六棱柱破片冲击起爆带壳B炸药速度阈值研究*

卢锦钊，智小琦，李娟娟，郝春杰（　中北大学机电工程学院，太原　03005；　晋西工业集团有限责任公司，太原　03005）

六棱柱破片冲击起爆带壳B炸药速度阈值研究*

卢锦钊1，智小琦1，李娟娟2，郝春杰2
（1中北大学机电工程学院，太原030051；2晋西工业集团有限责任公司，太原030051）

文中根据六棱钨柱破片冲击起爆带壳B炸药实验，利用Autodyn-3D软件进行仿真。B炸药应用点火增长Lee-Tarver模型，得出炸药压力云图以及B炸药内部观测点压力变化曲线，仿真数据与实验结果吻合。在此基础上计算出六棱柱最大迎风面积及其冲击起爆阈值速度，得出双六棱柱破片不同间距与阈值速度的关系和单破片冲击不同盖板厚度阈值速度曲线。研究结果对反导战斗部破片杀伤元素的设计具有指导意义。

六棱柱破片；冲击起爆；阈值速度；数值仿真

0　引言

对于防空反导，主要毁伤方式为利用高速破片冲击引爆导弹战斗部，其本质为破片对带壳炸药的冲击起爆问题［1］。采用普通钢质破片撞击导弹战斗部，若实现毁伤往往需要较大的破片质量；而穿甲能力强、密度大的钨合金破片，被日益广泛的用作杀伤元素，这是拦截并起爆和引燃来袭导弹战斗部装药最理想的毁伤破片之一［2］。国内对B炸药冲击起爆研究多数为圆柱或球形破片［1-5］，对六棱柱破片研究很少，而六棱柱破片在有限战斗部空间中能实现破片排列数量最多和总质量最大，从而增加目标被击中并摧毁的概率［6］。

文中利用Autodyn-3D显式有限元分析软件和国际上较为流行的点火增长模型Lee-Tarver［7］，模拟六棱柱破片冲击起爆B炸药，并利用该模型研究在实际实验过程中无法观测的起爆机理，这对研究带壳B炸药在高速破片撞击下的起爆问题具有重要的意义。

1　冲击起爆炸药盒实验及结果

1.1实验系统

实验采用14.5 mm的弹道枪。破片为12 g内切圆Ø9×9.5 mm六棱钨柱；炸药盒为Ø100×80 mm 的Q235，厚度10 mm；炸药盒内装填Ø80的B炸药。

图1　实验系统原理图

1.2实验判定与结果

炸药盒外观完整，无爆炸响声判定不爆；炸药盒后端被剪切或破碎性炸裂，且有明显响声判定为爆炸，见图2所示。

图2　炸药盒判定

表1　实验结果

从实验数据可知，六棱柱破片冲击起爆炸药盒阈值速度约为750～800 m/s之间。

2　数值模拟

2.1模型建立

根据上述实验，利用Autodyn-3D软件对六棱钨柱撞击带壳B炸药进行建模。建立内切圆Ø9×9.5 mm正六棱柱钨合金破片；炸药为Ø100×80 mm的B炸药，装药密度1.68 g/cm3，其他参数均取自于Autodyn标准数据库；盖板为Ø100×10 mm Q235，材料密度为7.89 g/cm3，剪切模量为79.64 GPa，屈服应力235 MPa，泊松比为0.29。

模型使用Lagrange计算方法建立，由于计算模型关于两个空间面对称，采用四分之一模型进行计算；考虑到模型较小，为确保计算精度，网格均采用0.5 mm的尺寸进行划分；同时在炸药轴线方向均匀添加7个高斯观测点，对炸药内部压力的变化进行观测。

表2　计算选取的模型

B炸药的状态方程采用Lee-Tarver状态方程：

式中：F是反应率；P是爆炸压力；μ是压缩冲程；b、c、y、e、g为常数；抑制点火阈值a=0.036 7；点火控制量I=40 μs；x=7；炸药早期反应增长控制值G1=140 Mbar；d=0.333；控制高压反应率z=3。

图3　模型及观测点位置

2.2冲击速度阈值的模拟

采用“升-降法”调整六棱柱破片速度进行反复计算，得出在16 μs时六棱柱破片分别以755 m/s和760 m/s的速度撞击带壳B炸药的压力（PRESSURE）云图（见图4）和观测点的压力-时间曲线图（见图5）。

根据Autodyn标准材料库，B炸药爆轰时产生的C-J压力为29.5 GPa。由图4可得，当破片速度为755 m/s时，在16 μs时刻炸药内部产生最大压力约为0.69 GPa，压力分布较均匀，炸药没有爆炸；当速度为760 m/s时最大压力为33.07 GPa，压力峰值在波面上，且从点火点向外进行扩散，说明炸药中有爆轰波的传播。

图4　炸药在16 μs时压力云图

通过高斯观测点压力-时间曲线（图5）可以得到，着速为755 m/s时，观测点压力依次先升高再下降，直至稳定在一个压力范围内，表明炸药不发生爆炸。着速为760 m/s时，14 μs时刻观测点5压力急剧上升，随后观测点6、7也急剧升高，达到压力峰值后缓慢下降，这压力显然为爆轰传播，炸药发生爆炸；点火发生在观测点4和5之间，说明起爆位置不在破片撞击点；高斯观测点1、2、3在20～25 μs之间压力达到峰值。

