過載環(huán)境下炸藥裝藥點(diǎn)火過程的數(shù)值模擬

高家樂，周 霖，苗飛超,2，張向榮，李東偉,，倪 磊，朱英中，江 濤

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081；2.安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南232001；3.重慶紅宇精密工業(yè)集團(tuán)有限公司，重慶 402760)

引言

炸藥在運(yùn)輸和使用過程中承受著各種各樣的過載，包括跌落、撞擊、發(fā)射、侵徹等，在這些狀態(tài)下，炸藥處于復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境中，存在意外點(diǎn)火的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響炸藥性能的發(fā)揮以及人員安全，因此研究炸藥在過載條件下的點(diǎn)火機(jī)制尤為重要。

鉆地武器以地下工事為目標(biāo)，其在侵徹混凝土過程中應(yīng)力小于1GPa，脈寬在毫秒量級[1]，這種情況下炸藥即使所受壓力低于沖擊起爆閾值，也有可能發(fā)生延遲爆轟。戰(zhàn)斗部侵徹混凝土目標(biāo)靶板過程中，戰(zhàn)斗部炸藥裝藥將發(fā)生較大的宏觀變形。這一變形產(chǎn)生的原因包括彈丸在靶板滯止作用下產(chǎn)生的慣性沖擊載荷作用和來自彈丸殼體的擠壓作用。這是一種復(fù)雜的壓縮-剪切復(fù)合作用。陳朗等[2]在連續(xù)低沖擊加載炸藥的雙隔板實(shí)驗(yàn)中，觀察到了JO-9159炸藥延遲起爆(XDT)現(xiàn)象；柯加山等[3]介紹了研究XDT現(xiàn)象的試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法；但均未建立以細(xì)觀損傷為基礎(chǔ)的描述炸藥宏觀力學(xué)行為的模型。

目前研究機(jī)械刺激對炸藥抗過載性能的影響主要通過撞擊感度、摩擦感度、大型外場試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的加載裝置等手段。撞擊感度和摩擦感度的試驗(yàn)樣品為炸藥顆粒/粉末，顆粒/粉末狀的樣品與炸藥裝藥在力學(xué)響應(yīng)上有很大差別；大型外場試驗(yàn)受成本限制，嚴(yán)重影響著研究進(jìn)度。北京理工大學(xué)黃正平教授研制了小型后座模擬器[4]，西安近代化學(xué)研究所研制了大落錘試驗(yàn)裝置[5]，兩者的試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)類似，存在藥柱不能徑向變形的問題。中國工程物理研究院研制的落錘儀[6]，該試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)在被試藥柱周向增加了聚四氟乙烯緩沖墊，但聚四氟乙烯直接與藥柱接觸，在試驗(yàn)打擊過程產(chǎn)生的高溫環(huán)境下聚四氟乙烯可能會(huì)誘導(dǎo)藥柱發(fā)生反應(yīng)，會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果。鑒于以上試驗(yàn)裝置的局限性，基于對戰(zhàn)斗部侵徹混凝土靶板炸藥裝藥響應(yīng)特點(diǎn)的研究，北京理工大學(xué)周霖教授團(tuán)隊(duì)[7]發(fā)明了一種炸藥抗過載性能評估裝置，炸藥裝藥在侵徹過程中由于戰(zhàn)斗部殼體發(fā)生彈塑性變形迫使與殼體接觸的炸藥發(fā)生較大剪切-壓縮變形，該過程炸藥受到壓縮-剪切-摩擦作用，此裝置基本可以模擬炸藥裝藥在侵徹等過程中所承受的加載環(huán)境。

