0 引言
爆炸切割网络传爆能力是影响爆炸切割网络可靠性的关键因素。对于研究炸药的性能,设计装药结构,设计爆炸切割网络有着十分重要的意义。而在爆炸切割网络中节点处的传爆形式有切割索对接、切割索搭接、三通传爆管等形式[1]。王作山等[2]通过锰铜压力传感器法测量传爆药柱爆压,得到了约束条件以及装药直径对传爆药柱爆压的影响。但是其没有研究爆轰波压力传播情况。金丽等[3]研究了某直列式装药结构不同间隙下的装药传爆结构,其研究结果反映了传爆间隙对传爆能力的影响。Molitoris等[4]通过 X 光照相技术研究了LX-14传爆药起爆LX-17钝感炸药的爆轰波的发展过程,可以对爆轰波的发展以及拐角绕射区域等准确观察,但是该试验技术要求非常高。郭向利等[5]采用Mushroom实验测的了以HMX基和TATB基的PBX炸药的拐角性能,但是未将这2种高能炸药用于实际实验上。陈锋等[6]对爆炸切割网络起爆点位置的设置进行了研究,得到了起爆点设置在网络交叉位置处最为合理的结论。
结合以上文献以及工程经验,本文中对某爆炸切割网络传爆节点的传爆过程进行了数值仿真,得到了传爆节点处的爆轰波传递情况。通过改变切割索与传爆药柱间隙得到了不同传爆间隙下传爆情况。设计了密封结构并通过数值仿真验证了其对传爆节点处传爆能力的影响。
1 计算模型的建立
1.1 模型与算法的建立
切割索对传爆药柱的传爆过程涉及到材料的大变形以及高应变率响应特性。药型罩变形过程会使网格产生较大的畸变,这使得数值计算变得困难。采用Euler网格和ALE算法可以克服这种单元畸变。因此在建模中对药型罩、炸药、空气设置为ALE多物质算法。传爆药柱采用Lagrange网格建模,不同材料之间设置流固耦合算法。炸药受冲击后的反应过程采用三项式反应速率方程描述,该方程是反应度F对时间的偏微分,F>0表示炸药开始反应,F=1表示炸药局部或全部发生反应。添加*DATABASE_EXTENT_BINARY关键词查看传爆药柱的反应度情况。为研究爆炸切割网络传爆能力的影响因素,选取其传爆节点处进行仿真分析,仿真模型为切割索传爆药柱的结构,起爆点设在切割索顶部,仿真模型为包含切割索、传爆药柱、空气的三维结构,传爆药柱直径8 mm,高度3.5 mm,传爆间隙为d。此爆炸网络切割索截面和有限元模型分别如图1和图2所示。
图1 切割索截面图
Fig.1 Cross section view of cutting cable
图2 模型示意图
Fig.2 Schematic diagram of the model
在三维模型建模中,爆炸切割网络关于XOZ平面对称,所以建立1/2模型以减少计算时间,为观测传爆节点处的爆轰波传播情况在爆炸切割网络外设置空气域。模型对称面设置对称约束,其他边界面设置无反射边界以模拟爆轰波在空气传播的情况。网格划分尽量满足网格的连续性以保持数值解的稳定性[7],网格尺寸为0.3 mm。
1.2 材料模型及状态方程的选取
在运用LS-DYNA软件进行计算时,材料模型及状态方程的选取将直接影响到仿真分析的精度。本文中所用材料模型和状态方程如下,单位采用cm-g-μs。
切割索装药采用黑索金RDX,炸药爆炸过程中爆炸产物的压力通常用JWL状态方程表示。其具体表达式如下:
(1)
式(1)中:P为爆轰产物的压力;E为单位体积内能;V为相对体积;A、B、R1、R2、ω为常数。本文中采用的黑索金的主要参数如表1所示[8]。
表1 黑索金材料参数
Table 1 RDX explosive material parameters
ρ/(g·cm-3)D/(m·s-1)PCJ/GPaA/GPa1.717798029524B/GPaR1R2ω7.74.21.30.38
表1中: ρ为黑索金密度;D为黑索金爆速;PCJ为黑索金爆压。
彭建祥[9]的研究表明,在高压冲击下,采用Steinberg模型获得的结果更为准确。铅锑合金和紫铜[10]材料的参数如表2所示。药型罩材料的状态方程采用Gruneisen描述,其材料参数如表3所示。
表2 药型罩材料参数
Table 2 Material parametersof the liner
材料ρ/(g·cm-3)G0/GPaσ0/GPaβσm/GPaA/GPaTM0/KnPb-Sb11.3450.12360.630.207600.70.45Cu8.947.70.19360.640.063517900.31
表3 药型罩状态方程参数
Table 3 State equation parameters of the liner
