多点同步起爆环形传爆药柱数值模拟研究.pdf

第3 0 卷第4 期 2 0 1 3 年1 2 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．3 0N o ．4 D C C ．2 0 1 3 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 3 ．0 4 ．0 2 9 多点同步起爆环形传爆药柱数值模拟研究 刘洪榕1 ，胡立双1 ，胡双启1 ，曹雄1 ，李娟娟2 1 ．中北大学化工与环境学院，太原0 3 0 0 5 1 ；2 ．晋西工业集团有限责任公司，太原0 3 0 0 5 1 摘要钝感主装药的出现对爆炸序列中的传爆药柱提出了更新的要求，即传爆药柱必须要有足够的输出 用于可靠起爆钝感主装药。传统的圆柱形传爆药柱很难满足钝感弹药的要求。综合运用炸药冲击起爆理论 和聚能效应，设计了环形传爆药柱，并利用A N S Y S 模拟研究了在四点和八点同步网路起爆下，环形传爆药柱 的起爆能力。数值模拟结果表明多点起爆条件下环形传爆药柱的起爆能力好于圆柱形传爆药柱，八点起爆 效果优于四点起爆效果。 关键词爆炸力学；同步起爆；传爆药；起爆能力；数值模拟 中图分类号T Q 5 6 0 文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 3 0 4 0 1 2 9 0 4 S t u d yo fA n n u l a rB o o s t e rP e l l e tu n d e rM u l t i - p o i n tS y n c h r o n o u s I n i t i a t i o nb yN u m e r i c a lS i m u l a t i o n L I Ul - l o n g ．r o n 9 1 ，H UL i s h u a n 9 1 ，H US h u a n g ．q i l ，C A OX i o n 9 1 ，L IJ u a n - j u a n 2 1 ．C o l l e g eo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n dE n v i r o n m e n t ，№n l lU n i v e r s i t yo fC h i n a ，T a i y u a n0 3 0 0 5 1 ， C h i n a ；2 ．J i n x iI n d u s t r i e sG r o u pC oL t d ，T a i y u a n0 3 0 0 51 ，C h i n a A b s t r a c t T h ea p p e a r a n c eo fi n s e n s i t i v ea m m u n i t i o np r o v i d e dn e wr e q u i r e m e n t sf o rb o o s t e rp e l l e to fd e t o n a t i o n t r a i n ，n a m e l y ，t h eo u t p u te n e r g yo fb o o s t e rp e l l e ts h o u l dp r o v i d ee n o u g he n e r g yt oi n i t i a t ei n s e n s i t i v ea m m u n i t i o n ． T h et r a d i t i o n a lc y l i n d r i c a lb o o s t e rp e l l e th a sm a n yd i f f i c u l t i e si nm e e t i n gd e m a n d so fd e t o n a t i n gi n s e n s i t i v ea n l m u n i - t i o n ．I nt h es t u d y ，a na n n u l a rb o o s t e rp e l l e tW a sd e s i g n e dt h r o u g ht h ec o m b i n e du s eo fs h o c ki n i t i a t i o nt h e o r ya n d s h a p e dc h a r g ee f f e c tt h e o r y ．T h ei n i t i a t i o nc a p a c i t i e so fa n n u l a rb o o s t e rp e l l e tu n d e rf o u r - p o i n ta n de i g h t - p o i n ts y n c h r o n o u si n i t i a t i o nw e r es t u d i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．