起爆方式对柱形炸药空爆冲击波场的影响.pdf

第3 3 卷第4 期 爆破 V o l 3 3N o 4 2 0 1 6 年1 2 月B L A S T I N G D e e ．2 0 1 6 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 6 ．0 4 ．0 0 6 起爆方式对柱形炸药空爆冲击波场的影响 谷鸿平，柳雯，李广嘉 西安近代化学研究所，西安7 1 0 0 6 5 摘要为研究起爆方式对柱形炸药爆炸能量输出的控制效应，运用A U T O D Y N 软件对不同起爆方式作用 下的炸药在空气中爆炸过程进行了模拟。通过对比分析参考位置的冲击波超压峰值，得到了起爆方式对爆 炸冲击波场分布的影响规律。研究结果表明比例距离小于5m k g - 1 ”时，起爆方式可改变爆炸冲击波场 的局部分布形态，其在不同的方向和距离对冲击波超压影响存在差异；比例距离大于5m k g - 1 ”时，起爆方 式对冲击波场分布基本无影响；柱形炸药长径比一定的条件下，同一起爆方式作用下的爆炸相似律仍然 成立。 关键词起爆方式；爆炸；冲击波场；爆炸相似律 中图分类号T J 5 5文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 4 0 0 3 4 0 5 I n f l u e n c e so fI n i t i a t i o nM o d e so nA i rB l a s tW a v e F i e l d sP r o d u c e db yC y l i n d r i c a lE x p l o s i v e s G UH o n g - p i n g ，L I UW e n ，L IG u a n g - j i a X i ’a nM o d e mC h e m i s t r yR e s e a r c hI n s t i t u t e ，X i ’a n7 1 0 0 6 5 ，C h i n a A b s t r a c t T os t u d yt h ec o n t r o le f f e c t so fi n i t i a t i o nm o d e so ne x p l o s i o ne n e r g yo u t p u to fc y l i n d r i c a le x p l o s i v e ，t h e a i re x p l o s i o np r o c e s so fe x p l o s i v e sw i t hd i f f e r e n ti n i t i a t i o nm o d e sw e r es i m u l a t e db yA U T O D Y Np r o g r a m ．T h ee f f e c t r u l e so fi n i t i a t i o nm o d e so nt h eb l a s tw a v ef i e l d sw e r eo b t a i n e db yc o m p a r a t i v ea n a l y s i so fb l a s tw a v ep e a ko v e E p r e s - s u r ea td i f f e r e n to b s e r v a t i o np o s i t i o n s ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h el o c a ld i s t r i b u t i o nc o n f i g u r a t i o n so ft h eb l a s tw a v e f i e l d sw i t h i n5m k g - 1 ／3s c a l ed i s t a n c ec a nb ec h a n g e db yi n i t i a t i o nm o d e s ．T h ee f f e c t s o fi n i t i a t i o nm o d e so nt h e b l a s tw a v ep e a ko v e r p r e s s u r eh a v ed i f f e r e n c e si nd i f f e r e n td i r e c t i o n sa n dd i s t a n c e s ．