材料C/(cm·μs-1)S1S2S3γ0APb-Sb0.20061.429002.740.45Cu0.3941.49002.020.47
为描述药柱从起爆到点火的过程,采用Lee-Tarver 三项式点火增长模型描述其起爆过程。其反应速率方程如下:
G1(1-F)cFdPy+G2(1-F)eFfPz
(2)
式(2)中: F为炸药反应度; ρ为密度; p为压力; I、G1、G2、a、b、x、c、d、y、e、g及z为反应速率参数。
Jo-11c药柱三项式增长模型参数如表4所示。
表4 传爆药柱三项式增长模型参数
Table 4 Growth parameters for booster charge
Iabcde4e50.70.6670.6670.2670.333gxyzG1G217235001500
2 仿真结果
2.1 爆轰波传播情况
进行切割索和传爆药柱间隙为2 mm的仿真分析,切割索被起爆后爆轰波逐渐由索顶扩散到整个索身,由图3(a)可以看出爆轰波以弧形传播,索中部爆轰波速度传播最快。图3(b)为3 μs时的压力云图,可以看到此时传爆药柱已经发生形变,其内部压力峰值约为20 GPa。
图3 爆轰波压力云图
Fig.3 Detonation wave pressure cloud map
2.2 传爆间隙对传爆能力的影响
分别进行传爆间隙为1、2、3 mm条件下的仿真分析,其中1 mm和2 mm间隙药柱均被成功起爆,3 mm间隙药柱未被起爆。为进一步确定此爆炸网络的最大传爆间隙,在2～3 mm的区间以0.1 mm递增进行数值仿真,发现2.3 mm间隙药柱被成功起爆,2.4 mm间隙药柱未被起爆,故此爆炸网络最大传爆间隙为2.3 mm。在传爆药柱上选取4个观测点如图4所示。仿真分析结果的爆轰波压力以及反应度如图5和6所示。
图4 观测点示意图
Fig.4 Schematic diagram of observation
图5 2.3 mm间隙分析结果
Fig.5 2.3 mm gap analysis results
由图5可看出,传爆间隙为2.3 mm时,在1.5～3 μs的时间内,4个观测点处的炸药分别进行了反应,压力逐渐增大,形成了稳定的爆轰波,观测点4处炸药压力值最大,最大值为23.7 GPa。从反应度曲线看,观测点1、2处炸药反应度未达到1,炸药没有完全反应。观测点3和4处的炸药反应度达到1,炸药完全反应。由此可知,在切割索与传爆药柱间隙为2.3 mm的情况下,切割索产生的爆轰波足以起爆传爆药柱。
当切割索与传爆药柱间隙为2.4 mm时,选取相同位置4个观测点查看压力变化以及反应度情况。由图6可看出,观测点1处的炸药压力峰值约为1.96 GPa之后每个观测点处压力呈下降趋势。说明炸药部分反应但是没有形成稳定爆轰波。通过反应度曲线可以看出4个观测点处炸药均未反应完全,由此得出,在切割索与传爆药柱间距为2.4 mm的情况下,切割索产生的爆轰波不足以起爆传爆药柱。
图6 2.4 mm间隙分析结果
Fig.6 2.4 mm gap analysis results
根据传爆间隙为2.3 mm和2.4 mm情况下的模拟结果可以看出此种型号切割索可以在间隙为2.3 mm时引爆传爆药柱,当传爆间隙为2.4 mm时切割索产生的爆轰波不足以引爆传爆药柱。为了保证此传爆结构的可靠性,应保证切割索与传爆药柱间隙小于2.3 mm。
2.3 药型罩材料对传爆能力的影响
根据聚能效应,切割索的药型罩应选取密度较高,塑性较好的金属材料[11],通常选用紫铜、银、铅锑合金等材料。目前关于药型罩材料对切割能力的影响有较多研究[12-14],但关于其对传爆能力的影响研究较少。随着爆炸网络越来越多的应用,其传爆能力也将是一个研究重点。对药型罩材料为铅锑合金和紫铜2种情况下的切割索压力进行对比分析,切割索压力云图如图7所示,选取切割索上3个点观测压力变化,铅锑合金切割索和紫铜切割索峰值压力如图8所示。
图7 1 μs时爆轰波压力云图
Fig.7 Detonation wave pressure cloud map at 1 μs
图8 切割索压力对比
Fig.8 Comparison diagram of cutting cable pressure
从图7与图3对比可以看出,时间为1 μs时,2种不同药型罩材料的切割索产生的爆轰波波形相似,相比于铅锑合金药型罩,紫铜药型罩的切割索产生的爆轰波压力更高。由图8可以看出,以紫铜作为药型罩材料的切割索的压力更高。压力分别提高0.7、1.3、1.3 GPa,压力提升幅度为3.3%、5.5%、5.3%。