炸藥抗過載性能評估裝置可以得到炸藥裝藥的響應(yīng)，但炸藥點(diǎn)火機(jī)制很難通過試驗(yàn)得到。目前炸藥的點(diǎn)火機(jī)制主要包括孔洞塌縮和剪切摩擦等，前者是炸藥孔洞塌縮過程中黏塑性功轉(zhuǎn)化為熱量導(dǎo)致的熱點(diǎn)，后者為剪切力大于裂紋面靜摩擦力后兩側(cè)裂紋相對滑動(dòng)產(chǎn)生摩擦熱導(dǎo)致熱點(diǎn)生成。研究炸藥的點(diǎn)火機(jī)制需要建立相應(yīng)的模型。準(zhǔn)確描述炸藥在低壓下的力學(xué)行為是預(yù)測延遲爆轟現(xiàn)象的前提。對炸藥而言，采用簡單的黏彈性模型就可以很好地描述炸藥在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線[8]。但是，當(dāng)炸藥開始發(fā)生損傷、接近失效時(shí)，簡單的黏彈性模型已經(jīng)不再適用，此時(shí)需要向黏彈性模型中加入損傷變量?；谌毕莩珊嗽鲩L的概念，Seaman[9]提出一種用于描述材料在射彈撞擊、爆炸等加載條件下材料動(dòng)態(tài)斷裂過程的模型。該模型不僅能夠計(jì)算韌性斷裂問題，還能對脆性斷裂問題進(jìn)行計(jì)算。在對兩種問題進(jìn)行計(jì)算時(shí)，分別稱為DFRACT(Ductile Fracture)和 BFRACT(Brittle Fracture)模型。炸藥的失效應(yīng)變較小，在動(dòng)態(tài)加載條件下往往發(fā)生脆性斷裂，可以采用BFRACT模型描述，不過BFRACT模型只允許單一的裂紋取向[10]。Dienes[11]計(jì)算了不同的熱點(diǎn)機(jī)理對熱點(diǎn)處釋放出熱量的貢獻(xiàn)，結(jié)果表明剪切摩擦是熱點(diǎn)形成的主要原因。據(jù)此，Dienes[12]提出SCRAM(Statistical Crack Mechanics)模型，該模型可以描述炸藥的熔化、點(diǎn)火、慢速反應(yīng)和快速反應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明[13]SCRAM模型能夠較好地描述炸藥的動(dòng)態(tài)損傷力學(xué)響應(yīng)，并能夠用于模擬XDT現(xiàn)象。但SCRAM模型存在參數(shù)過多很難應(yīng)用的問題，因此Addessio和Johnson[14]對模型中裂紋進(jìn)行了各向同性處理并簡化了裂紋分布函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，Bennett等[15]將Maxwell黏彈性模型和簡化后的SCRAM模型串聯(lián)起來，建立了Visco-SCRAM模型。該模型已經(jīng)成功應(yīng)用于炸藥在剪切[16]、侵徹[17]、撞擊[18]等作用下的點(diǎn)火過程。

綜上，Visco-SCRAM模型假定剪切摩擦是炸藥的點(diǎn)火機(jī)制，但炸藥裝藥在抗過載性能評估試驗(yàn)中的點(diǎn)火機(jī)制是否同樣是剪切摩擦，這是本研究的主要內(nèi)容。本研究基于所發(fā)明的抗過載性能評估裝置的主體結(jié)構(gòu)，建立了裝置的仿真模型，采用Visco-SCRAM模型描述炸藥的力學(xué)及熱學(xué)行為，將Visco-SCRAM模型以二次開發(fā)的方式嵌入LS-DYNA，通過LS-DYNA對DNAN基熔注炸藥(RBHL-1)在過載條件下的響應(yīng)過程進(jìn)行計(jì)算，并在此裝置上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以揭示炸藥裝藥在過載條件下的點(diǎn)火機(jī)制，為建立炸藥抗過載性能測試與表征方法提供科學(xué)依據(jù)。

1 評估裝置及炸藥點(diǎn)火模型

1.1 抗過載性能評估裝置

炸藥抗過載性能評估裝置主體部分結(jié)構(gòu)示意圖見圖1[7]。主要技術(shù)參數(shù)如下：裝置最大高度1.6m，裝置總質(zhì)量638kg，重錘質(zhì)量46kg，最大自由程250mm，最大打擊速度15m/s，過載(2～3)×104g，最大試樣直徑Φ30mm，可提供最大應(yīng)力1.6GPa，脈寬2ms左右。

