半球壳状EFP撞击起爆带壳H6炸药数值模拟和试验(1).pdf

第35卷 第4期 2018年12月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 4  Dec. 2018 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2018. 04. 004 半球壳状EFP撞击起爆带壳H6炸药 数值模拟和试验* 李鸿宾， 金朋刚， 郑雄伟， 徐洪涛 （ 西安近代化学研究所， 西安710065） 摘 要 为了解半球壳状EFP对带壳H6炸药起爆特性， 根据X光拍摄的EFP轮廓构建了等效数值计算模 型， 基于炸药冲击起爆理论， 利用Lee-Trarver点火增长模型和Steinberg-Guinan强度模型模拟了半球壳状 EFP撞击起爆带壳H6炸药的过程， 发现弹丸穿透壳体的过程中其侧向向内收缩成水滴状， 弹丸速度迅速降 低， 着靶面积减小。利用升-降法计算了正碰撞条件下带壳H6炸药撞击起爆临界速度和着靶面积。结果表 明 质量为9. 0 g的半球壳状EFP撞击起爆带壳H6炸药的临界速度范围为2200 ～2300 m／ s，2300 m／ s撞击 速度条件下， 着靶面积为570 mm2， 计算和试验结果基本一致。 关键词 爆炸力学；EFP；冲击起爆；H6炸药；阈值速度 中图分类号 TJ55；O382. 1 文献标识码 A 文章编号 1001 －487X（2018）04 －0020 －06 Simulation and Test on Hemisphere Shell EFPs Shock to Detonation Shelled H6 Explosives LI Hong-bin，JIN Peng-gang，ZHENG Xiong-wei，XU Hong-tao （Xi′an Modern Chemistry Research Institute，Xi′an 710065，China） Abstract In order to figure out the effect of hemispherical EFPs on the detonating characteristics of shell H6 ex- plosive，the equivalent numerical model of EFP was constructed by the X-ray. Based on the explosive shock initiation theory，the Lee-Trarver ignition growth model and the Steinberg-Guinan strength model were used to simulate the ex- plosion process of shelled H6 explosive under the impact of shaped EFPs. In the process of penetration，the lateral shell contracts inward transs to the shape of water droplet. The velocity of the projectile decreases rapidly and the target area is reduced. Moreover，the critical velocity and target area of the shell H6 explosive under positive impact are calculated by the rise-drop . Affected by hemispherical shell EFP，the critical speed of the shell H6 explo- sive of 9. 