R e s u l t ss h o wt h a tt h ei n i t i a t i o nc a p a c i t yo fa n n u l a rb o o s t e r p e l l e tu n d e rm u l t i p o i n ts y n c h r o n o u si n i t i a t i o nW a sh i g h e rt h a nt h a t o ft h ec y l i n d e r ，a n dt h ee f f e c tu n d e re i g h t - p o i n t s y n c h r o n o u si n i t i a t i o nw a sb e t t e rt h a nt h ef o u r p o i n ts y n c h r o n o u si n i t i a t i o n ． K e yw o r d s e x p l o s i o nm e c h a n i c s ；s y n c h r o n o u sl ‘m ’t m ’h 。o n ；b o o s t e re x p l o s i v e ；i n ‘i ’t i ‘a t i ‘o nc a p a c i t y ； n u m e r i c a ls i m u l a t i n n 钝感弹药成为当今世界武器弹药的发展方向之 一‘1 引。钝感弹药都包含一个可靠起爆和传爆的子 系统，由于钝感弹药中使用的主装药的钝感化，用于 收稿日期2 0 1 3 0 7 2 5 作者简介刘洪榕 1 9 9 0 一 ，女，在读硕士，从事武器安全技术研究， E - m a i l 1 0 3 5 1 6 6 6 9 5 q q ．c o r n 。 通讯作者胡立双 1 9 8 5 一 ，男，讲师、博士，主要从事武器系统与运 用工程和安全工程方面的教学、科研工作， E m a i l h l s l y l 3 1 4 1 6 3 ．c o m 。 传爆的圆柱形传爆药柱的尺寸势必增大，这就等于 增加了武器系统中敏感部件的尺寸，从而会导致意 外爆炸机会增多。在较小传爆药柱尺寸条件下可靠 的起爆钝感主装药的一个有效途径是研究新型传爆 药装药结构，通过新结构达到减小传爆药柱的装药 尺寸，进而达到武器系统安全的目的∞引。因此，开 展传爆药装药结构研究对于解决钝感主装药的安 全、可靠起爆问题具有现实意义。 万方数据 爆破 2 0 1 3 年1 2 月 课题组先前用实验的方法研究了环形传爆药柱 在四点和八点起爆下的起爆能力 因为环形传爆药 柱结构决定不能使用中心单点起爆，所以选用环周 四点和八点同步起爆方式 ，得出了一些重要结 论∞j 。实验得出的结果虽然很有说服力，但是不能 够观察到环形传爆药柱的具体起爆过程，而数值模 拟则能很好的解决这个问题。 1 数值模拟 数值模拟已经成为分析凝聚炸药爆轰的一种非 常重要的手段J ，主要研究多点起爆条件下，环形 传爆药柱轴向输出波形及径向汇聚的过程。 1 ．1 计算模型 计算中采用顶部四点和八点对称起爆，建立有 限元模型 如图1 所示 。采用六面体映射网格进 行划分。炸药、空气采用E u l e r 网格建模，网格大小 0 ．5m m ，单元使用多物质A L E 算法。把炸药、空气 的多物质A L E 单元定义为固体，它们之间采用流固 耦合法进行连接。为了节省计算量，采用四分之一 模型，并添加对称约束旧J 。 图1 计算模型图 F i g ．1 N u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e l 1 ．2 炸药及其爆轰产物本构参数 传爆药选择J O - 9 C 传爆药‘9 1 ，J O - 9 C 作为直列 式爆炸序列许用传爆药，是目前爆速较高的一种 新型传爆药。J o - g c 炸药的爆轰产物本构参数如 表1 。 表1J O - g C 炸药本构参数 T a b l e1C o n s t i t u t i v ep a r a m e t e r so fJ O - 9 C 参数数值参数 数值 A ／M b a r8 ．0 5∥M b a r0 ．1 8 R l 4 ．6 R 2 1 ．3 ∞0 ．3 8 C ／ M b a r k “ 1 1 0 5 t o ／M b a r 0 ．1 0 2 p o ／ g o m 。 1 ．6 0 D ／ m i l l 炉“ 7 ．5 P 4 ／M b a r 0 ．2 5 2 数值模拟结果与讨论 2 ．1 四点同步起爆药柱模拟结果 该过程包括药柱轴向起爆及径向汇聚过程。 2 ．1 ．1 四点起爆下轴向起爆模拟结果 四点起爆药柱轴向起爆结果见图2 。 图2 四点起爆药柱轴向起爆过程压力云图 F i g ．2 A x i a lp r e s s u r en e p h o g r a mo fb o o s t e rp e l l e tu n d e r f o u r p o i n ts y n c h r o n o u si n i t i a t i o n 从以上四点起爆药柱轴向起爆过程压力云图 看，爆轰波在对称的四点同时起爆，当t 1 ．1 9 8 斗s 时，相邻的两个爆轰波发生斜碰撞，压力的峰值增 加；当t 1 ．2 9 9I x s 时，爆轰波的前沿波阵面到达装 药1 1 ．5m m 高度的位置，此时的波阵面形状呈明显 的波浪状，波阵面前沿和波阵面后沿之间的距离为 0 ．