TATB基PBX炸药冲击波感度数值模拟研究

李龙飞，王晶禹，候聪花



TATB基PBX炸药冲击波感度数值模拟研究

李龙飞，王晶禹，候聪花

（中北大学化工与环境学院，山西 太原，030051）

为研究TATB基PBX炸药的冲击波感度，采用显式动力学有限元程序——AUTODYN软件对某TATB基PBX炸药在冲击波作用下的临界起爆特性进行数值模拟。通过小隔板试验和冲击波在有机玻璃隔板中衰减模型的理论计算验证了数值模拟的可靠性，数值模拟中，通过3D模型的计算可以直观地看到在爆炸过程中冲击波传播的运动轨迹，模拟计算出某TATB基PBX炸药临界隔板值在5.5～5.7mm之间，临界起爆压力在3.19～3.44GPa之间，数值模拟结果与实验结果基本吻合。

TATB；PBX；小隔板试验；数值模拟

TATB为基的高聚物粘结炸药（PBX）是由高分子粘结剂和钝感炸药TATB组成的复合材料，具有很好的安全性和安定性，被认为是最优良的钝感炸药之一，因此倍受含能材料者的关注[1]。

冲击波感度是指在冲击波作用下，炸药发生爆轰的难易程度，是衡量炸药安全性能的一个重要指标[2]，对于炸药的储存、运输以及应用都具有指导作用。小隔板试验是一种经典的测定炸药冲击波感度的方法。其过程为将标准施主炸药和被测试的受主炸药用惰性衰减材料隔开，通过改变隔板的厚度找到受主炸药50%起爆概率对应的隔板厚度，利用隔板值定性表征试样相对冲击波感度大小。而为了能够定量表征该临界条件，很多研究人员用冲击波压力表征试样的冲击起爆阈值。但是，炸药的起爆是一个十分复杂的物理、化学与力学综合的过程，必须进行大量的试验，然后通过概率的方法取得一个定量的结果，但是试验部件是一次性作用的结构，不能重复使用，从经济角度考虑花费很大。小隔板试验还要耗费大量的人力、物力，于是数值模拟计算就成为研究这一问题的另一种途径[3]。本文通过数值模拟和试验来研究某TATB基PBX炸药冲击波感度临界隔板值和临界起爆压力。

1 数值模拟的研究

1.1 数值模拟计算模型

数值模拟中运用显式动力学有限元程序——AUTODYN软件对某TATB基PBX炸药（以下称为被测试样）的冲击起爆过程进行3D数值模拟。计算模型采用GJB 2178.1A小隔板试验装置[4]作为参考模型，见图1。

图1 小隔板试验装置图

模型中施主炸药药柱为直径5.10mm、高度38mm、密度1.604g/cm3的黑索今（RDX）药柱；隔板为直径26mm、密度1.18g/cm3的有机玻璃；受主炸药（被测试样）直径及高度与施主炸药相同[5-6]。施主炸药及受主炸药均采取强约束，约束套筒材料为45＃钢，外径25mm。

计算中为了可以方便设置起爆点，建模中忽略点火头、雷管和雷管座，见图2。施主炸药RDX选用JWL（Jones-Wilkins-Lee）状态方程；隔板、套筒和鉴定块选用Shock状态方程；受主炸药（被测试样）选用Lee-Tarver状态方程（三项式点火增长模型）。模型各部分均采用Lagrange算法，RDX与隔板、隔板与PBX炸药、PBX炸药与套筒和鉴定块的作用过程采用Lagrange/Lagrange耦合算法计算[7-9]。计算时为了方便观察冲击波传播过程，采用1/2模型。在被测试样药柱中心轴处添加Gauges观测点，见图3。

1.2 模拟结果

为了验证计算模型的可靠性，数值模拟采用与实验研究相同的材料及尺寸。在数值模拟的研究中，有机玻璃隔板的厚度步长为0.2mm，所得Gauges点压力——时间曲线图见图4所示。

图 2 计算模型

图3 Gauges点位置

图4 不同隔板厚度时被测炸药不同位置的压力——时间曲线

从图4中可以看出隔板厚度为5.5mm时，被测试样在冲击波传播方向上各点的压力峰值逐渐升高，而隔板厚度为5.7mm时，压力峰值逐渐降低。在小隔板试验中主要通过鉴定块的钢凹值判断被测试样是否发生爆轰，而数值模拟中则通过观察不同位置的压力峰值变化判断是否发生爆轰，如压力峰值逐渐上升，说明发生爆轰；反之，则没有发生爆轰。在计算过程中，可以观察冲击波传播趋势及压力的大小，比较直观地看到被测炸药是否发生爆轰，见图5。

