PBX-01炸藥水中爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程研究

魏賢鳳，龍新平，韓 勇

(1.中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽(yáng) 621999； 2.中國(guó)工程物理研究院，四川 綿陽(yáng) 621999)

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PBX-01炸藥水中爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程研究

魏賢鳳1，龍新平2，韓 勇1

(1.中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽(yáng) 621999； 2.中國(guó)工程物理研究院，四川 綿陽(yáng) 621999)

提出通過(guò)水中實(shí)驗(yàn)確定炸藥的水中爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程參數(shù)的方法；選擇PBX-01高能炸藥進(jìn)行水中實(shí)驗(yàn)，利用ANSYS/LS-DYNA程序建立炸藥的水中實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將?shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確定PBX-01炸藥水中爆轟產(chǎn)物的JWL狀態(tài)方程參數(shù)。研究結(jié)果顯示，圓筒實(shí)驗(yàn)確定的JWL參數(shù)在反映炸藥水中爆轟產(chǎn)物的膨脹狀態(tài)時(shí)有所不足，水中實(shí)驗(yàn)確定的JWL狀態(tài)方程參數(shù)能夠更準(zhǔn)確地描述PBX-01炸藥水中爆轟產(chǎn)物的膨脹過(guò)程，因此對(duì)水中爆炸的研究需要通過(guò)水中爆炸實(shí)驗(yàn)建一套狀態(tài)方程參數(shù)。

爆炸力學(xué)；狀態(tài)方程；水下爆炸；爆轟產(chǎn)物

炸藥水中爆炸實(shí)驗(yàn)(水中實(shí)驗(yàn))是研究非理想炸藥能量釋放特性的一種重要方法，炸藥水中爆炸效應(yīng)研究對(duì)水中兵器、軍事彈藥和水下爆破研究都有極大的幫助。水中實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驈浹a(bǔ)沖擊臼法和鉛塊法的不足，對(duì)藥量少于10 g便不能完全爆炸的炸藥做功能力進(jìn)行測(cè)試[1]。水中爆炸對(duì)炸藥能量釋放的測(cè)試不同于空氣中的實(shí)驗(yàn)。水中爆炸能量分為3部分：炸藥的沖擊波能、氣泡能和加熱水所消耗的能量，三部分結(jié)合才能對(duì)炸藥爆炸產(chǎn)生的總能量進(jìn)行評(píng)估[2-5]。目前水中爆炸的相關(guān)研究大多集中在水中爆炸做功能力和水中爆炸毀傷效應(yīng)2方面，對(duì)于水中爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程的基礎(chǔ)研究工作則極少報(bào)道[6]。

JWL狀態(tài)方程是重要的爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程，能夠?qū)φㄋ幈Z產(chǎn)物的膨脹作功過(guò)程進(jìn)行精確的描述[7]。圓筒實(shí)驗(yàn)是測(cè)試炸藥爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程參數(shù)的主要方法，由于實(shí)驗(yàn)材料的限制，圓筒實(shí)驗(yàn)采用的銅制圓筒在爆炸反應(yīng)的中后期會(huì)發(fā)生破裂，測(cè)試時(shí)間有限[8]，所以通過(guò)圓筒實(shí)驗(yàn)無(wú)法獲得爆炸反應(yīng)后期的產(chǎn)物膨脹過(guò)程，因此根據(jù)圓筒實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合的JWL參數(shù)能否準(zhǔn)確反應(yīng)爆轟產(chǎn)物中后期的能量釋放特性存在疑問(wèn)。在水中爆炸實(shí)驗(yàn)中，水介質(zhì)可被看作無(wú)限大的殼體，在較長(zhǎng)時(shí)間(毫秒量級(jí))內(nèi)不會(huì)發(fā)生破裂，炸藥爆轟產(chǎn)物將從高溫高壓狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷刂袎籂顟B(tài)，甚至高溫常壓和負(fù)壓狀態(tài)。因此，對(duì)水中爆炸效應(yīng)的研究需要能夠反映爆炸中后期(中低壓狀態(tài))產(chǎn)物膨脹特性的參數(shù)，由于圓筒實(shí)驗(yàn)僅能準(zhǔn)確描述爆炸前期(高溫、高壓狀態(tài))產(chǎn)物的膨脹，所以對(duì)炸藥在水中的爆炸現(xiàn)象進(jìn)行研究時(shí)不能依賴(lài)圓筒實(shí)驗(yàn)所得JWL參數(shù)。

龍新平等[9]研究發(fā)現(xiàn)，PBX-01炸藥在水中爆炸時(shí)，水不會(huì)發(fā)生汽化，爆轟產(chǎn)物與水之間界面清晰。因此本文中進(jìn)行PBX-01炸藥的水中爆炸實(shí)驗(yàn)，通過(guò)高速掃描相機(jī)記錄爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)水介質(zhì)膨脹的過(guò)程，并利用ANSYS/LS-DYNA程序建立炸藥的水中實(shí)驗(yàn)爆炸模型，通過(guò)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確定PBX-01炸藥水中爆轟產(chǎn)物的JWL狀態(tài)方程參數(shù)，并將確定的JWL參數(shù)應(yīng)用于模擬PBX-01炸藥爆轟驅(qū)動(dòng)水的實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證狀態(tài)方程參數(shù)的有效性。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