6 5m m ；当t 2 ．5 0 0 仙s 时，爆轰波的前沿波阵面 到达装药底部，此时的波阵面形状依然不太平整。 2 ．1 ．2 四点起爆下径向汇聚模拟结果 四点起爆药柱径向汇聚结果见图3 。 图3四点起爆药柱径向汇聚压力云图 F i g ．3 R a d i a lp r e s s u r en e p h o g r a mo fb o o s t e rp e l l e tu n d e r f o u r p o i n ts y n c h r o n o u si n i t i a t i o n 万方数据 第3 0 卷第4 期刘洪榕，胡立双，胡双启，等多点同步起爆环形传爆药柱数值模拟研究 1 3 1 药柱在对称的四点同时起爆，爆轰波在沿轴向 传播的同时，也沿传爆药柱径向传播，当爆轰波传出 药柱内表面时，在中心空气介质中形成冲击波继续 向药柱中心传播，随着轴向爆轰波压力升高，向药柱 中心传播的冲击波也逐渐加强。当￡ 2 ．4 0 0 “s 时，向药柱中心传播的冲击波开始碰撞汇聚，压力逐 渐增高。此时爆轰波在轴向已基本到达药柱底部。 由于药柱中心传播的冲击波速度慢，因而中心汇聚 时间较轴向爆轰有一定时间延迟；t 2 ．9 0 0 斗s 时， 中心汇聚压力达到最大，为P 2 7 ．4G P a ，当t 3 ．7 9 9I x s 时，汇聚结束。 2 ．2 八点起爆药柱起爆过程数值模拟 2 ．2 ．1 八点起爆下轴向起爆模拟结果 八点起爆药柱轴向起爆结果见图4 。 图4 八点起爆药柱轴i 叫起爆过程压力云图 F i g ．4 A x i a lp r e s s u r en e p h o g r a mo fb o o s t e rp e l l e t u n d e re i g h t p o i n ts y n c h r o n o u si n i t i a t i o n 从模拟结果看，爆轰波在对称的八点同时起爆， 当t 0 ．7 9 9I t s 时，相邻的两个爆轰波发生斜碰撞， 压力峰值增加，然后爆轰波整体向下推进；当t 1 ．3 0 0 s 时，爆轰波前沿波阵面到达装药1 1 ．5m m 高度的位置，波阵面已经基本趋于平整，波阵面前 沿和波阵面后沿之间的距离只有约0 ．1 5m m ；当 t 2 ．5 0 0 仙s 时，爆轰波的前沿波阵面到达装药 底部。 比较二者爆轰波前沿到达药柱1 1 ．5m m 高度 位置时的波形，可以看出八点同步起爆的波形要远 远好于四点同步起爆的波形。当药柱高度不变时， 四点起爆的药柱轴向波形很难达到平齐，从而使其 轴向起爆威力减弱，对发挥药柱起爆能力有很大不 足。从模拟结果来看，增加起爆点个数可以弥补这 一不足。但是增加起爆点个数意味着增加同步起爆 网路的级数，起爆网路的级数越大，其输出同步性时 间偏差就越大，这将对药柱的输出波形产生不利影 响，因此，要根据具体情况取舍。数值模拟结果显 示，在保证较小的同步时间偏差的情况下，八点同步 起爆药柱的轴向起爆能力好于四点同步起爆的 药柱。 2 ．2 ．2 八点起爆下径向汇聚模拟结果 八点起爆药柱径向汇聚结果见图5 。 图5 八点起爆药柱径向汇聚压力云图 F i g ．5 R a d i a lp r e s s u r en e p h o g r a mo fb o o s t e rp e l l e t u n d e re i g h t - p o i n ts y n c h r o n o u si n i t i a t i o n 药柱在对称的八点同时起爆，爆轰波在沿轴向 传播的同时，也沿药柱径向传播，当爆轰波传出药柱 内表面时，在中心空气介质中形成冲击波继续向药 柱中心传播，随着轴向爆轰波压力升高，向药柱中心 传播的冲击波也逐渐加强。当t 2 ．2 0 0 斗s 时，向 药柱中心传播的冲击波开始碰撞汇聚，压力逐渐增 高。此时爆轰波在轴向距药柱底部还有一定距离。 中心汇聚较轴向爆轰也有一定时间延迟；当t 2 ．5 0 0 炉时，中心汇聚压力达到最大，为P 2 9 ．6G P a ； 当t 3 ．6 0 0 炉时，药柱汇聚结束。 对比四点、八点起爆的药柱具体的径向汇聚过 程，八点起爆环形中心轴线汇聚时间较四点提前 0 ．2 斗s ，汇聚压力达到最大值时间提前0 ．4I x s ，压力 峰值较四点大2 ．2G P a 。由于八点起爆的药柱爆轰 波轴向一致性好，因而向中心汇聚速度快，压力也 高。看来，起爆点数不仅影响轴向输出，同时对药柱 中心汇聚过程也有显著影响。总的来看，八点起爆 的药柱的起爆能力大于四点。 从模拟结果看，环形传爆药柱起爆主装药的过 程，综合了两种作用一是传爆药环轴向输出的环形 爆轰波作用，二是传爆药环径向输出的爆轰波汇聚 作用，且传爆药环径向输出的爆轰波汇聚起爆作用 占主导地位。 习一|⋯⋯⋯一㈦ 万方数据 1 3 2 爆破 2 0 1 3 年1 2 月 3结语 采用数值模拟对四点和八点同步起爆条件下的 环形传爆药柱的起爆能力进行了研究，得出如下几 点结论 1 环形传爆药柱起爆过程包括轴向起爆过程 和径向汇聚过程。 2 八点同步起爆的环形传爆药柱的起爆效果 优于四点同步起爆的效果。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 R e f e r e n c e s S P A H NPF ．