0 g ranges from 2200 m／ s to 2300 m／ s. When the speed is 2300 m／ s，the target area is calculated to be 570 mm2，where the simulated and experimental results are basically the same. Key words explosive mechanics；explosively ed projectile；impact initiation；H6 explosive；threshold ve- locity 收稿日期2018 －07 －08 作者简介李鸿宾（1988 －） ， 男，硕士、 工程师， 从事炸药安全性能评 估研究， （E-mail）lihongbin6868＠163. com。 基金项目国家自然科学基金项目（11502194） 爆炸成型弹丸（explosively ed projectile， EFP）的质量、 速度和打击比动能相对较高， 气动外 形好， 穿甲能力强， 在防空反导上有着破片和离散杆 无法比拟的优势， 目前EFP技术已较为广泛地应用 于防空反导领域［ 1］， 典型的如爱国者 PAC-3杀伤战 斗部、S-400防空导弹杀伤战斗部等。H6炸药是我 国现役装备中使用较多的混合炸药， 属于经典的铝 化B炸药， 研究EFP弹丸对其装药的冲击起爆特性 有着重要的现实意义［ 2，3］， 并且对于相类似的配方 具有一定的参考价值。通常研究弹丸对带壳装药的 万方数据 作用问题主要分为高速冲击起爆和低速撞击点火两 个方面， 两者的研究方法和手段差异较大， 但是两者 都需要获取不同工况下的起爆或点火阈值， 指导产 品设计和使用。“ 阈值”的大小受到炸药配方、 壳体 厚度和材质、 弹丸状态等多方面因素的影响［ 4-6］， 综 合运用实验和仿真技术是解决该问题的基本手段。 熊冉等人采用了有限元软件LS-DYNA对破片起爆 带壳炸药进行了数值模拟［ 7］， 计算得到钢质柱状平 头破片撞击起爆B炸药的临界速度受破片直径（长 度一定） 和攻角等多方面因素的影响， 计算结果中 最低撞击起爆速度为2000 m／ s； 卢锦钊等人在实验 的基础上采用Audotyn-3D数值模拟软件［ 8］， 阈值速 度和着靶面积、 碰撞角度、 弹丸长径比等因素的关 系， 结果表明撞击面积越小， 阈值速度越大； 考虑到 含能破片自反应的特点宋万成等人［ 9］、 章猛华等人 都开展了相关研究［ 10］， 初步建立了含能破片反射波 冲击起爆理论模型， 分析了含能破片几何参数对临 界冲击起爆速度的影响。可见， 关于破片撞击起爆 带壳炸药的实验和数值模拟研究较为广泛， 数据也 较为丰富， 但关于某些特殊形状如半球壳状EFP的 撞击起爆的研究较少， 同时关于H6炸药的研究报 道也相对较少， 本文主要在前期实验研究的基础上， 基于冲击起爆理论， 考虑EFP属于高速薄壁结构容 易变形的特点以及H6炸药的非理想爆轰特性， 利 用Lee-Trarver点火增长模型和Steinberg-Guinan强 度模型模拟了半球壳状EFP撞击起爆带壳H6炸药 的过程， 重点观察了EFP穿靶过程中的形变对着靶 面积的影响， 利用升-降法计算正碰撞条件下带壳 H6炸药撞击起爆临界速度， 为H6炸药装药设计和 防护提供参考数据。 1 计算模型 1. 1 物理模型 在AUTODYN-2D中建立了物理模型［ 11］， 为了 保证计算精度并减少计算量， 构建了二分之一对称 模型， 并采用了渐变网格，EFP弹丸、 壳体和炸药接 触的区域采用0. 5 mm网格， 网格尺寸向外呈发散 状增加。EFP药形罩材质为工业纯铁，质量为 9. 0 g， 尾部直径约为28 mm。H6炸药装药壳体为 直径350 mm、 厚3 mm的Q235钢材。测点布设在 两个垂直维度， 沿着撞击方向布设了1号～ 6号测 点， 其中1号测点位于壳体外表面，2号测点位于壳 体和炸药接触的内表面，3号～6号都是炸药内部的 测点， 在垂直EFP轴线的方向上， 设有7号～ 14号 测点， 用于监测炸药中爆轰波的成长过程， 进而判断 炸药的反应形式。仿真模型见图1。 图1 仿真模型 Fig. 1 Simulation model 1. 2 材料模型及参数 H6炸药质量分数配比为TNTAlRDX添加 剂＝30％20％45％5． 5％， 爆压CJ ＝ 22. 1 GPa， 爆速7385 m／ s， 属于铝化的B炸药， 因此本研究的 数值模拟主要参考AUTODYN自带的H6炸药JWL 状态方程参数， 以及文献［4，8］中关于B炸药点火 增长模型参数， 在此基础上调整控制热点数量和点 火增长速率的参数， 获得最佳模拟效果。 