T h ei n i t i a t i o nm o d e sh a v ea l m o s t n oi n f l u e n c eo nt h eo v e rp r e s s u r eo fs h o c kw a v ei ft h es c a l ed i s t a n c ei sg r e a t e rt h a n5m k g - 1 ／3 ．W h e nt h el e n g t h - d i a m e t e rr a t i oo fe x p l o s i v e sa r ec o n s t a n t ，b l a s tw a v ef i e l du n d e ra c t i o no ft h es a m ei n i t i a t i o nm o d ec o n f o l T a st ot h e s i m i l a rl a wo fb l a s t i n g ． K e yw o r d s i ‘n i ‘t i ‘a t i ‘o nm o d e s ；e x p l o s i o n ；b l a s tw a v ef i e l d ；s i m i l a rl a wo fb l a s t i n g 爆破战斗部在爆炸过程中伴随着巨大的能量释 放，产生强烈的冲击波和高温、高压爆轰产物，通常 条件下，冲击波超压是爆破战斗部的主要毁伤元素。 通过控制战斗部内炸药装药的起爆方式，可以获得 不同的爆炸冲击波场，与目标耦合后能够产生不同 的毁伤效应。因此，炸药的起爆方式是影响战斗部 收稿日期2 0 1 6 0 9 1 2 作者简介谷鸿平 1 9 8 3 一 ，男，工程师、硕士，从事战斗部设计与仿 真科研工作， E m a i l g h p 9 1 1 s i n a ．e o Y t l 。 对目标的毁伤效能的重要因素之一【1 ’2J 。 国内外学者针对炸药起爆方式对爆炸能量输出 特性的影响进行了大量研究，但目前主要研究的方 向主要为起爆方式对聚能侵彻体成型影响、对杀伤 破片初速和聚焦特性影响、水下战斗部定向爆炸作 用等内容旧剖。针对柱形装药的点／面及其组合形式 的起爆方式对爆炸冲击波场分布特性影响的研究相 对较少。 针对典型炸药结构，设计了多种起爆方式，运用 万方数据 第3 3 卷第4 期谷鸿平，柳雯，李广嘉起爆方式对柱形炸药空爆冲击波场的影响 3 5 A U T O D Y N 显式非线性动力学分析程序，对比分析了 不同起爆方式条件下的爆炸冲击波场分布特性，得到 了起爆方式对爆炸冲击波场的影响规律。通过典型 算例验证了起爆方式作用下爆炸相似律的普适性，研 究结果可为爆破战斗部起爆方式设计提供参考。 1 炸药结构及起爆方式设计 圆柱形炸药高度2 3 2m m ，直径5 8m m ，长径比 为4 。炸药类型为T N T ，密度1 ．6 3m g ／m m 3 ，炸药质 量1k g 。起爆方式设置有两大类。第一类为点／面 单一起爆方式，包括中心单点、端面单点、一端面起 爆三种形式，如图1 所示。第二类为点／面组合起爆 方式，包括两端点、两端点加面、两端面起爆三种形 式，如图2 所示。 点后端起爆点后端起爆面 蛋白 图1单一起爆方式示意图 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fs i n g l ei n i t i a t i o nm o d e 后端起爆点前端起爆点后端起爆面前端起爆点后端起爆面前端起爆面 甘仔仔 图2 组合起爆方式示意图 F i g ．2 S c h e m a t i cd i a g r a mo fc o m b i n e di n i t i a t i o nm o d e 为方便表述起爆方式对炸药爆炸冲击波场分布 的影响，在如图1 所示以炸药中心为原点的X O Y 直 角坐标系下，定义位于炸药轴线上的x 轴正向为炸 药前向；X 轴负向为炸药后向；Y 轴正向为炸药侧 向。定义比例距离Z R W 。1 力 单位为i n k g 一力 ，式中R 为测点与炸药中心之间的距离，形 为r I N T 等效药量【9J 。常见的研究爆炸冲击波场的 方法是分析超压峰值与比例距离的对应关系。通过 对比炸药前向、后向、侧向三个方向上比例距离z ≤ 5m k g 一力范围内的超压峰值特性，分析起爆方式 对爆炸冲击波场分布的影响规律。 2 数值模拟 2 ．1 计算模型建立 利用A U T O D Y N 软件的二维轴对称方法进行爆 炸过程模拟。通过在模型区域边界施加无反射边界 以模拟无限空气域。炸药与空气材料均采用E U L - E R 求解器计算。