因此可以得出利用Autodyn计算Ø9×9.5 mm的六棱柱破片冲击起爆带壳B炸药阈值速度约为760 m/s，数值模拟结果与实验数据一致。

图5　不同速度时观测点压力图

2.3六棱柱破片在最大迎风面积下的起爆速度

六棱柱迎风面积计算公式为：

式中：A为破片迎风面积；d为正六边形边长；h为高。α为六棱柱轴线所在最大截面与盖板夹角，取值范围为0°～90°。对式（1）进行求导，得：

图6　夹角与迎风面积关系图

根据图6抛物线关系可知当α=90°时，最小迎风面积A=70.15 mm2，破片起爆速度约为760 m/s；利用上面仿真模型，计算出Ø9×9.5 mm六棱柱破片在夹角35.4°时冲击起爆阈值速度约为1 315 m/s。即当破片速度小于760 m/s时，破片不能起爆带壳B炸药；当速度在760～1 315 m/s时，根据破片姿态判定；当破片速度大于1 315 m/s时，理论上百分百起爆带壳B炸药。

2.4双破片冲击起爆带壳B炸药阈值速度研究

利用Autodyn-3D对双Ø9×9.5 mm六棱柱破片间距L分别为0 mm、4.5 mm、9 mm和13.5 mm进行模拟仿真，得出压力云图和冲击起爆阈值速度。

双六棱柱破片撞击带壳B炸药，当破片间距较小时，在炸药中持续形成压力波，压力波在炸药的内部叠加，并与后续的压力波再次叠加，形成最终压力峰，炸药的点火点往往产生于两发破片之间的压力峰上（见图7（a））；当破片间距增大到某一值后，压力波的叠加不明显或消失（见图7（b）），双破片起爆速度阈值趋向单破片的阈值。

图7　双破片撞击带壳B炸药压力云图

双六棱柱破片撞击带壳B炸药的起爆速度随破片距离增加呈非线性趋势增加。当距离为0 mm时，起爆速度约为495 m/s，速度明显低于单发破片；当破片距离13.5 mm时，起爆速度约为750 m/s，速度接近单破片起爆速度。可见，破片密度越高，越容易起爆带壳炸药，而当破片密度降低到某一值后，多枚破片的作用效果与单枚破片的效果相当。

图8　双破片间距与阈值速度关系图

2.5盖板厚度对冲击起爆阈值速度影响

利用Autodyn-3D对Ø9×9.5 mm六棱钨柱撞击带厚度为2～14 mm Q235壳B炸药时的冲击起爆阈值速度进行计算，可得出关系见图9所示。

表3　六棱柱破片冲击起爆不同厚度的Q235带壳B炸药速度阈值计算结果

图9　阈值速度随盖板厚度变化关系图

由计算结果可知，壳体厚度从2 mm增加到4 mm时，阈值速度增量为80 m/s；随着厚度增大，阈值速度增量增大；厚度从12 mm增加到14 mm时，阈值速度增量为140 m/s；说明在带有2～14 mm厚Q235壳条件下，Ø9×9.5 mm六棱钨柱对B炸药的冲击起爆阈值速度随壳体厚度增加而增大，且阈值速度增加幅度大于壳体厚度增加幅度。

3　结论

1）Ø9×9.5 mm六棱柱破片冲击起爆带10 mm 厚Q235壳B炸药阈值速度约为760 m/s；最大迎风面积时，冲击起爆阈值速度约为1 315 m/s，该速度可视为理论上百分百起爆速度。

2）双六棱柱破片同时撞击带壳B炸药，阈值速度随着破片间距增加而呈非线性增加；当六棱柱破片间距增大到某一值后，起爆速度趋向单破片起爆速度。

3）六棱柱破片冲击起爆带壳B炸药的阈值速度随壳体厚度的线性增加呈非线性增大，其幅度大于壳体厚度增加幅度。

［1］ 梁争峰，袁宝慧.破片撞击起爆屏蔽B炸药的数值模拟和实验［J］.火炸药学报，2006，29（1）：5-9.

［2］王树山，李朝君，马晓飞，等.钨合金破片对屏蔽装药撞击起爆的实验研究［J］.兵工学报，2001，22（2）：189-191.

［3］何源，何勇，潘绪超，等.含能破片冲击引爆屏蔽炸药研究［J］.南京理工大学学报，2011，35（2）：187 -193.

［4］ 陈文，胡晓东.某新型炸药冲击起爆试验与临界起爆特性研究［J］.火工品，2009（2）：5-8.

［5］陈卫东，张忠，刘家良.破片对屏蔽炸药冲击起爆的数值模拟和分析［J］.兵工学报，2009，30（9）：1187 -1191.

［6］崔凯华，洪滔，曹结东.射弹冲击带盖板Comp B装药起爆过程数值模拟［J］.含能材料，2010，18（3）：286 -289.

［7］ 贾宪振，杨建，陈松，等.带壳B炸药在钨珠撞击下冲击起爆的数值模拟［J］.火炸药学报，2010，33（5）：43-47.

Threshold Velocity of Hexagonal Prism Fragment Impacting on Comp B with Shell

LU Jinzhao1，ZHI Xiaoqi1，LI Juanjuan2，HAO Chunjie2
（1School of Mechatronics and Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2Jinxi Industries Group Co.Ltd，Taiyuan 030051，China）

Based on experiment of hexagonal prism fragment impacting on comp B with shell，Autodyn-3D software was used for simulation. Comp B material uses Lee-Tarver EOS for pressure nephogram of comp B and pressure curve of internal observation point，the simulation data and experimental results were consistent.Based on it，the biggest windward area of hexagonal prism fragment and its threshold velocity were calculated，the relationship of threshold speed with different spacing when double hexagonal prism fragment impacting on it and the curve of threshold speed with different thickness shell were got.This result is significant to lethality of fragment in missile warhead.

hexagonal prism fragment；impact initiation；threshold velocity；simulation

TJ410.33；O347.1

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.021

2015-05-21

卢锦钊（1988-），男，广东从化人，硕士研究生，研究方向：炸药冲击起爆临界能量研究。