未反应炸药采用JWL状态方程描述， 使用H6 炸药默认参数。炸药的冲击起爆以及反应增长过程 用Lee-Trarver三项式点火增长模型描述 ∂F ∂t ＝ I（1 － F） bρ ρ0 － 1 － a x ＋ G1（1 － F） cFdpy ＋ G2（1 － F） eFgpz （1） 式中F为反应率（ 爆炸产物质量和炸药总质量 之比） ；p是炸药中的压力；I、b、a、x、G1、c、d、y、G2、e、 g和z为常数， 这些参数的物理意义如下，a为临界 压缩度， 当炸药的压缩度大于a炸药点火，I和x控 制了点火热点的数量，G1和d控制了中等压力条件 下炸药点火后热点早期的反应生长，G2和z确定高 压反应速率。对于H6炸药，a ＝0. 01，b ＝0. 222，I ＝ 88，x ＝4. 0，G1＝ 514，c ＝ 0. 222，d ＝ 0. 667，y ＝ 2. 0， G2、e、g和z都为0。上述方程描述的模型描述点火 时给出了一个非常迅速的压力尖峰， 随后一个缓慢 的反应增长， 当该区域的热点汇聚后发生加速。在 AUTODYN中， 点火增长模型被同时用于高能炸药 爆轰和膨胀。见表1。 12第35卷 第4期 李鸿宾， 金朋刚， 郑雄伟， 等 半球壳状EFP撞击起爆带壳H6炸药数值模拟和试验 万方数据 表1 H6炸药点火增长模型参数 Table 1 Parameters of Lee-Tarver ignition and growth mode of H6 explosive IbaxG1cdyG2egz 880 0. 01 45140. 22220. 66720000 EFP弹丸材质为工业纯铁， 壳体为STEEL1006 钢材， 两者都采用线性冲击状态方程（Shock状态方 程） 。同时， 为了更好地模拟撞击穿孔现象， 壳体的 强度模型选择采用Steinberg-Guinan。该强度模型 假设剪切模量随着压力增加而增加， 随着温度的升 高而降低， 这种条件下， 他们将材料的包辛格效应考 虑进他们的计算模型中， 该模型提供了包含剪切模 量和屈服强度的实际弹性应变、 压强和内能（温度） 的函数表达。高应变率条件下， 剪切模量G和屈服 应力Y基本关系式如下 G ＝ G01 ＋ G′ p G 0 ρ η1／3 ＋ G′ t G 0 （T － 300 [] ） （2） Y ＝ Y01 ＋ Yp Y 0 P η1／3 ＋ G′ x G 0 （T － 300 [] ）（1 ＋ βε） n （3） 服从如下关系式 Y［1 ＋ βε］ n ≤ Ymax（ 4） 式中ε为实际弹性应变；η为压缩率， v0 v ；T为 温度，K。带有下标p和T的参数是该参数在参考 状态（T-300 K，p ＝0，ε ＝0）下关于压力和温度的导 数。下标0也代表参考状态下G和Y的值。如果 材料的温度超过明确指出的融化温度， 那么剪切模 量和屈服强度都被设置为0。 2 结果分析 2.1 半球壳状EFP撞击起爆带壳H6炸药过程分析 为了能够更加直观的描述撞击起爆过程， 将模 型绕X轴旋转360，得到仿真模型的三维视图。 9. 0 g EFP以2400 m／ s的速度和带壳H6炸药发生 正碰撞的撞击起爆过程如图2所示（左侧一列为压 力云图， 右侧一列为物质分布图） 。2 μs时刻EFP 和壳体发生碰撞， 在壳体内部形成冲击波，5 μs时 刻H6炸药受到壳体挤压发生形变，8. 3 μs时刻H6 炸药中形成了爆轰波， 通过调取测点7的压力历程 曲线可知此时测点7位置处的爆压达到16 GPa， 受 EFP本身形状的影响以及壳体阻碍的双重作用， 此 时EFP还没有穿过壳体，25 μs时刻爆轰波继续向 外扩散， 半球壳状的EFP发生向内的收缩变成水滴 状， 壳体受爆轰波的驱动发生隆起， 此时EFP主体 部分已经穿过壳体。图3给出了撞击起爆过程中 EFP的质量变化过程， 由图可见，EFP的质量由初始 的9. 0 g降低至21 μs时刻的7. 8 g， 质量损失率 13. 3％，21 μs以后EFP的质量基本保持不变， 说明 撞击侵彻过程基本结束。 炸药非冲击点火存在点火-燃烧-爆轰的增长过 程， 持续时间通常超过1 ms， 因此从时间尺度上分析 可知， 本工况下EFP撞击带壳H6炸药的过程符合冲 击起爆机理， 说明本次计算的基本原理是合适的。 图2 9 g EFP以2400 m／ s速度撞击H6炸药装药过程分析 Fig. 2 Analysis of the process of 9. 