计算模型如图3 所示。 图3 数值计算模型示意图 F i g ．3 S c h e m a t i cd i a g r a mo fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm o d e l 为考察爆炸冲击波场的分布特性，从炸药中心 开始，在其前向、后向与侧向0 Z ≤5i n k g 。1 力区 间内，每间隔0 ．2 5I n k g 一乃布设一个高斯点作为 超压观测点，部分高斯点的位置见图3 所示。 2 ．2 材料模型及参数 采用J W L 状态方程描述T N T 炸药爆轰产物的 压力和比容的关系‘加d2 1 ，即 P A - 一南 e 吨” B 一南 e 吨” 警 1 式中P 、E 和y 分别表示爆轰产物的压力、单 位体积的内能和比容 单位体积装药产生的爆轰产 物的体积 ；A 、曰、R 。、R 、c c ，为独立的物理常数。见 表1 。 表1T N T 炸药材料参数 T a b l e1M a t e r i a lp a r a m e t e r so fT N Te x p l o s i o n 空气材料采用I d e a lG a s 状态方程描述3 | 。 P 7 1 p e 2 e E ／p o 3 式中P 为气体压力；y 为理想气体常数；p 为气 体现时密度；| p 。为气体初始密度；e 为比内能 单位 质量炸药能量 ；E 为能量密度 单位体积炸药能 量 ；空气的材料参数见表2 。 ‰ ‰ m Ⅲ №几㈠■■■■ 万方数据 3 6爆破2 0 1 6 年1 2 月 表2 空气材料参数 T a b l e2 A i rm a t e r i a lp a r a m e t e r s 3 结果与讨论 3 ．1 起爆方式对前向超压影响 图4 所示为不同起爆方式条件下，冲击波前向 超压峰值对比直方图。分析知起爆方式对冲击波 的影响程度随比距离的增大而逐渐减小。在z 2 范围内，单一起爆方式形成的冲击波超压峰值较高， 2 ≤z 5 时，组合起爆方式形成冲击波超压峰值略 高。z 5 时，不同起爆方式形成的超压峰值基本相 等，相对偏差在3 ％以内，可判断在z ≥5 时，不同 起爆方式形成的冲击波前向超压峰值逐渐趋同。 O O o o o o o o 为研究在z ≤2 范围内，起爆方式对前向超压 产生不同的影响趋势的原因，以一端面起爆和两端 面起爆为例，分析两种起爆方式作用下，爆炸冲击波 前向超压的时间与空间分布特性。图5 与图6 分别 为一端面和两端面起爆条件下，不同比例距离z 处 的冲击波前向超压时程曲线。可以看出，一端面起 爆产生的冲击波超压峰值随比距离的增大不断减 小u4 | ，并呈现一定的规律性，炸药起爆后产生的首 个前沿冲击波在不同比距离处产生一个较高的超压 峰值。两端面起爆条件下，在z 1 、1 ．2 5 、1 ．7 5 三 条超压曲线上均有两个明显的超压峰，第一个超压 峰是前沿冲击波形成，第二个超压峰表明在炸药前 向产生了二次冲击波。由于本文选用炸药为T N T ， 故排除炸药本身的反应特性产生的能量再次释放， 可以判断是起爆方式的作用形成了超压曲线上的第 二个波峰，其产生的原因为两端面起爆导致冲击波 在炸药中心位置发生对碰，之后会继续向前后两个 方向传出新的扰动冲击波，因冲击波相对波前介质 的传播速度是超声速的，相对波后介质的传播速度 时亚声速的，因此，新产生的冲击波会追赶上前向传 播的第一个前沿冲击波5 】，冲击波的反复碰撞叠加 导致其在交汇位置附近的超压明显增强6 | 。在z 1 ．7 5 的超压曲线上，叠加后的二次超压峰值甚至高 于第一个前沿冲击波产生的超压峰值，多个冲击波 相互作用达到平衡之后，会继续向前传播新的稳定 冲击波，因此z 2 的超压曲线又呈现较为明显的 时空衰减特性。 Ol234 1 3 m e ，m s 图5 一端面起爆超压时程曲线 F i g ．5O v e r p r e s s u r eV S ．t i m ec u r v e si n s i n g l ei n i t i a t i o ns u r f a c em o d e 0l2345 n m e ，m s 图6 两端面起爆超压时程曲线 F i g ．6O v e r p r e s s u r eV S ．t i m eC u I T e Si n t w oi n l ’t l 。a t l ’o ns u r f a c e sm o d e 综上所述，在Z 2 范围内，单一起爆方式条件 下，冲击波受炸药前端面附近的稀疏波影响较小，冲 击波前向超压峰值较高。