劉 玲,袁俊明,劉玉存,范星海,常雙君,王建華,于雁武
(1.中北大學化工與環(huán)境學院,山西太原030051; 2.陜西應用物理化學研究所,陜西西安710061)
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自制炸藥的沖擊波超壓測試及TNT當量估算
劉玲1,袁俊明1,劉玉存1,范星海2,常雙君1,王建華1,于雁武1
(1.中北大學化工與環(huán)境學院,山西太原030051; 2.陜西應用物理化學研究所,陜西西安710061)
摘要:為評估典型自制炸藥的威力,采用無線存儲測試儀測量了一定質量的雷藥、三過氧化三丙酮(TATP)、六亞甲基三過氧化二胺(HMTD)、高氯酸鉀/鋁及硝酸銨/鋁5種自制炸藥爆炸后不同距離處的沖擊波超壓及衰減規(guī)律。運用非線性顯式動力學軟件AUTODYN建立了TNT炸藥-土壤-空氣域有限元模型,用流固耦合算法計算了不同質量TNT的超壓場,獲得了距離爆心38、58和78cm處TNT炸藥質量-超壓曲線,依據該曲線計算了自制炸藥的TNT當量。結果表明,TATP、HMTD的TNT當量系數計算結果與文獻值基本一致,相對誤差在2%以內。
關鍵詞:爆炸力學;自制炸藥;沖擊波超壓;TNT當量;數值模擬
simulation
引言
自制炸藥一般為自制爆炸物或工業(yè)炸藥的混合物,具有低密度和低爆速等特點,為炸藥當量的估算帶來了困難。估算爆炸物TNT當量的方法主要有理論計算、爆炸試驗和數值模擬等;Locking[1]基于爆熱計算公式得到三過氧化三丙酮(TATP)、六亞甲基三過氧化二胺(HMTD)及B炸藥的TNT當量;Cooper[2]提出平板凹痕的試驗方法;Dusenberry[3]在《建筑抗爆設計手冊》中提出單一變量足以計算出合理的TNT當量曲線;王玉磊等[4]采用地面和空中爆炸沖擊波測試的方法計算出不同測試條件下TNT爆炸沖擊波的經驗公式和B炸藥的TNT當量。Ackland K等[5]運用有限元軟件AUTODYN基于沖擊波超壓和沖量分別計算了塑性炸藥(C4)、銨油炸藥(ANFO)、彭托利特炸藥的TNT當量,提出在涉及鋼結構變形時,利用沖量估算的TNT當量與理論值更為接近。研究表明小藥量自制炸藥在近地處爆炸,不在經驗公式適用的比例距離范圍內,且試驗所得為近地爆炸的地表反射壓,故采用傳統(tǒng)超壓經驗公式計算自制炸藥的TNT當量不能很好地反映實際試驗數據,需對常用的超壓經驗公式進行修正[6]。
本研究通過配制5種典型的自制炸藥,用無線存儲測試儀測得不同距離處的超壓,運用AUTODYN軟件建立TNT炸藥爆炸模型,根據超壓計算值估算自制炸藥的TNT當量,并與文獻的估算結果進行比較,以期為非常規(guī)炸藥的TNT當量估算提供參考。
1實驗
1.1樣品及儀器
自制炸藥樣品:雷藥、三過氧化三丙酮(TATP)、六亞甲基三過氧化二胺(HMTD)、高氯酸鉀/鋁粉、硝酸銨/鋁粉。雷藥、TATP的質量分別為50g,HMTD的質量為20g,高氯酸鉀/鋁粉、硝酸銨/鋁粉混合炸藥的質量均為100g。
CJB-V-01型無線存儲測試儀,中北大學,存儲容量1M字節(jié),采樣頻率1MHz,量程0~1.37MPa。
1.2試驗裝置及場地布置
沖擊波超壓試驗場地布局示意圖如圖1所示。
圖1 沖擊波超壓試驗場地布局示意圖Fig.1 Experiment arrangement of the overpressure test
將沖擊波超壓傳感器按照測試距離分別為38、58、78cm埋入地面,露出其敏感部位。裝有被測爆炸物的紙筒垂直懸掛固定于距離地面一定高度,但需保證爆炸中心與傳感器敏感部分連線和地面夾角小于15°。自制炸藥用電雷管引爆。通過沖擊波超壓傳感器現場測量并記錄其沖擊波超壓,再由計算機處理獲得超壓曲線。
1.3自制炸藥的制備
雷藥采用人工方法將鞭炮里的粉末藥劑剝離出來,配方(質量分數)為:高氯酸鉀50%、硝酸鋇15%、鋁粉15%、鋁鎂合金15%和硫磺5%。
三過氧化三丙酮(TATP)的制備:將30mL丙酮和50mL雙氧水混合均勻后冷卻至5℃,再緩慢加入2.5mL濃硫酸,攪拌5min后冷卻24h,TATP晶體完全析出,冰水反復清洗、烘干。
六亞甲基三過氧化二胺(HMTD)的制備:分3次將4.5g四氮六甲胺加入9g的雙氧水中,分5次將4.5g檸檬酸加入冷卻后的溶液中,將最終溶液冷卻后析出HMTD晶體,將晶體用清水沖洗、烘干。
100g的高氯酸鉀/鋁粉混合炸藥、硝酸銨/鋁粉混合炸藥中鋁粉的含量均為12g,混合均勻。
分別將5種自制炸藥裝填于牛皮紙制作的直徑40mm的圓筒中,輕輕壓實,裝藥密度約為1g/cm3。
