工业雷管输出压力测试及数值模拟研究

蒋 俊，严 楠，鲍丙亮



工业雷管输出压力测试及数值模拟研究

蒋 俊，严 楠，鲍丙亮

（北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京，100081）

为定量评价工业雷管的输出威力，采用实验测试和数值模拟相结合的方法，得到了某型雷管的爆压。针对在测试过程中出现的信号干扰问题，对测试系统进行了改进，获得了较清晰的测试结果曲线。此外，通过AUTODYN软件的JWL状态方程来描述雷管底部装药的爆轰过程，将得到的输出压力值与试验值进行了比较。结果表明：数值模拟结果与试验值偏差为3.51%，说明数值模拟方法可用于工业雷管爆轰成长过程研究。

工业雷管；压力；锰铜压阻；数值模拟

雷管是工程爆破中的重要起爆元件，它的作用是将初始刺激能量转化为爆轰能量，进而引爆炮孔中的下一级装药。因此对工业雷管底部爆轰压力的测量，是评价雷管装药结构优劣的有效手段。传统的测量雷管爆轰输出威力的方法是直接法，如铅板法、钢凹痕法等，主要用于雷管定性的质量检测。在定量检测方面，锰铜压阻法是一种现行测量雷管底部爆轰输出压力的常用方法，它能够定量地评估雷管的爆轰输出威力。

国内外运用锰铜压阻法对雷管底部的爆轰输出特性进行了大量实验研究。20世纪60年代，Keough、Voreck[1-2]先后研究了锰铜压阻传感器应用于炸药的动高压测量，该技术在原理上也可用于雷管输出测量。20世纪80年代，戴实之等人[3]提出了一种用锰铜压阻法获得雷管底部输出爆压的方法，该方法根据实验直接测到的雷管输出爆轰波与其底部隔板介质表面相互作用的压力峰值，经过一系列的理论推导，得到雷管本身的输出爆压值。1996年，王翔等人[4]分析了几种常用的恒流供电锰铜压阻测量方法，讨论了这些测试方法的特点和不足，提高了压力测量的精度，把小阻值锰铜压力计的测量范围向低端扩展到0.17 GPa。1997年，伊芳等人[5]用锰铜传感器测量了钝感炸药的爆压，发现传感器的现场安装和存贮示波器的操作对测量有影响，但不影响测试结果的准确性。2000年，路光明等人[6]利用锰铜压阻法对雷管内部不同截面处的爆压进行了测量，对传统的爆压测试装置进行了重新设计，得到了雷管内部的爆轰成长。2003年，侯素娟等人[7]利用压力传感器测量雷管爆炸时的动态输出特性，以冲量、冲击波峰值压力等物理参数来定量表征雷管输出威力，系统在测量雷管输出过程中具有良好的稳定性。2003年，王惠娥等人[8]对锰铜压阻法测雷管底部输出爆压的原理及实验中要注意的事项进行了分析说明，指出如果能解决好恒流脉源与雷管作用之间的同步性匹配问题，在动态测量法中采用锰铜压阻法是可取的。

为了提高雷管爆压测试的可靠性，本文在总结前人经验的基础上，将锰铜压阻法应用于工业8#雷管的测量当中，对试验装置进行了改进；并通过AUTODYN 软件进行数值模拟研究，对雷管底部的爆轰输出压力进行了精确测定，提高了测量结果的稳定性，以满足工业雷管的测试需求，为相关研究人员提供了有价值的参考依据。

1 试验原理与测试装置改进

1.1 试验原理

锰铜箔受压时，电阻随所受压力的增加而增大。将锰铜箔制作的锰铜压力计置于被测试样与保护介质中间，记录实验过程中锰铜压力计受爆轰波压力的冲击作用引起的电阻变化，经过数据处理求出试样的爆压。电阻变化是通过对锰铜压力计通以恒流，然后测试其电压变化而得到的[9]。