圖1 抗過載性能評估裝置結(jié)構(gòu)示意圖

北京理工大學(xué)黃正平教授研制的小型后座模擬器[4]及西安近代化學(xué)研究所研制的大落錘試驗(yàn)裝置[5]的試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)示意圖見圖2左圖，該試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)在被試藥柱上下端面增加了聚乙烯緩沖墊避免了邊角摩擦，然而藥柱周向與剛性模套直接接觸，試驗(yàn)時(shí)炸藥與模套內(nèi)部會(huì)發(fā)生摩擦作用，同時(shí)，在剛性周向約束下炸藥只有軸向應(yīng)變，無法模擬侵徹加載。圖2右圖試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)藥柱上下端面及周向均有聚乙烯材料的保護(hù)，隔絕了炸藥直接與金屬材料接觸，避免了炸藥與金屬材料的摩擦，同時(shí)避免了被試藥柱擠入模套與沖頭之間的間隙中，導(dǎo)致意外點(diǎn)火，影響試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性；聚乙烯緩沖層在打擊作用下近似為流體狀態(tài)，將會(huì)從沖頭與模套之間的間隙中擠出，產(chǎn)生較大變形，這種情況炸藥能夠產(chǎn)生軸向和徑向變形。由于在整個(gè)變形過程中炸藥藥柱一直處于聚乙烯環(huán)的約束下，因此裝藥承受了較大的壓縮剪切載荷。該試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)可以模擬戰(zhàn)斗部裝藥在侵徹靶板過程中受到慣性沖擊載荷而發(fā)生剪切壓縮變形及變形過程炸藥顆粒之間的摩擦作用。

圖2 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)時(shí)將氣缸-重錘打擊系統(tǒng)、試件承載系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、氣路及控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)連接好，通過壓縮空氣瓶向連接有耐壓管的氣缸-重錘打擊系統(tǒng)充入壓縮空氣，重錘與氣缸通過鋁合金剪切銷釘連接，通過剪切銷釘剪切面直徑大小和自由程來控制重錘的打擊速度，對應(yīng)速度見表1。當(dāng)氣缸內(nèi)的壓力超過剪切銷的抗剪強(qiáng)度時(shí)重錘被釋放，氣缸內(nèi)壁給重錘的運(yùn)動(dòng)提供了軌道，重錘沿著氣室內(nèi)壁向下運(yùn)動(dòng)，以一定的速度打擊上沖頭。上沖頭位于一個(gè)模套內(nèi)，上沖頭在重錘的打擊作用下沿約束套筒內(nèi)壁向下運(yùn)動(dòng)。上沖頭非打擊端放置有被測炸藥樣品，通過上沖頭，將重錘的打擊力傳遞至炸藥樣品，被試炸藥樣品在打擊壓縮作用下產(chǎn)生響應(yīng)，并將受到的載荷傳遞至被試炸藥樣品底部的壓力傳感器。信號通過放大器，傳遞至數(shù)字示波器，進(jìn)行采集、記錄。

表1 重錘打擊速度的調(diào)節(jié)

重錘以不同的打擊速度加載時(shí)，炸藥有一定的概率點(diǎn)火，借鑒落錘試驗(yàn)50%爆炸特性落高的概念，此處取炸藥50%概率發(fā)生點(diǎn)火的加載速度為閾值速度，由于抗過載性能評估裝置速度的調(diào)節(jié)不是連續(xù)的，所以一般得到的是閾值速度區(qū)間。對DNAN基熔注炸藥(RBHL-1)試驗(yàn)時(shí)，從6.66m/s的打擊速度開始試驗(yàn)，每個(gè)速度進(jìn)行10發(fā)試驗(yàn)，若點(diǎn)火概率低于50%，繼續(xù)增加速度，直至點(diǎn)火概率不低于50%。

1.2 Visco-SCRAM模型

圖3為炸藥典型的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，炸藥沒有屈服時(shí)是線彈性的，可以采用Hooke定律描述，超過屈服強(qiáng)度至失效前為硬化段，然后是軟化段。以不同應(yīng)變率加載時(shí)炸藥的力學(xué)行為具有明顯的差異。因此采用Visco-SCRAM模型描述炸藥力學(xué)行為，模型由黏彈性模型和統(tǒng)計(jì)裂紋模型兩部分組成。黏彈性部分可以描述炸藥彈性段和硬化段的力學(xué)行為以及應(yīng)變率效應(yīng)，統(tǒng)計(jì)裂紋部分可以描述炸藥的軟化行為。

圖3 炸藥單軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線

1.2.1 力學(xué)模型

(1)

廣義Maxwell黏彈性模型給出黏彈性偏應(yīng)變與偏應(yīng)力的關(guān)系為：

(2)

(3)

式中：G(k)和τ(k)分別為第k個(gè)Maxwell體的剪切模量和松弛時(shí)間；G∞為松弛時(shí)間無窮大時(shí)的剪切模量。在各向同性條件下，SCRAM模型的損傷偏應(yīng)變[14]為:

(4)

(5)

式中：c為裂紋平均半徑；a是c的歸一化參數(shù)，使得c/a為無量綱參數(shù)。式(1)～(5)構(gòu)成了Visco-SCRAM模型的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，確定c的表達(dá)式后就可以求解Visco-SCRAM模型。