E m b e d d e dC a J lb o o s t e r U S ，5 2 2 1 8 1 0 [ P ] ．1 9 9 3 ． S P A H NPF ．B o o s t e re x p l o s i v et i n g s U S ，5 2 3 3 9 2 9 [ P ] ．1 9 9 3 ． F E R MEN ，H U L LLM ．R e f l e c t e d - s h o c ki n i t i a t i o no fe x p l o s i v e s [ R ] ．E x p l o s i v eT e c h n o l o g ya n dA p p l i c a t i o n sD i ． v i s i o nL o sA l a m o sN a t i o n a lL a b o r a t o r yL o sA l a m o s ，N e w M e x i c o8 7 5 4 5 ． 胡双启，曹 雄．高起爆能力的新结构传爆药柱研究 [ J ] ．兵工学报，2 0 0 2 ，2 3 2 1 8 8 ．1 9 0 ． H US h u a n g - q i ，C A OX i o n g ．As t u d yo nt h e s t r u c t u r eo f b o o s t e rp e l l e t sh a v i n gh i g hi n i t i a t i n gc a p a c i t y [ J ] ．A c t a A r m a m e n t a r i i ，2 0 0 2 ，2 3 2 1 8 8 1 9 0 ． i nC h i n e s e 曹雄，胡双启，张建忠．装药结构对传爆药柱起爆能 力的影响研究[ J ] ．应用基础与工程科学学报， 2 0 0 5 S 1 2 0 0 2 0 5 ． [ 5 ] C A OX i o n g ，H US h u a n g q i ，Z H A N GJ i a n - z h o n g ．S t u d yo n t h ee f f e c to f c h a r g es t r u c t u r eo fb o o s t e rp e l l e th a do ni t s i n i t i ’a t i ‘o nc a p a c i t y [ J ] ．J o u r n a lo fB a s i cS c i e n c ea n dE n g i - n e e r i n g ，2 0 0 5 S 1 2 0 0 - 2 0 5 ． i nC h i n e s e [ 6 ]胡立双，胡双启，曹雄．新型传爆药柱起爆能力研究 [ J ] ．爆破，2 0 1 2 ，2 9 4 1 1 0 ．1 1 2 ． [ 6 ] H UL i s h u a n g ，H US h u a n g q i ，C A OX i o n g ．S t u d yo ni n i t i - a t i o nc a p a c i t yo fn e wb o o s t e rp e l l e t [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 2 ， 2 9 4 1 1 0 - 1 1 2 ． i nC h i n e s e [ 7 ] 潘吴，胡晓棉．钝感炸药的超压爆轰与冲击起爆过 程数值模拟[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 6 ，2 6 2 1 7 4 ．1 7 8 ． [ 7 ] P A NH a o ，H UX i a o - m i a n ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o ro v e r ． d r i v e na n ds h o c k i n g - t o d e t o n a t i o nt r a n s i t i o no fi n s e n s i t i v e e x p l o s i v e s [ J ] ．E x p l o s i o n a n dS h o c kW a v e s ，2 0 0 6 ， 2 6 2 1 7 4 1 7 8 ． i nC h i n e s e [ 8 ] 胡立双．高起爆能力的传爆药柱结构研究[ D ] ．太原 中北大学，2 0 1 3 6 8 ． [ 8 ] H UL i s h u a n g ．S t u d yo nt h es t r u c t u r e so fb o o s t e rp e l l e t sh a y ． i n gh i g hi n i t i a t i o nc a p a c i t y [ D ] ．T a i y u a n N o r t hU n i v e r s i t yo f C h i n a ，2 0 1 3 6 8 ． i nC h i n e s e [ 9 ] 钝感弹药高能起爆技术总结报告[ R ] ．