在北京理工大学黄正平老师所设计的压力测试系统[10]的基础上，本文所用的工业8#雷管底部爆轰压力测试系统由以下几部分组成：MH4E型4通道高速同步脉冲恒流源、小型爆炸容器、TDS7104数字存储示波器、两头带Q9插头阻抗为50Ω的同轴电缆、三通、50Ω的匹配电阻、雷管套筒、有机玻璃保护片、有机玻璃承压块和H型锰铜压阻传感器。测试系统的装配示意图如图1所示。

图1 爆炸测试装置装配示意图

H型锰铜压阻传感器如图2所示，传感器敏感部分面积为0.5mm×1mm，厚度为10μm，绝缘膜封装；恒流源电流恒定度：不低于1%；电压测量精度：高于10mV时相对误差不大于2.5%；埋入有机玻璃中的响应时间：10ns。其标定曲线是：

式（1）~（2）中：P只是经过保护介质衰减后的压力，再根据冲击波在有机玻璃中的衰减规律就可以得到保护介质表面处的入射压力。

冲击波在有机玻璃中的衰减规律[11]：

式（3）中：为有机玻璃片的厚度，mm；为入射有机玻璃片深度处的冲击波压力峰值，GPa；P为冲击波在有机玻璃表面处的入射压力峰值，即雷管底部的爆轰压力，GPa；为雷管中的猛炸药装药直径，mm。

GJB 772A-97的方法704.2指出[12]：在测量固体炸药爆压时，脉冲恒流源的输出电流大于8A，在10µs内，电流的不恒定度小于1%，脉冲宽度不大于200 µs，恒流建立时间不大于2 µs，内阻50 Ω；示波器带宽1 GHz，采样速率不低于1×108bit/s，记录时间大于10 µs。因此在进行雷管的输出测量时，根据国军标的要求，选用国家实用新型专利产品MH4E高速同步脉冲恒流源为锰铜传感器的供电装置。它的最大恒流值为9A，10µs内恒流值的变化不大于1%，脉冲宽度不大于200 µs，恒流建立时间不大于2 µs，内阻50 Ω，满足国军标的要求。另外，它有4个输出通道，可以同时给多个锰铜传感器供电；从触发信号输入到输出电流达到恒定的时间仅为0.4µs，有利于捕获需要微秒级或亚微秒级快速同步的压力模拟信号。

1.2 测试装置的改进

3.观察内容。观察捞子内虾苗数量，根据多次捕捞的情况判断虾苗数量的多少。观察虾苗的规格、体型、体色、活力等，判断虾苗的生长情况。

与前人不同，本研究的测试装置所用套筒为特制的硬铝材料，其高度与雷管内猛炸药装药高度相同，触发探针采用Φ0.1~0.2mm的高强度漆包线，插在雷管和套筒之间，麻花结构长度与套筒高度相同，这样能较好地避免传感器在雷管内部猛炸药形成稳定爆轰之前误触发。爆炸容器最下方粘有1个Φ25~35mm、厚10mm有机玻璃承压块，上方粘有锰铜压阻传感器，传感器上粘有1个与承压块直径相同、厚1mm的有机玻璃垫片作为保护介质，以减少冲击波通过不同介质时的反射现象，使所测压力值更加接近实际情况[11]。

对恒流源脉冲宽度进行调整，给H型锰铜传感器供电的通道，脉冲宽度应该选用200μs的位，太小会捕捉不到有效的压力信号，太大则会对传感器的敏感区造成损坏。给雷管供电的通道应该根据产品的发火参数选择一个可靠发火的脉宽。恒流源的触发方式选择，可以根据被测元件作用时间的长短来选择不同的方式触发恒流源，给出供电信号。若作用时间短，在50μs以内，可以选用同步触发的方式给传感器和发火元件供电。本研究中所测雷管为工业基础8#雷管，作用时间相对较长，必须通过一个外部的触发信号（即探针）接入恒流源的触发输入端，来控制给传感器供电的时刻。