裂紋的擴(kuò)展是由裂紋尖端附近的應(yīng)力場驅(qū)動(dòng)的。斷裂力學(xué)理論[19]定義的應(yīng)力強(qiáng)度因子可以反映裂紋附近的應(yīng)力狀態(tài)。在三維應(yīng)力狀態(tài)下，“I”型裂紋即張開型裂紋的有效應(yīng)力強(qiáng)度因子KI的定義為：

(6)

(7)

式中：vR為Rayleigh波速。當(dāng)應(yīng)力較高時(shí)，裂紋失穩(wěn)并高速擴(kuò)展，擴(kuò)展速度可以寫為[19]：

(8)

(9)

(10)

Hackett和Bennett[22]進(jìn)一步考慮了摩擦對裂紋擴(kuò)展的影響，則式(9)中的K0需要用K0μ來替換。K0μ的表達(dá)式為：

(11)

式中：μs為炸藥的靜摩擦系數(shù)。

1.2.2 熱學(xué)模型

在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)[23]框架下，導(dǎo)熱微分方程的表達(dá)式為：

(12)

基體炸藥的熔化采用Bonnett[25]的等效比熱法描述，假設(shè)熔化發(fā)生在一定的溫度范圍內(nèi)，并且包含相變潛能的等效比熱在該溫度范圍內(nèi)快速變化，其形式如下：

(13)

炸藥在外界刺激下的熱源項(xiàng)主要為化學(xué)反應(yīng)放熱和剪切摩擦生熱。導(dǎo)熱微分方程主要用來計(jì)算炸藥點(diǎn)火前的熱傳導(dǎo)行為，在此期間化學(xué)反應(yīng)消耗的炸藥量幾乎可以忽略，故采用簡單的Arrhenius反應(yīng)速率方程就可以描述炸藥的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程。則化學(xué)反應(yīng)對應(yīng)的熱源項(xiàng)表達(dá)式為：

rreact=ρΔHZexp(-Ea/RT)

(14)

式中：ΔH為炸藥單位質(zhì)量反應(yīng)熱；Z為指前因子；Ea為活化能；R為普適氣體常數(shù)。

Visco-SCRAM模型認(rèn)為微觀裂紋是炸藥發(fā)生損傷的原因，每個(gè)計(jì)算單元中均存在一個(gè)微裂紋，故裂紋面即為最大應(yīng)變率所在平面。此外，在Visco-SCRAM模型中，剪切摩擦是炸藥點(diǎn)火的控制機(jī)理，則剪切摩擦對應(yīng)的熱源項(xiàng)表達(dá)式為：

rfrict=μp?vx/?y

(15)

式中：μ為炸藥動(dòng)摩擦系數(shù)；?vx/?y為裂紋面法線方向的速度梯度，即最大偏應(yīng)變率。

因此，在計(jì)算rfrict時(shí)，首先需要對偏應(yīng)變率張量進(jìn)行特征值問題求解，得到最大偏應(yīng)變率的特征方向。進(jìn)一步求解此特征方向上的偏應(yīng)力，檢驗(yàn)其是否大于最大靜摩擦力，若大于則放熱，否則不放熱。若裂紋尺寸為lf，則總熱源項(xiàng)的表達(dá)式為：

(16)

至此，可以通過Visco-SCRAM模型判斷炸藥在過載環(huán)境下是否會(huì)點(diǎn)火以及點(diǎn)火位置。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)值模擬計(jì)算及結(jié)果

以二次開發(fā)的方法將Visco-SCRAM模型嵌入LS-DYNA，并進(jìn)行過載環(huán)境下的模擬。單位制cm-g-μs，裝置主要部分均為回轉(zhuǎn)體，因此為節(jié)省計(jì)算時(shí)間采用二維軸對稱模型對裝置進(jìn)行建模。計(jì)算模型和各部分尺寸見圖4。

圖4 計(jì)算模型

計(jì)算模型對裝置進(jìn)行了簡化，主要包含重錘、上下沖頭、側(cè)向約束和試件系統(tǒng)。重錘、上下沖頭、側(cè)向約束的材質(zhì)均為鋼，其中上下沖頭材質(zhì)為高強(qiáng)度合金鋼。試件系統(tǒng)由待測炸藥、鋼緩沖墊、聚乙烯緩沖墊和聚乙烯側(cè)向約束組成。