本文中进行了紫铜切割索在传爆间隙为2.4 mm时的仿真分析,发现紫铜切割索可以在此间隙上传爆药柱。由此可以得出,在其他参数不变的情况下,以紫铜为药型罩的切割索相比于铅锑合金做药型罩有更好的起爆能力。由表2和表3计算可得紫铜与铅锑合金的阻抗分别为3.5 g/cm2·μs和2.26 g/cm2·μs,而阻抗越大的材料对爆轰波的反射系数也越强,反射波强度也越大,反射波与入射波叠加的压力也越大[15]。因此以紫铜为药型罩可以得到更大的输出压力,进而增强切割索的起爆能力。
2.4 加装密封结构后传爆能力的变化
在传爆过程有无约束会对传爆性能造成影响。曹小青等[16]研究了以45#钢和有机玻璃为约束条件下Jo-9c药柱的压力变化,结果表明以2种材料为约束都增加了炸药的爆压。
为了提高爆炸网络传播节点处的传爆性能,设计了密封结构如图9所示,并在切割索和传爆药柱间隙为2.4 mm的情况下进行了加装密封结构的仿真分析。密封结构材料为45#钢,厚度为2.5 mm,紧密贴合药柱的侧面和上表面。其动态响应特征由Johnson-cook模型和Gruneisen状态方程描述。其材料参数[10]为: ρ=7.8 g/cm3,A=0.49 GPa,B=0.43 GPa,n=0.307,G=81.9 GPa,状态方程参数为C=0.456 9 
图9 密封结构示意图
Fig.9 Schematic diagram of sealing structure
进行仿真分析并查看观测点压力以及反应度情况。
仿真分析得到爆轰波压力以及反应度情况如图10所示。由压力曲线可知4个观测点处的炸药在1.5～4 μs的时间内发生了反应,且逐渐形成了稳定的爆轰波,压力峰值在观测点4处达到,值为23.7 GPa,由观测点1和2处炸药的压力曲线可以看到这2处出现了二次压力峰值。由反应度曲线可以看到炸药的反应度逐渐上升,在观测点4处炸药完全反应。观测点1和观测点2反应度呈现了阶梯状上升,这是因为传爆药除了受切割索产生的爆轰波影响,还受被密封结构反射产生的冲击波影响,这也促使了未完全反应的炸药进行二次反应。
图10 加装密封结构后2.4 mm间隙分析结果
Fig.10 Results of 2.4 mm gap after installing sealing structure
为研究此密封结构对传爆能力的增强效果,以每0.1 mm为间隔进行了传爆间隙2.4 mm以上包含密封结构的仿真分析,结果表明包含密封结构的药柱最大被起爆距离为2.7 mm,与不含密封结构相比传爆间隙增加了0.4 mm。
与未加装密封结构前的仿真结果相比,加装密封结构后传爆药柱压力和反应度均出现了明显上升,传爆药柱被起爆,这表明此种密封结构有助于传爆节点处的爆轰传播。其原理是爆炸中爆轰产物存在多维耗散现象,加装密封结构后爆炸时炸药产生很高的冲击波压力,使得与装药接触的壳体发生不同程度的破坏和变形,从而引起复杂的稀疏波向爆轰产物内部传播[17],相对于爆轰波在空气中传播减少了能量耗散,因此起到了增强传爆能力的作用。
3 结论
对某爆炸切割网络传爆节点处切割索对传爆药柱的传爆过程进行了数值仿真,分析了传爆间隙、药型罩材质和密封结构对传爆性能的影响,得到了以下结论:
1) 传爆间隙越大,切割索越不易引爆传爆药柱,对于本文的切割索和传爆药柱,最大传爆间隙为2.3 mm。
2) 对于本文的切割索和传爆药柱,紫铜药型罩比铅锑合金药型罩的冲击波压力最大提高了5.5%,传爆能力更强。
3) 本文中设计的钢制密封结构有助于提高传爆能力,传爆间隙增加了0.4 mm,相比无密封结构提高了17.4%。
[1] 陈锋,曹始发,王晓勇.聚能切割T形节点传爆性能研究[J].火工品,2021,199(2):10-12.CHEN Feng,CAO Shifa,WANG Xiaoyong.Study on detonation transmission in the T-type node of explosive cutting[J].Initiators and Pyrotechnics,2021,199(2):10-12.
[2] 王作山,刘玉存,张景林,等.约束条件及装药直径对HMX/F2641传爆药爆压影响的实验研究[J].爆炸与冲击,2003,23(3):248-252.WANG Zuoshan,LIU Yucun,ZHANG Jinglin,et al.The effects of restraint condition and charge diameter of booster dynamite HMX/F2641on shock pressure[J].Explosion and Shock Waves,2003,23(3):248-252.
