增大時,黏結劑容易形成更高的局部溫升,使HMX顆粒發生快速自然反應,相應的導致其溫度更早的達到突越,從而引起炸藥點火更早。

 

4 結 論

(1)HMX質量分數為88%的PBX炸藥在p=420MPa、v=4.5m/s,以及p=500MPa、v=4.0m/s,或更高壓力、更大初速度條件下,能夠可靠發火。

(2)數值模擬計算表明:PBX炸藥的點火點位于HMX顆粒與黏結劑之間,本文研究的PBX炸藥點火臨界溫度為1100K;隨著壓力的增大,摩擦時炸藥點火的可靠性更大,且點火時間更早;初始速度增大,摩擦起爆的可靠性也增大,且點火時間更早。

(3)在數值模擬的過程中,有些約束條件是動態變化的,如隨著溫度的升高,炸藥與鋼柱之間的摩擦系數會不斷變小,而這一動態變化的關系又很難確定,因此,在計算的過程中忽略了該約束條件的變化,下一步將對此開展專項研究。

參考文獻

[1] Glenn J G, Foster J C, Gunger M, et al. A test method and to determine the thermal initiation properties of an energetic material in a low pressure long duration event [C]. 12th International Symposium on Detonation, San Diego, California, 2002.175-187.

[2] Birk A, Baker P, Kooker D E, et al. Non-detonative explosions and burning of composition-B explosive[C]. 12th international symposium on detonation, San Diego, California, 2002:389-398.

[3] 林文洲. 高能炸藥摩擦感度的理論研究[D]. 北京:中國工程物理研究生部,2006.

[4] 林文洲,洪濤. 高能炸藥摩擦感度理論初步研究[J]. 含能材料,2007,02(01):12-15.

[5] 董海山,周芬芬. 高能炸藥及相關物性能[M]. 北京:科學出版社,1989.

[6] 劉群,陳朗,伍俊英. PBX炸藥細觀結構沖擊點火的二維數值模擬[J]. 火炸藥學報,2011,12(06):10-16.

[7] 高立龍,牛余雷,王浩. 典型炸藥柱的400 kg落錘撞擊感度特性分析[J]. 含能材料,2011,11(04):428-431.

[8] 王沛. 高能炸藥烤燃實驗和數值模擬計算[D]. 北京:北京理工大學,2009.

[9] 劉群,陳朗,魯建英. 炸藥顆粒壓制成型數值模擬[J]. 高壓物理學報,2009,23(6):421-426.

[10] 于繼東,王文強,劉倉理. 炸藥沖擊響應的二維細觀離散元模擬[J]. 爆炸與沖擊,2008,28(6):488-493.

 

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