計(jì)算時(shí)，重錘以某個(gè)初始速度撞擊上沖頭，隨后應(yīng)力波在上下沖頭和試件中來回傳播。由于下沖頭與支撐系統(tǒng)連接，下沖頭底部沒有軸向位移。因此在初始階段炸藥的應(yīng)力逐漸增加，重錘速度逐漸減小。當(dāng)重錘速度為零時(shí)，炸藥開始卸載，應(yīng)力逐漸減小直至完全卸載。整個(gè)過程中，只有試件系統(tǒng)變形較大。由于側(cè)向鋼約束的存在，試件的變形主要是軸向變形。在試驗(yàn)的打擊速度范圍內(nèi)，試件的軸向變形不超過30%。因此，整個(gè)計(jì)算模型采用Lagrange算法進(jìn)行求解。

在確定了計(jì)算模型和算法后，還需要確定各部分的材料模型和狀態(tài)方程。重錘、上下沖頭、側(cè)向約束在整個(gè)過程中變形較小，故均采用線彈性模型。試件中的壓力高、變形大，故試件中的鋼和聚乙烯均采用含有狀態(tài)方程的材料模型。DNAN基熔注炸藥(RBHL-1)的Visco-SCRAM模型參數(shù)見表2。

表2 Visco-SCRAM模型參數(shù)

參數(shù)1～24：BLK(體積模量)、GINF(彈性彈簧剪切模量)、Gi(第i個(gè)Maxwell單元的剪切模量)、TAUi(第i個(gè)Maxwell單元的松弛時(shí)間)等力學(xué)參量均由SHPB試驗(yàn)和準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)定得到，并將XNUM(Maxwell單元數(shù)量)設(shè)為9；RBHL-1的基體炸藥為DNAN，DNAN熔化相關(guān)參數(shù)為T1(相變初始溫度)、T2(相變終止溫度)、QPT(M)(單位質(zhì)量的相變潛熱)，上述參數(shù)的選取參考文獻(xiàn)[26]。

參數(shù)25～29：A為c/a中的無量綱裂紋參數(shù)a，XM為平均裂紋增長速率中的指數(shù)m，VMAX為裂紋最大擴(kuò)展速度vmax，XK0為材料斷裂韌性，CRKSIZ初始平均裂紋半徑，上述參數(shù)較難通過試驗(yàn)獲得，均與Bennett[15]一致。

參數(shù)30～31：Hackett[22]靜摩擦系數(shù)取0.5，XMU(動(dòng)摩擦系數(shù))一般比靜摩擦系數(shù)小，此處取0.35；CONVER(非彈性功轉(zhuǎn)換為熱的轉(zhuǎn)換百分比)取0.95。

參數(shù)32～37：通過排水法測得RBHL-1炸藥RHO(初始密度)1.76g/cm3；T0(初始溫度)300K；K(導(dǎo)熱系數(shù))和CV(比熱容)由LFA-447激光法導(dǎo)熱分析儀測量；TSTR(活化溫度)即活化能Ea與普適氣體常數(shù)R的商，QA(V)為單位體積反應(yīng)熱與指前因子的乘積，熱分解特性由DSC-204 HP差示掃描量熱儀測量，采用Kissinger法得到活化能為150kJ/mol，指前因子為3.42×1021s-1，反應(yīng)熱為430J/g。

采用以上模型對炸藥進(jìn)行了模擬計(jì)算，圖5和圖6為重錘速度v=9m/s時(shí)的典型計(jì)算結(jié)果。試件中緩沖墊和炸藥從上到下按照鋼緩沖墊-PE緩沖墊-炸藥-PE緩沖墊順序排列。由于鋼的強(qiáng)度高于聚乙烯，在重錘打擊作用下鋼的軸向變形量較小。因此，盡管在鋼緩沖墊和炸藥之間有4mm的聚乙烯作為緩沖，但是炸藥的上表面仍然損傷較嚴(yán)重，見圖5(c)，而且裂紋尺寸擴(kuò)展較快，見圖6(b)。對比圖5(b)和圖5(c)可以發(fā)現(xiàn)：炸藥損傷越嚴(yán)重的地方，熱點(diǎn)溫度越高。在相同的壓力和剪切力作用下，裂紋發(fā)生剪切摩擦?xí)r單位面積的放熱量相同。隨著裂紋尺寸的增加，裂紋摩擦產(chǎn)生的熱量也有所增加，導(dǎo)致熱點(diǎn)溫度較高。因此，在損傷程度更加嚴(yán)重的上表面，熱點(diǎn)溫度也更高。此外，熱點(diǎn)溫度還和熱傳導(dǎo)有關(guān)，裂紋摩擦放出的熱量會(huì)通過熱傳導(dǎo)的方式逐漸均布到裂紋四周。圖6(a)和圖6(b)中，B點(diǎn)裂紋尺寸略大于C點(diǎn)，所以在開始階段B點(diǎn)溫度也略高于C點(diǎn)。由于熱傳導(dǎo)的影響，700μs以后，B點(diǎn)溫度與C點(diǎn)趨于一致。