在2 ≤z 5 范围内，组合 起爆方式会产生冲击波对碰现象，冲击波叠加效应 使得冲击波前向超压增强；在z ≥5 以外区域，起爆 方式对炸药前向超压影响很小，趋于一致。 3 ．2 起爆方式对后向超压影响 图7 所示为不同起爆方式条件下冲击波后向超 O O O O O O O O ∞筋 加 2 m ； o 对山_、芝鼍码q沁kA k讪斗。电≈∞钆 万方数据 第3 3 卷第4 期谷鸿平，柳雯，李广嘉起爆方式对柱形炸药空爆冲击波场的影响 3 7 压峰值对比直方图。可以看出，在Z 2 时，只要有 炸药后端点或后端面起爆的存在，不论单一或是组 合的起爆方式产生的后向超压峰值基本一致，均低 于中心起爆形成的冲击波超压峰值。分析原因为 后端面受稀疏波的影响较大，降低了初始冲击波后 向超压峰值ⅢJ 。同样由于组合起爆方式导致冲击 波对碰和叠加效应，使得z ≥2 范围以外的超压峰 值略高于单一起爆方式条件下的冲击波。Z 5 时， 不同起爆方式形成的后向超压峰值相对偏差在3 ％ 以内，可以推断在z ≥5 时，不同起爆方式对后向 超乐峰值基本无影响． 1 ．O1 ．52 ．O2 ．53 ．03 ．54 ．04 ．55 ．0 Z ／ m k g 。” 图7 冲击波后向超压峰值对比直方图 F i g ．7C o m p a r i s o nh i s t o g r a mo fb a c k w a r d f a c i n g p e a ko v e r - p r e s s u r e 3 ．3 起爆方式对侧向超压影响 图8 所示为不同起爆方式条件下冲击波侧向超 压峰值对比直方图。分析知z ≤1 范围内，组合起 爆方式形成的侧向超压略高，相对偏差小于5 ％。 随着比距离的增大，各种起爆方式形成的冲击波侧 向超压峰值逐渐趋同。在Z 5 时，不同起爆方式 得到的超压峰值相对偏差小于2 ％，可以判断起爆 方式对z ≥5 区域的冲击波侧向超压峰值影响很 小，在工程应用中可忽略。 图8 起爆方式对侧向超压峰值影响直方图 F i g ．8C o m p a r i s o nh i s t o g r a mo fs i d ed i r e c t i o n p e a ko v e r p r e s s u r e 3 ．4 起爆方式作用下的爆炸相似律 以两端面起爆方式为例，固定炸药长径比为4 。 通过对比1k g 、1 2 5k g 、1 0 0 0k g 三种炸药质量条件 下的爆炸冲击波场分布，以验证爆炸冲击波场分布 是否符合爆炸相似律。 图9 所示为不同药量条件下，炸药爆炸冲击波 前向超压峰值对比直方图。可以看出，不同药量形 成的爆炸冲击波前向超压分布完全一致。经多个算 例的验证炸药后向、侧向的超压分布也与药量无 关。分析知在起爆方式、炸药类型和形状一定的条 件下，炸药爆炸冲击波场的分布相似。冲击波的超 压峰值是比例距离z 的函数，只要z 值相等，超压 峰值就相等，即爆炸相似律同样适用。因此，本文以 1 k gT N T 炸药为研究对象得到的起爆方式对爆炸冲 击波场影响规律具有通用性。 1 ．O1 ．52 ．02 ．53 ．03 ．54 ．04 ．55 ．0 Z ／ m - k g “’ 图9 不同药量产生的前向超压峰值对比直方图 F i g ．9C o m p a r i s o nh i s t o g r a mo ff o r w a r d - f a c i n gp e a l 【 o v e r - p r e s s u r ep r o d u c e db yd i f f e r e n te x p l o s i v eq u a n t i t y 4 结论 1 在5 倍比例距离范围内，起爆方式可改变 炸药爆炸冲击波场的局部分布形态，在不同的方向 和距离会对冲击波场产生不同的影响趋势；在5 倍 比例距离外，起爆方式对爆炸冲击波场基本无影响。 2 长径比一定的柱形炸药，起爆方式相同，爆 炸冲击波场分布也相同，超压峰值只与比例距离有 关，点／面及其组合起爆方式作用下的爆炸也符合相 似律。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]隋树元，王树山．终点效应学[ M ] ．北京国防工业出 版社，1 9 9 9 2 8 0 ． [ 2 ]鲁忠宝，南长江．水下战斗部定向起爆方式与威力场 关系仿真研究[ J ] ．鱼雷技术，2 0 0 7 ，1 5 6 2 8 - 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