0 g，2400 m／ s velocity EFP Impact Shelled H6 explosive 2. 2 带壳H6炸药临界起爆速度范围 初始速度的选择直接关系到总体计算量， 通过相 22爆 破 2018年12月 万方数据 关文献调研［ 4，8］， 确定 H6炸药撞击初始速度选择为 2400 m／ s， 分别对2400 m／ s、2300 m／ s和2200 m／ s撞击 速度进行了模拟， 获得了较好的结果， 详细情况如下。 图3 运动过程中EFP弹丸的质量损失 Fig. 3 Mass loss of EFP bullet during penetration （1）EFP撞击速度2400 m／ s 图4为壳体内（Gauge＃2） 、 外侧（Gauge＃1）的压 力历程曲线， 可见EFP弹丸在0. 5 μs时刻和壳体发 生碰撞，壳体外侧压力发生跳跃式上升，达到 65 GPa， 经过0. 5 μs冲击波传递至壳体内侧， 此时 冲击波压力衰减至35 GPa， 该数值远远超过了炸药 的冲击起爆临界压力（ 大约8 GPa） ， 图5为H6炸药 内部沿着EFP运动方向上测点的压力历程曲线， 可 见， 测点3位置处的峰值压力衰减至10 GPa， 随后 测点4、5、6位置处的压力不断增加， 此时测点处的 压力为冲击波压力和炸药自身反应增长压力的叠 加， 并不能完全反应炸药是否发生爆轰， 图6为垂直 EFP运动方向上的测点处压力历程曲线， 可见， 从测 点7到测点8压力发生了小幅的降低， 这是炸药本 身对初始冲击波衰减导致的结果， 随后测点9、10、 11位置处的压力不断增加， 测点11位置处的压力 峰值达到15 GPa， 说明此时炸药内部的反应已经成 长为爆轰。 图4 壳体内外侧压力历程 Fig. 4 Pressure history in and out the shell 图5 H6炸药内部压力历程（ 轴向） Fig. 5 Pressure history inside the H6 explosive（Axial） 图6 H6炸药内部压力历程（ 径向） Fig. 6 Pressure history in and out the shell（Radial） （2）EFP撞击速度2300 m／ s 图7为本工况下壳体内（Gauge ＃2） 、外侧 （Gauge＃1） 的压力历程曲线， 同样大约在0. 5 μs时 刻和壳体发生碰撞， 壳体外侧压力达到55 GPa， 经 过大约0. 5 μs冲击波传递至壳体内侧， 此时冲击波 压力衰减至33 GPa， 略小于2400 m／ s撞击工况下的 相应数值， 图8为H6炸药内部沿着EFP运动方向 上测点的压力历程曲线， 可见， 测点3位置处的峰值 压力衰减至8 GPa， 随后测点4、5、6位置处的压力 不断增加， 图9为垂直EFP运动方向上的测点处压 力历程曲线， 可见， 本工况下从测点7到测点8的压 力发生了小幅的降低， 并且这两个点的压力相比前一 工况的数值都要显著降低， 随后测点9、10、11位置处 的压力不断增加， 测点11位置处的压力峰值达到 15 GPa， 说明此时炸药内部的反应已经成长为爆轰。 （3）EFP撞击速度2200 m／ s 图10 ～图12显示， 本工况下测点1和测点2位置 处的峰值压力分别55 GPa和30 GPa， 测点3 ～测点6 的峰值压力由7 GPa逐渐降低至1.5 GPa， 垂直于EFP 运动方向上的测点7 ～测点11位置处的峰值压力不断 降低， 直至环境压力， 说明本工况下炸药没有发生爆轰 反应。根据以上三种工况的计算结果可以判断H6炸 药受质量为9.0 g的半球壳状EFP正撞击作用下发生 32第35卷 第4期 李鸿宾， 金朋刚， 郑雄伟， 等 半球壳状EFP撞击起爆带壳H6炸药数值模拟和试验 万方数据 冲击起爆的临界速度范围为2200 ～2300 m／ s。 