太原华北工 学院，2 0 0 0 ． [ 9 ]R e p o r to fh i g h - e n e r g yi n i t i a t i o nt e c h n i c a lo fi n s e n s i t i v e a m m u n i t i o n s [ R ] ．T a i y u a n N o r t hC h i n aI n s t i t u t eo fT e c h ． n o l o g y ，2 0 0 0 ． i nC h i n e s e 上接第1 1 9 页 [ 2 ] Z H UJ i a n - q i a o ，L IJ i a o o j i e ．D e s i g na n de x p e r i m e n ts t u d y o na p p l y i n gan e wt y p es h a p e dc h a r g ed e v i c et op e n e t r a t e t h ew a l l [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 1 2 ，1 8 3 1 4 ． i nC h i n e s e [ 3 ] 项大林，荣吉利，李健，等．金属壳体装药水下爆炸的 冲击波特性[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 1 2 ，3 2 1 6 7 - 7 2 ． [ 3 ] X I A N GD a - l i n g ，R O N GJ i l i ，L IJ i a n ，e ta 1 ．S h o c kw a v e f e a t u r e so fu n d e r w a t e re x p l o s i o no fe x p l o s i v e sw i t hm e t a l s h e l l [ J ] ．E x p l o s i o na n dS h o c kW a v e s ，2 0 1 2 ，3 2 1 6 7 - 7 2 ． i nC h i n e s e [ 4 ] 杨忠华，杨军，陈大勇．混凝土拱座空心立柱水压爆 破数值模拟研究[ J ] ．爆破，2 0 1 0 ，2 7 4 7 0 - 7 3 ． [ 4 ] Y A N GZ h o n g h u a ，Y A N GJ u n ，C H E ND a - y o n g ．S t u d yo n w a t e rp r e s s u r eb l a s t i n go fr e i n f o r c e da r c hs e a ta n dh o l l o w p i l l a ri nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 0 ，2 7 4 7 0 - 7 3 ． i nC h i n e s e [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] 孙鑫，林柏泉，董涛，等．穿层深孔水压控制爆破及 其在防突工程中的应用[ J ] ．采矿与安全工程学报， 2 0 1 0 ，2 7 1 8 2 - 8 6 ． S U NX i n ，L I NB a i q u a n ，D O N GT a o ，e ta 1 ．D e e pc r o s s - i n g - h o l ec o n t r o l l e dh y d r a u l i cb l a s t i n ga n di t sa p p l i c a t i o ni n o u t b u r s tp r e v e n t i o n [ J ] ．J o u r n a lo fM i n i n g S a f e t yE n g i n e e r i n g ，2 0 1 0 ，2 7 1 8 2 - 8 6 ． i nC h i n e s e 范学臣，刘学庆，纪臻，等．混凝土拱座空心立柱水压 爆破数值模拟研究[ J ] ．工程爆破，2 0 1 1 ，1 7 3 6 2 _ 6 5 ． F A NX u e c h e n ，L I UX u e q i n g ，J IZ h e n ，e ta 1 ．H y d r a u l i c b l a s t i n gd e m o l i t i o no ft a i y u a nr o a do v e r p a s so nj i a o z h o u b a yh i g h s p e e dh i g h w a y [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ， 2 0 1 1 ，1 7 3 6 2 - 6 5 ． i nC h i n e s e L S D Y N Ak e y w o r du s e r 、Sm a n u a l [ M ] ．L i v e r m o r eS o f t ． w a r eT e c h n o l o g yC o r p o r a t i o n L S T C ，2 0 0 7 ． 万方数据