圖1 炸藥水中實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of underwater explosion test

實(shí)驗(yàn)用PBX-01炸藥(主要成分為HMX)密度1.86 g/cm3、爆壓36.8 GPa、爆速8.87 km/s。為了便于與圓筒實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，本文中PBX-01炸藥采用與標(biāo)準(zhǔn)圓筒實(shí)驗(yàn)相同的?25.4 mm的藥柱。實(shí)驗(yàn)所用測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。藥柱置于支架中心位置，光源采用氬氣光源，采用延時(shí)同步起爆裝置控制PBX-01炸藥及光源炸藥的起爆時(shí)間。用高速轉(zhuǎn)鏡相機(jī)記錄爆轟產(chǎn)物在水介質(zhì)中的膨脹運(yùn)動(dòng)過(guò)程，相機(jī)轉(zhuǎn)速為30 000 r/min，掃描速度為1.5 km/s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)值分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

高速攝像機(jī)記錄的掃描底片如圖2所示，爆轟產(chǎn)物與水之間的界面十分清晰。圖2中A1為膨脹起始點(diǎn)，A1A3為沖擊波跡線，A2A4為爆轟產(chǎn)物膨脹跡線。圖3是文獻(xiàn)[10]中含鋁炸藥圓筒實(shí)驗(yàn)的高速攝像機(jī)記錄的掃描底片圖，A5為膨脹起始點(diǎn)，A5A6是爆轟產(chǎn)物膨脹跡線。對(duì)比水中實(shí)驗(yàn)掃描底片圖2與圓筒實(shí)驗(yàn)掃描底片圖3，水中實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物膨脹跡線A1A2段不能顯示，無(wú)法讀數(shù)，只能由A2點(diǎn)讀起，圓筒實(shí)驗(yàn)則從膨脹起始點(diǎn)A5起至A6點(diǎn)均能讀出，但是水中實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間要長(zhǎng)于圓筒實(shí)驗(yàn)。

圖2 PBX-01炸藥水中爆轟產(chǎn)物膨脹的高速掃描底片F(xiàn)ig.2 Photograph of the underwater detonation products expansion process

圖3 圓筒壁膨脹的掃描底片F(xiàn)ig.3 Photograph of the cylinder expansion process

采用龍新平[11]確定的PBX-01炸藥圓筒實(shí)驗(yàn)的JWL狀態(tài)方程參數(shù)及本文通過(guò)水中實(shí)驗(yàn)確定的PBX-01炸藥爆轟產(chǎn)物的JWL狀態(tài)方程參數(shù)，如表1所示，其中：A、B、R1、R2和ω狀態(tài)方程的待定參數(shù)，E0為初始比內(nèi)能。

表1 PBX-01炸藥爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程參數(shù)

2.2 數(shù)值分析

采用ANSYS/LS-DYNA程序建立水中實(shí)驗(yàn)爆炸模型，如圖4所示。JWL狀態(tài)方程為：

(1)

式中：p為壓力，vg為氣體產(chǎn)物的比容，E為比內(nèi)能。在計(jì)算中，對(duì)炸藥采用高能炸藥燃燒模型(MAT-HIGH EXPLOSIVE-BURN)，水采用Grüneisen狀態(tài)方程描述[12]：

(2)

式中：ρ為密度，c為體積聲速，μ為應(yīng)力波傳播速度，γ0為Grüneisen常數(shù)，a是γ0的一階體積修正，s1、s2、s3是μ-p曲線的斜率系數(shù)[13]。玻璃選用理想彈塑性材料：密度為2.3 g/cm3，剪切模量為4 GPa，屈服強(qiáng)度為0.12 GPa[14]。