图7 壳体内外侧压力历程 Fig. 7 Pressure history in and out the shell 图8 H6炸药内部压力历程（ 轴向） Fig. 8 Pressure history inside the H6 explosive（Axial） 图9 H6炸药内部压力历程（ 径向） Fig. 9 Pressure history in and out the shell（Radial） 图10 壳体内外侧压力历程 Fig. 10 Pressure history in and out the shell 3 计算和试验结果对比分析 受爆轰过程的影响，EFP弹丸的实际质量可能 略小于药形罩的质量， 但无法准确获取， 因此模拟过 程中仍使用药形罩质量作为EFP弹丸的质量， 试验 使用的药形罩质量为9. 0 g， 材质为工业纯铁， 试验 布局见图13， 通过靶弹前端设置的测速靶测定EFP 着靶速度， 靶弹后方放置的见证板用于收集EFP弹 丸， 并且通过见证靶上收集的破片辅助判断靶弹是 否发生爆轰反应（ 反应特别剧烈才会用到见证板） ， 为方便建立数值计算模型试验过程中利用X光拍 摄的EFP照片， 结果见图14， 可见EFP轮廓为抛物 线状， 利用Solidworks绘图可知同样外形、 同等质量 的工业纯铁应为中空薄壳结构， 据此构建了本次计 算模型。计算和试验结果列于表2， 其中着靶面积 是在未装填炸药的工况下测定的， 数值计算中根据 穿孔边缘处物质点的位置计算开口的直径。分析表 2中的数据可知，撞击起爆临界速度为2200 ～ 2300 m／ s， 计算结果和试验结果基本相符， 说明本次 计算使用的参数和模型是合适的。试验后靶弹典型 的反应形式包括爆轰、 燃烧和不燃不爆三大类， 靶弹 试验后典型的状态如图15所示。仿真计算和试验 穿孔对比如图16所示，可见两者基本相符，说明 Steinberg-Guinan强度模型能够较好地模拟半球壳 形EFP撞击起爆带壳炸药的过程。 图11 H6炸药内部压力历程（ 轴向） Fig. 11 Pressure history inside the H6 explosive（Axial） 图12 H6炸药内部压力历程（ 径向） Fig. 12 Pressure history in and out the shell（Radial） 42爆 破 2018年12月 万方数据 表2 计算和试验结果对比 Table 2 The calculation campared with the test results 序号 结果来源 速度／ （ms －1） 着靶面积／ mm2 反应形式 1 试验2648556引爆 计算2400590爆轰 2 试验2346546引燃 计算2300570爆轰 3 试验2210不燃不爆 计算2200572不燃不爆 图13 试验布局 Fig. 13 Test layout 图14 X光拍摄EFP轮廓 Fig. 14 Outline of EFP pictured by X-ray 4 结论 （1） 实验和计算结果证明Lee-Trarver点火增长 模型和Steinberg-Guinan强度模型能够较好的模拟 半球壳状EFP撞击起爆带壳H6炸药的过程， 本工 况下EFP穿靶过程中由于本身强度较低， 在壳体的 挤压作用下EFP会发生向内的塑性形变， 导致穿孔 直径小于EFP弹丸的最大直径， 不利于起爆炸药。 图15 试验结果 Fig. 15 Test results 图16 穿孔仿真和试验结果对比 Fig. 16 The calculation penetration hole campared with the test result （2） 升降法计算得到质量为9. 0 g的半球壳状 EFP撞击起爆带壳H6炸药的临界速度范围为2200 ～ 2300 m／ s， 该速度范围略低于质量相当的普通破片 阈值速度，2300 m／ s撞击速度条件下， 弹丸着靶面 积为570 mm2， 对应的实验结果为546 mm2， 为半球 壳状EFP尾部面积的88. 9％ ～92．4％。 （3）EFP高速撞击壳体产生的初始冲击波强度 可能会超过炸药爆轰压力， 受此影响， 炸药内部沿着 EFP运动方向上布设的压力测点不能完全反应炸药 的反应形式， 因此计算过程中需要利用垂直于EFP 运动方向上的测点数据做更加准确的评判。 参考文献（References） ［1］ 纪刘奇， 罗 健， 李建伟， 等.集束定向EFP成型与侵 彻性能研究［J］.弹箭与制导学报，2017（1） 46-48. ［1］ JI Liu-qi，LUO Jian，LI Jian-wei，et al. 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