圖5 重錘速度v=9m/s、t=300μs時(shí)的變量云圖

圖6 重錘速度v=9m/s時(shí)的變量歷史曲線

圖7 不同重錘速度時(shí)A處熱點(diǎn)溫度

由圖7可知，重錘速度v≤9.0m/s時(shí)炸藥均未發(fā)生點(diǎn)火。而重錘速度提升到9.5m/s時(shí)，在t=707.6μs炸藥在A點(diǎn)處點(diǎn)火(見圖8)，隨后以A點(diǎn)為起爆點(diǎn)形成爆轟波向四周傳播。因此，計(jì)算得到的DNAN基熔注炸藥(RBHL-1)的速度閾值為9.0～9.5m/s。

圖8 重錘速度v=9.5m/s時(shí)炸藥點(diǎn)火前(左)后(右)狀態(tài)

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

以炸藥50%概率發(fā)生點(diǎn)火的加載速度為閾值速度，試驗(yàn)結(jié)果表明RBHL-1炸藥以8.97m/s速度加載時(shí)，10發(fā)試驗(yàn)炸藥都不點(diǎn)火；以9.26m/s速度加載時(shí)，10發(fā)試驗(yàn)有5發(fā)點(diǎn)火，因此RBHL-1炸藥發(fā)生點(diǎn)火的速度閾值為9.26m/s。圖9給出了RBHL-1炸藥試驗(yàn)前后的試件狀態(tài)，圖9(b)中重錘以8.97m/s的速度加載，藥柱在壓縮和剪切作用下發(fā)生較大變形，但未發(fā)生反應(yīng)；重錘以9.26m/s加載時(shí)，圖9(c)中炸藥藥柱完整，藥柱上表面、鋼緩沖墊和上PE緩沖墊均有炭黑生成，但是藥柱底部顏色無明顯變化，說明僅在藥柱上表面發(fā)生了微弱反應(yīng)。圖9(d)中炸藥反應(yīng)劇烈，大部分炸藥在反應(yīng)過程中消耗，上PE緩沖墊完全變黑，炭黑積聚量較大。這些試驗(yàn)結(jié)果均證明炸藥的點(diǎn)火位置位于炸藥藥柱上表面。

圖9 試驗(yàn)前后試件狀態(tài)

點(diǎn)火后形成的燃燒波或爆轟波在向底部傳播過程中可能會(huì)熄滅，如圖9(d)所示藥柱還剩余部分未反應(yīng)炸藥，下PE緩沖墊炭黑積聚量明顯低于上PE緩沖墊。

數(shù)值模擬計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果均證明炸藥的點(diǎn)火位置位于炸藥藥柱上表面，且計(jì)算得到的速度閾值9.0～9.5m/s與試驗(yàn)結(jié)果9.26m/s相符，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性良好，證明剪切摩擦是抗過載性能評估試驗(yàn)中炸藥的點(diǎn)火機(jī)制。

3 結(jié) 論

(1)建立了炸藥抗過載性能評估裝置的數(shù)值模型，以二次開發(fā)的方法將Visco-SCRAM模型嵌入LS-DYNA，通過LS-DYNA對DNAN基熔注炸藥(RBHL-1)在過載條件下的響應(yīng)過程進(jìn)行了計(jì)算。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在重錘打擊過程中，藥柱上表面的損傷最為嚴(yán)重。損傷越嚴(yán)重的地方，熱點(diǎn)溫度越高。

(2)抗過載性能評估試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算閾值速度的準(zhǔn)確性和模型的可行性，說明剪切摩擦是炸藥裝藥在過載條件下的點(diǎn)火機(jī)制。對于以剪切摩擦為點(diǎn)火機(jī)制的工況，Visco-SCRAM模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。提高炸藥裝藥質(zhì)量和炸藥中對含能材料的保護(hù)能力是提高炸藥抗過載性能的重要手段。