当待测雷管发火断桥后，恒流源仍然在给雷管两端供电，恒流源内电压全部加载在雷管两端。因此，雷管引爆后的反应区物质在高压电场作用下发生振荡式导通，使脉冲点火电信号上叠加一个大幅度的电压振荡信号，从而产生强烈电磁场辐射。当这样强的电磁信号叠加在压力信号上时，必然会对压力信号造成干扰。针对这种干扰机理，以减小发火电压为改进原则，对发火电源部分进行了改进，既在原系统发火通路中雷管两端并联1个5Ω左右的电阻，如图3所示。电路中雷管电阻约为2Ω，当同步脉冲恒流源触发，雷管发火断桥后，电桥电阻为∞，由于电桥线路两端并联了一个电阻，减小了雷管两端的电压，从而减小了雷管通路的电压信号波动，避免了发火通路对传感器采集通路的影响，保证了传感器信号的无干扰。测试系统连接实物图如图4所示。

图3 改进的测试系统连接示意图

图4 测试系统连接实物图

在测试过程中，记录传感器波形并分析，发现压力下降沿信号会被干扰甚至被覆盖。其原因主要是雷管两端有较高的电压瞬变，它产生电磁辐射，并作用在附近的传感器回路上，产生感应电动势叠加在动态高压信号上。因此，在传感器与示波器中串联1个50Ω的电阻，以消除感应电动势的影响，从而消除杂波干扰。图5是典型的测试信号。图5中△即是爆轰波压力作用在传感器上因电阻变化而引起的电压变化。当爆轰波传至传感器上时，传感器首先出现一个接近直线的电压跃变，这就是压阻信号；根据△和的值，由传感器的标定公式即可得到冲击波压力。图6为实验得到的——曲线，其中曲线1为感应电动势较强时杂波干扰较大的曲线，其余为消除感应电动势影响后的曲线。

图5 锰铜传感器输出的典型记录波形

图6 雷管输出压力测试U——t曲线

2 数值模拟

2.1 物理模型

ANSYS AUTODYN是一种显式非线性动力分析软件，可以对固体、流体和气体的动态特性及它们之间相互所用进行分析，非常适用于爆炸与冲击问题的计算[13]。本文采用AUTODYN软件中的流固耦合算法来模拟雷管底部RDX炸药的爆轰成长与能量传递过程。计算中采用二维轴对称模型，在雷管底部管壳中心位置上设置观测点，记录冲击波压力并与实测值进行对比。

图7 数值计算模型

2.2 材料模型

本研究中涉及的材料包括RDX炸药、约束壳体、有机玻璃、聚酰亚胺薄膜、空气。试验中直接测量的是经过保护介质（有机玻璃、聚酰亚胺薄膜）衰减后的压力，根据冲击波在有机玻璃中的衰减规律可以推算出保护介质表面处的入射压力。因此，为了简化材料模型，只需选取RDX炸药、约束壳体，得到壳体底部中心位置的压力，并与试验所得的保护介质表面处的入射压力进行对比。

2.2.1 雷管主装药

试验中所用的工业8#雷管输出药为RDX装药，在计算中以JWL状态方程来描述其描述产物的膨胀过程：

式（4）中：为爆轰产物的压力；为相对体积；为比热力学能；A，B，R1，R2和ω是用圆筒实验的拟合常数。取值见AUTODYN材料库[13]。

2.2.2 约束壳体

为了准确描述材料在高压状态下的状态，采用冲击状态方程来描述材料的状态方程：

式（5）中：u和u分别为固体介质冲击波速度和波阵面上的粒子速度；0为介质弹性波速；s为实验常数。对于约束壳体硬铝来说，0为0.532 8cm·μs-1，s为1.338[14]。已知材料的雨贡纽参数，则可借助冲击波的质量和动量关系得到相应的状态方程[14]。