图5 计算模拟Contour效果图（13μs）

通过数值模拟得出某TATB基PBX炸药临界隔板值在5.5～5.7mm之间，对应的临界起爆压力在3.19～3.44GPa之间。

2 理论及试验验证

2.1 试验验证

为了进一步验证数值模拟的有效性，对某TATB基PBX炸药进行小隔板试验，试验材料及尺寸与数值模拟相同，均参照GJB 2178.1A小隔板试验装置。试验步骤按照GJB 2178.1A要求进行。取施主装药和试样装药中间无隔板时，即零间隙所对应的钢凹值的50%作为判据，经试验所得试样装药判据为0.766mm。试验所得临界隔板值结果如表1所示。

表1 不同隔板厚度对应的钢凹值

Tab.1 Steel concave value with different bulkhead thickness

从表1可看出被测试样的临界隔板值在5.41～5.61mm之间，数值模拟得到被测试样的临界隔板值在5.50～5.70mm之间，说明数值模拟结果的可靠性。

2.2 理论验证

3 结论

（1）通过隔板试验和临界起爆压力的理论计算验证了数值模拟结果的可靠性，结果表明试验结果与数值模拟结果吻合较好，证明该计算模型能够满足计算要求。（2）从数值模拟的过程中可以比较清楚地看到爆轰冲击波的传播轨迹，可以更加直观地了解小隔板试验爆轰冲击波的运动过程。（3）数值模拟得出被测试样TATB基PBX炸药的临界隔板值在5.5～5.7mm之间，试验得出的临界隔板值在5.41～5.61mm之间。

[1] 谷成刚.TATB基高聚物粘结炸药（PBX）配方设计的分子水平研究[D].南京:南京理工大学,2004.

[2] 松全才,杨崇惠,金韶华.炸药理论[M].北京:兵器工业出版社,1997.

[3] 陈朗，冯长根.固体炸药冲击起爆实验和数值模拟[C]//第十一届火工烟火学术年会论文集.北京：中国兵工学会，2002.

[4] GJB 2178.1A-2005 国家军用标准——传爆药安全性试验方法——小隔板试验[S].北京：国防科学技术工业委员会, 2005.

[5] 姜夕博,饶国宁,徐森,等.冲击波在有机玻璃中衰减特性的数值模拟与实验研究[J].南京理工大学学报,2012,36(6):1 059-1 064.

[6] 姜夕博,饶国宁,郭耸,等.退役单基发射药临界起爆特性的研究[J].弹道学报,2013,25(2):89-94.

[7] E.L.Lee，C.M.Tarver. Phenomenological model of shock initiation in heterogeneous explosives[J].Phys,Fluids,1980,123 (12):2 362-2 372.

[8] M.J.Murphy and E.L.Lee，A.M.Weston，A.E.Williams. Modeling shock initiation in composition B[C]//Tenth Symposium (international) on Detonation,1993.

[9] 于川,刘文瀚,李良忠,等.钝感炸药圆筒试验与爆轰产物JWL状态方程研究[J].高压物理学报,1997,11(3):227-233.

[10] 曹雄,焦清介,程松,等.PMMA约束下小尺寸装药爆压衰减规律[J].测试技术学报,2009,23(3):210-212.

[11] 王作山,刘玉存,郑敏,等.爆轰冲击波在有机隔板中衰减模型的研究[J].应用基础与工程科学学报,2001,9(4):316-319.

Numerical Simulation on the Shock Wave Sensitivity of TATB Based PBX Explosive

LI Long-fei，WANG Jing-yu，HOU Cong-hua

(School of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Taiyuan, 030051)

In order to study the shock wave sensitivity of TATB based PBX explosive, by use of the explicit dynamic finite element program AUTODYN software, the characteristics of the critical initiation for a certain TATB based PBX explosive under the effect of shock wave were numerical simulation. Through a small scale gap test and calculation of shock wave attenuation model in the organic glass partition, the reliability of numerical simulation was validated. During the calculation of 3D models, the explosion shock wave propagation in the process of trajectory can be seen directly, the critical value of the bulk-head thickness was between 5.5 mm to 5.7 mm, the critical initiation pressure was between 3.19GPa to 3.44GPa, and the numerical simulation result was consistent with the experimental results.

TATB；PBX；Small scale gap test；Numerical simulation

TQ560.5

A

1003-1480（2014）06-0032-03

2014-06-16

李龙飞（1988-），男，在读硕士研究生，从事传爆药安全性能研究。