1.4試驗結果
TATP在測試距離58cm處的超壓曲線見圖2。5種自制炸藥的超壓峰值(pm)測試結果見表1。
圖2 測試距離58cm處TATP的超壓曲線Fig.2 Overpressure curve of TATP at the distanceof 58cm
自制炸藥pm/MPa38cm58cm78cm雷藥0.8530.3200.253TATP1.2270.4760.347HMTD0.7130.2510.219高氯酸鉀/鋁粉1.7790.5980.422硝酸銨/鋁粉1.1920.4120.302
2數值模擬
2. 1有限元模型的建立及網格劃分
采用AUTODYN軟件建立土壤-空氣域二維對稱計算模型,計算采用mm-mg-ms單位制??諝庥蚣癟NT炸藥采用多物質Euler算法,將TNT炸藥以物質填充的方式填入空氣域??諝庥蜷L1m,高0.7m,空氣域X、Y方向均勻劃分為1000及700個網格單元,土壤厚度為0.2m,長度為0.95m,均勻劃分為20、950個網格單元。爆點設置為藥柱中心,距地面0.15m。土壤底部添加固定邊界,土壤-空氣域邊界采用模擬無限區(qū)域的流出邊界,無反射作用產生。
根據試驗中無線存儲測試儀的分布位置,分別在距爆點38、58和78cm處取3個觀測點,觀測點距地面高度為2cm。計算模型及觀測點分布見圖3。
圖3 TNT裝填位置及超壓峰值觀測點分布Fig.3 Position of TNT charge and gauges
2. 2材料模型及參數
TNT炸藥材料用JWL狀態(tài)方程來描述[11]:
(1)
式中:p為爆轟產物壓力;V為相對體積;E為單位體積的內能;A、B、R1、R2、ω為JWL系數。
TNT炸藥的JWL參數及空氣材料參數均采用AUTODYN軟件自帶參數,分別見表2和表3。
表2 TNT炸藥的JWL參數
表3 空氣材料參數
2.3TNT當量估算
基于沖擊波超壓參數對自制炸藥TNT當量進行估算。利用AUTODYN軟件對不同質量TNT的爆炸場進行數值模擬計算,得到不同距離處沖擊波超壓分布規(guī)律,并根據等距離處具有相同沖擊波超壓峰值的原理,采用公式(2)估算自制炸藥的TNT當量:
(2)
為保持模擬試驗和實際試驗條件一致,假設TNT為圓柱形裝藥,距離土壤地面一定高度,爆炸沖擊波沿土壤地面在無限空氣域中傳播。
由于試驗所用牛皮紙桶對自制炸藥爆炸沖擊波超壓測試影響很小,故在數值模擬試驗中忽略不計。計算方法基于流固耦合法,以質量為2g的TNT炸藥為起點,并以2g為質量步長依次增加TNT藥量,模擬并記錄質量為2~100g時的TNT炸藥在相應觀測點處的超壓峰值。
3計算結果及分析
采用土壤-空氣域二維對稱計算模型,計算出不同時刻TNT炸藥的爆炸沖擊波的壓力云圖,見圖4;由數值模擬結果擬合TNT炸藥的質量—超壓曲線,見圖5。
結合試驗測得的超壓數據,對照圖5中的曲線可得出自制炸藥在相同測試距離處所對應的等效TNT質量,再求得其平均等效TNT質量,結果見表4,通過式(1)即可求得相應的TNT當量系數。自制炸藥的TNT當量及與文獻[8]結果對比見表5。
圖4 不同時刻爆炸沖擊波的壓力云圖Fig.4 Pressure contour for shock wave of detonationat different times
圖5 不同質量的TNT在對應距離處的峰值超壓曲線Fig.5 Overpressure curves of TNT with different massat the corresponding distance
炸藥m/g38cm58cm78cmm/g雷藥22.72525.17926.54724.817DWTATP45.83447.35447.05246.747HMTD18.71115.32616.11316.717高氯酸鉀/鋁粉82.41683.35185.19283.653硝酸銨/鋁粉43.32944.07141.52242.947
表5 兩種方法計算的TNT當量
由表1和圖5可知,實際試驗測試環(huán)境因為氣溫、風向及地面反射,會對試驗結果產生一定影響,在實際爆炸中,爆炸初期空氣被嚴重壓縮(最大壓縮約11倍),高溫氣體中因電離、離解和分子結合等過程衰減較快,而數值模擬軟件以一種理想狀態(tài)來模擬藥柱在近地面爆炸,故使用數值模擬方法估算所得的結果與試驗測試結果存在一定偏差。
文獻[8]利用AUTODYN軟件計算出質量為1kg球型裝藥的TATP及HMTD的超壓,并提出基于超壓的TATP和HMTD的TNT當量分別為0.920、0.820。本研究得到的TATP、HMTD的TNT當量分別為0.933及0.836,與文獻[8]計算結果基本一致,說明數值計算結果的可信度較高。