[3] 金丽,于江,兰小东,等.一种爆炸逻辑元件的设计[J].火工品,2009,129(4):27-29.JIN Li,YU Jiang,LAN Xiaodong,et al.Design on an explosive logic element[J].Initiators and Pyrotechnics,2009,129(4):27-29.
[4] MOLITORISJD,ANDRESKI HG,GARZARG,et al.An experimentalinvestigation of detonation corner turning using high resolution radiography[C]//13th International Detonation Symposium,USA,2006.
[5] 郭向利,韩勇,卢校军,等.HMX基和TATB基PBX爆轰波的拐角性能[J].含能材料,2015,23(6):522-526.GUO Xiangli,HAN Yong,LU Xiaojun,et al.Corner performance of detonation waves in HMX-based and TATB-based PBX explosives[J].Chinese Journal of Energetic Materials,2015,23(6):522-526.
[6] 陈锋,曹始发,王晓勇,等.网络切割装置起爆点的设置研究[J].爆破器材,2021,50(6):54-57.CHEN Feng,CAO Shifa,WANG Xiaoyong,et al.Study on setting of the initiation point of network cutting device[J].ExplosiveMaterials,2021,50(6):54-57.
[7] LI L.A new grid method for flow field simulation and fluid-structure interaction problem[D].Shanghai:Shanghai Jiaotong University,2009.
[8] 郑英,邹德波,赵铮.爆炸切割冲击波防护仿真研究[J].兵器装备工程学报,2021,42(10):243-248.ZHENG Ying,ZOU Debo,ZHAO Zheng.Simulation study on shock wave protection of explosive cutting[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2021,42(10):243-248.
[9] 彭建祥.Johnson-Cook本构模型和Steinberg本构模型的比较研究[D].成都:中国工程物理研究院,2006.PENG Jianxiang.Comparative study of Johnson-Cook constitutive model and Steinberg constitutive model[D].Chengdu:China Academy of Engineering Physics,2006.
[10] 辛春亮.有限元分析常用材料参数手册[M].北京:机械工业出版社,2020.XIN Chunliang.Handbook of common material parameters for finite element analysis[M].Beijing:China Machine Press,2020.
[11] 陈继强,褚恩义,吴瑞德,等.靶板硬度对线性聚能切割器侵彻效应的影响[J].火工品,2018,185(6):9-13.CHEN Jiqiang,CHU Enyi,WU Ruide,et al.The influence of target hardness on penetration effect of linear shaped charge cutting cable[J].Initiators and Pyrotechnics,2018,185(6):9-13.
[12] 武双章,顾文彬,李旭锋,等.切割防护门的线型聚能装药参数正交优化设计研究[J].爆破器材,2012,41(5):12-16.WU Shuangzhang,GU Wenbin,LI Xufeng,et al.Study on the orthogonal optimization design of the parameters of linear shaped charge cutting the protective door[J].Explosive materials,2012,41(5):12-16.
[13] 王威,赵铮.聚能切割分离铝平板的仿真与试验研究[J].兵器装备工程学报,2023,44(4):28-32.WANG Wei, ZHAO Zheng.Numerical simulation and experimental research of shaped energy cutting and separating aluminum plates[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2023,44(4):28-32.
[14] 龚文涛,刘健峰,龚先乐,等.线型聚能切割器结构参数优化设计及应用[J].爆破器材,2017,46(6):37-42.GONG Wentao,LIU Jianfeng,GONG Xianle,et al.Structural parameter optimization and application of the linear shaped charge cutter[J].Explosive Materials,2017,46(6):37-42.
[15] 王作山,刘玉存,张景林,等.约束条件对传爆药输出压力的影响[J].火炸药学报,2003,26(2):10-12.WANG Zuoshan,LIU Yucun,ZHANG Jinglin,et al.Effect of restraint conditions on shock pressure of booster[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2003,26(2):10-12.
[16] 曹小青,胡双启,曹雄,等.小尺寸装药直径及约束条件对Jo-9c爆压影响的实验[J].工业安全与环保,2009,35(5):37-40.CAO Xiaoqing,HU Shuangqi,CAO Xiong,et al.Experimental research on the effect of constraint condition and charge diameter on detonation pressure of Jo-9c[J].Industrial Safety and Environmental Protection,2009,35(5):37-40.
[17] 曹雄,焦清介,程松,等.约束条件对微尺寸装药爆轰影响规律研究[J].火工品,2009(4):24-26.CAO Xiong,JIAO Qingjie,CHENG Song,et al.The effects of different restraint conditions on detonation rule of small dimension charge[J].Initiators and Pyrotechnics,2009(4):24-26.