2.2.3 空气

欧拉网格中填充的空气用理想气体状态方程描述为：

（6）

式（6）中：为绝热指数，对于理想气体，=1.4；为密度，空气的初始密度为0.001 225g·cm-3，初始压力为1×105Pa；g为气体比内能。

3 数值模拟与试验结果对比

利用H型锰铜压阻传感器，测试了随机抽取的8发同一批次8#雷管底部冲击波压力，得到了冲击波经过1mm有机玻璃板后的压力值，根据衰减公式计算出保护介质表面处，即雷管底部中心处的压力。通过AUTODYN软件模拟了8#雷管底部的爆轰成长过程。图8是设置的观测点得到的典型压力曲线，可得峰值点的压力值为19.74GPa。表1是数值模拟和试验值的对比结果，从表1中可以看出，数值模拟结果与试验值偏差较小，为3.51%，说明采用数值模拟方法来计算雷管底部装药的爆轰成长过程是可靠的。

表1 数值模拟值与实验值比较

图8 数值模拟典型压力曲线

4 结论

本研究在前人锰铜压阻感器法的基础上，对试验装置的搭建进行了补充优化，分析了测量过程中易出现的干扰信号问题，提供了简单易行的解决方案，较好地解决了恒流脉源与雷管作用之间的同步性匹配问题。此外，通过AUTODYN软件对雷管底部爆轰过程进行了数值模拟，得到了雷管底部中心位置的压力变化曲线和峰值压力，并与试验值进行了对比，计算结果与试验值偏差为3.51%，说明采用数值模拟方法计算工业雷管底部的爆轰成长过程是可靠的，对工业雷管输出威力的定量评价有实际意义。

[1] Keough D D.Procedure for fabrication and operation of manganin shock pressure gages[R].AD 839983,1968.

[2] Voreck W.Detonation performance[C]//Proceedings of the 8th Symposium on Explosives and Pyrotechnics.The Franklin Institute Research Laboratories, 1974.

[3] 戴实之,耿俊峰,李桂茗.用锰铜压阻技术研究雷管的动态输出特性[J].爆破器材,1987(02):1-4.

[4] 王翔,傅秋卫.一种锰铜压阻测量新方法[J].高压物理学报，1996(02):78-81.

[5] 伊芳,王桂兵.利用传感器测量爆压的研究[J].兵工学报(火化工分册),1997(01):61-62,60.

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[7] 侯素娟,秦志春,陈西武,周彬,徐振相.一种测量雷管输出威力的新方法[J].爆破器材,2003(2):17-21.

[8] 王惠娥,胡学先.锰铜压阻法测量雷管输出能力[J].煤矿爆破,2003(4):14-16.

[9] 李国新,程国元，焦清介.火工品实验与测试技术[M ].北京:北京理工大学出版社,1997.

[10] 黄正平,冯喜春,刘长林.测试雷管输出压力的方法和设备:中国,90109527.3[P].1991-05-08.

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[14] 张宝玶,张庆明,黄风雷.爆轰物理学[M].北京:兵器工业出版社,2001.

Experiment and Numerical Simulation Research on Measuring the Detonation Pressure of Industrial Detonator

JIANG Jun，YAN Nan，BAO Bing-liang

(State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing,100081)

In order to quantitatively evaluate the output power of industrial detonator, a combination of experiment and numerical simulation method was used to get the detonation pressure of industrial detonator. In view of the signal interference in the process of testing, the test system has been improved so as to get clear curves of the measurement. The commercial software AUTODYN was employed to simulate the detonation process which was described by JWL equation of state. The obtained pressure was compared with that from experimental data. The results show that the deviation of the numerical simulation results with the experimental values ​​is 3.51%, indicating that the numerical simulation method can be used to study detonation growth process of industrial detonator.

Industrial detonator；Pressure；Manganin piezo-resistance method；Numerical simulation

1003-1480（2017）02-0001-05

TJ450.6

A

2016-11-15

蒋俊（1991 -），男，在读硕士研究生，主要从事工业雷管发火模块起爆性能研究。