將圓筒實(shí)驗(yàn)和水中實(shí)驗(yàn)確定的JWL狀態(tài)方程參數(shù)(見(jiàn)表1)用于水中實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬，計(jì)算得到測(cè)試點(diǎn)爆轟產(chǎn)物膨脹的位移(d)-時(shí)間關(guān)系曲線，并與水中實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，圓筒實(shí)驗(yàn)確定的JWL參數(shù)用于圖4的水中實(shí)驗(yàn)數(shù)值模擬時(shí)(圖4)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值存在一定的偏差，尤其是在爆炸初期。對(duì)部分時(shí)間點(diǎn)的差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：爆轟初期3.5 μs時(shí)二者差值為1.02 mm，約為實(shí)驗(yàn)值的14%；產(chǎn)物傳播至10.4 μs時(shí)，二者差值為1.32 mm，約為實(shí)驗(yàn)值的9.6%；傳播至膨脹中期17～25 μs時(shí)二者差值逐漸減小；傳播至25～30 μs時(shí)二者位移差出現(xiàn)交叉；至43 μs時(shí)差值為0.92 mm，約為實(shí)驗(yàn)值的3.6%。上述數(shù)據(jù)說(shuō)明，圓筒實(shí)驗(yàn)確定的JWL參數(shù)在反映炸藥水中爆轟產(chǎn)物的膨脹狀態(tài)時(shí)有所不足(通過(guò)圓筒實(shí)驗(yàn)擬合JWL參數(shù)時(shí)要求實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值誤差小于1%)。本文中認(rèn)為造成爆轟前期存在偏差的原因可能有以下2點(diǎn)：(1) 根據(jù)圖2所示，水中實(shí)驗(yàn)爆轟產(chǎn)物膨脹初期有可能受到?jīng)_擊波的影響，導(dǎo)致讀數(shù)誤差較大，因此圓筒實(shí)驗(yàn)確定的JWL參數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確描述水中爆轟產(chǎn)物初期的膨脹過(guò)程；(2) 圓筒實(shí)驗(yàn)與水中實(shí)驗(yàn)所用材料不同，即銅與水性質(zhì)不同，因此爆炸前期2種實(shí)驗(yàn)爆轟產(chǎn)物傳播軌跡不同。由圖5可以看出，圓筒實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果與水中實(shí)驗(yàn)值后期相比偏高，其原因可能是因?yàn)椋杭词故窃诒Z產(chǎn)物傳播至30 μs時(shí)，水介質(zhì)仍未破裂，因此30 μs后水對(duì)爆轟產(chǎn)物的傳播仍然存在束縛作用。本文中在處理數(shù)據(jù)時(shí)可能存在實(shí)驗(yàn)誤差，5 μs時(shí)實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值差1%，25 μs時(shí)實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值差0.2%，43 μs時(shí)實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值差0.3%，但比較圖5中的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算結(jié)果，本文中所用水中實(shí)驗(yàn)確定的JWL狀態(tài)方程參數(shù)能夠更準(zhǔn)確的描述PBX-01炸藥水中爆轟產(chǎn)物的膨脹過(guò)程。

如圖5所示，本文水中實(shí)驗(yàn)對(duì)水中爆轟產(chǎn)物膨脹過(guò)程記錄的有效時(shí)間達(dá)到40 μs以上，能夠?qū)ΡZ產(chǎn)物膨脹過(guò)程的中后期進(jìn)行描述。圓筒實(shí)驗(yàn)是在空氣中進(jìn)行的，其對(duì)爆轟產(chǎn)物的膨脹過(guò)程描述的有效時(shí)間僅在20 μs左右，考慮到炸藥爆炸時(shí)水介質(zhì)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生破裂，所以，確定炸藥的水中爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程參數(shù)應(yīng)用水中實(shí)驗(yàn)的方法更為可行。

圖4 PBX-01炸藥水中實(shí)驗(yàn)計(jì)算模型示意圖Fig.4 Underwater explosion test model of PBX-01 explosive

圖5 PBX-01炸藥爆轟產(chǎn)物膨脹位移曲線與水中實(shí)驗(yàn)值Fig.5 Calculated and tested expansion distance-time curves in underwater explosion test of PBX-01 explosive

3 結(jié) 論

本通過(guò)水中實(shí)驗(yàn)確定的JWL狀態(tài)方程參數(shù)對(duì)水中爆炸過(guò)程的描述更接近實(shí)際情況。水中實(shí)驗(yàn)不能替代圓筒實(shí)驗(yàn)，但是與圓筒實(shí)驗(yàn)相比，水中實(shí)驗(yàn)更適用于炸藥水中爆炸效應(yīng)的分析。

水中實(shí)驗(yàn)法確定水中爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程方法的建立，對(duì)于常用于水下爆炸的炸藥(如含鋁炸藥)的水中爆炸效應(yīng)分析和水中兵器的應(yīng)用研究具有重要意義。

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(責(zé)任編輯 王小飛)

Studies on the state equation of the underwater detonation products for PBX-01 explosive

Wei Xian-feng1, Long Xin-ping2, Han Yong1

(1.InstituteofChemicalMaterials,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621999,Sichuan,China; 2.ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621999,Sichuan,China)

A method was raised by taking out the underwater explosion test to determin the JWL state equation parameters of detonation products. The PBX-01 explosive was applied and a calculating model of underwater explosion test was established by using ANSYS/LS-DYNA program. The JWL state equation parameters of detonation products for PBX-01 explosive were determined according to the comparison of the experimental and numerical results. Parameters determined by underwater explosion test and cylinder expansion test were used for detonation products driving water test. The results show that the underwater explosion test numerical simulation is accordant better in initial stage. Specially appointed patameters need to be established in the underwater explosions.

mechanics of explosion; equation of state; underwater explosion; detonation products

10.11883/1001-1455(2015)04-0599-04

2013-12-25；

2014-03-26

魏賢鳳(1984- )，女，博士研究生； 通訊作者： 龍新平，longxinping@vip.sina.com。

O381；TJ55 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

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