4結論
(1)用無線存儲超壓測試儀測試了雷藥、TATP、HMTD、高氯酸鉀/鋁粉、硝酸銨/鋁粉5種自制炸藥的超壓,得到不同距離處的沖擊波超壓分布規(guī)律。
(2)采用AUTODYN軟件建立了土壤-空氣域二維對稱計算模型,計算了不同質量TNT在等距離處的超壓峰值,得到質量-超壓曲線,從而估算出自制炸藥的TNT當量,其中,TATP、HMTD的TNT當量計算值與文獻計算的TNT當量基本吻合,相對誤差在2%以內。
(3)對于低密度、低爆速的非常規(guī)自制炸藥,利用基于沖擊波超壓參數的數值計算方法可行,其計算結果較準確。
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Shock Wave Overpressure Test and Evaluation of TNT Equivalent
of Self-made Explosives
LIU Ling1, YUAN Jun-ming1, LIU Yu-cun1, FAN Xing-hai2, CHANG Shuang-jun1, WANG Jian-hua1, YU Yan-wu1
(1.School of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Taiyuan 030051,China;
2.Shannxi Applied Physicochemical Research Institute, Xi′an 710061, China)
Abstract:To evaluate the power of typical self-made explosives, the overpressure and attenuation rule at different distances after the explosion of five kinds of self-made explosives: fireworks, TATP, HMTD, KClO4/Al, NH4NO3/Al with a certain mass were measured by a wireless memory tester. An infinite element wedge model of TNT explosive-soil-airdomain was established by a nonlinear explicit dynamics software AUTODYN. The overpressure field of TNT with different mass was calculated with the fluid-solid coupling algorithms. The TNT mass-overpressure curves at the distance of 38, 58 and 78cm from explosion center were obtained . The TNT equivalents of self-made explosives were estimated based on the TNT mass-overpressure curves. Results show that the computed results of TNT equivalent coefficient for TATP and HMTD are in agreement with the literature ones, and the relative error is within 2%.
Keywords:explosion mechanics; self-made explosives; shock wave overpressure; TNT equivalent; numerical
通訊作者:袁俊明(1979-),男,副教授,從事含能材料制備與性能計算。
作者簡介:劉玲(1988-),女,碩士研究生,從事自制炸藥性能研究。
基金項目:火炸藥青年基金(08020401-4)
收稿日期:2014-08-08;修回日期:2015-01-13
中圖分類號:TJ55; TQ560
文獻標志碼:A
文章編號:1007-7812(2015)02-0050-04
DOI:10.14077/j.issn.1007-7812.2015.02.011