基于输出特性仿真的引信传爆管结构优化 .pdf

doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 05. 005 基于输出特性仿真的引信传爆管结构优化 ❋ 刘 鹏① 王雨时① 闻 泉① 黄建强② 谷宝成③ 张志彪① ①南京理工大学机械工程学院江苏南京,210094 ② 岳阳金秋红日工业有限公司湖南岳阳,414001 ③山东红旗机电有限公司山东潍坊,261108 [摘 要] 针对引信细长传爆管结构可生产性差的问题,应用有限元仿真软件 ANSYS/ LS-DYNA 对不同结构和不 同长度的传爆管输出特性进行了仿真,得到了不同结构和不同长度传爆管起爆后作用在战斗部炸药柱各点上的压 力-时间历程曲线,并通过冲击起爆理论判断不同结构和不同长度传爆管的起爆能力。 结果表明,输出端面带有聚 能凹槽的传爆管相比于传统的平底传爆管,起爆能力较强,所需传爆药量少,轴向尺寸也最短。 39 发起爆试验验证 了仿真可信性。 [关键词] 传爆管;数值仿真;结构优化;冲击起爆 [分类号] TD235. 2 2;TJ510. 3 引言 传爆管直接影响引信输出能力。 文献[1]研究 了凹球形和半球形传爆药柱的起爆能力,并与圆柱 形传爆药柱的起爆能力进行了试验对比,结果表明, 凹球形和半球形结构的传爆药柱起爆能力较圆柱形 传爆药柱有明显提高。 文献[2]利用主装药变组分 法和主装药轴向钢凹法研究了异形传爆药柱的起爆 能力,试验结果表明异形传爆药柱的起爆能力优于 圆柱形传爆药柱的起爆能力,传爆药柱和主装药柱 之间的接触面积对异形传爆药柱的起爆能力有很大 影响。 文献[3]利用数值模拟的方法研究了不同聚 能穴直径下异形传爆药柱的起爆能力,结果表明异 形传爆药柱的起爆能力随聚能穴直径的增大,先提 高后降低,异形传爆药柱起爆能力优于圆柱形。 文 献[4]研究了不同传爆距离下的圆柱形传爆管、聚 能凹穴结构传爆管传爆能力,研究表明随着传爆距 离的增大,两种结构传爆管轴向输出威力差异较大, 聚能凹穴结构传爆管更适合远距离传爆。 云爆弹装药需要有抛撒效应,初期设计的引信 传爆管外凸部很长,传爆管壳采用细长的车制薄壳 结构,给生产包括机械零件加工和装药压制带来 一定的难度。 因此,在保证可靠起爆弹丸、实现预定 作战效能的前提下,尽量简化传爆管结构,对降低生 产成本具有重要意义。 本文中,应用 ANSYS/ LS-DYNA 数值仿真方法, 对比不同结构传爆管的起爆能力,并通过试验验证 其可信性,为传爆管结构优化提供参考。 1 冲击起爆及爆轰传播理论 炸药受冲击起爆是一种常见的起爆方式。 目 前,较为成熟的冲击起爆的理论有临界压力判 据[5]、临界起爆能量判据[6]、带阻抗的冲击能量起 爆判据[7]和考虑面积效应的冲击能量起爆判据[8]。 在装药种类一定时,决定传爆药柱起爆能力的主要 因素冲击压力、作用时间和起爆面积。 炸药的爆轰传播过程很复杂。 目前提出许多唯 象反应率模型,如 JTF 模型、HVRB 模型、点火增长 模型和统计热点模型等[9]。 其中,点火增长模型被 广泛应用于模拟各种爆轰以及炸药与惰性材料的相 互作用。 本文中,采用点火增长模型对两种传爆结 构进行数值模拟对比,并通过冲击起爆理论来判断 炸药是否起爆。 2 模型建立和数值仿真 2. 1 不同长度的平底传爆管结构 为研究传爆管装药量和长度对起爆能力的影 响,对不同长度平底传爆管进行了仿真分析。 平底 传爆管的长度如图 1 所示。 18. 8 mm 长的传爆管, 其内部装药上端面和首级药柱下端面齐平,而 40. 0 mm 长的传爆管为原始设计长度。 利用LS-DYNA软件对传爆管模型进行数值仿 真,图2为平底传爆管工程模型和简化的1 / 4有限 322016 年 10 月 基于输出特性仿真的引信传爆管结构优化 刘 鹏,等 ❋ 收稿日期2015-10-27 作者简介刘鹏1991 - ,男,硕士,主要从事引信及弹药总体技术研究。 E-mailskiy906163. com 万方数据 图 1 平底传爆管长度对比单位mm Fig. 1 Length comparison of flat-boostersunitmm 1 - 首级药柱;2 - 内套;3 - 传爆管壳; 4 - 拧紧螺圈;5 - 传爆药;6 - 导爆药;7 - 导爆管壳。 图 2 平底传爆管工程模型和 简化的 1/4 有限元模型 Fig. 2 Engineering model structure and a quarter simulation model of the flat-booster 元仿真模型。 内套、传爆管壳、拧紧螺圈、导爆管壳材料均为 2Al 2 铝合金,其主要仿真参数如表 1 所列。 表 1 2Al 2 铝合金主要参数[10] Tab. 1 Main parameters of Aluminum Alloy 2A1 2 材料 密度/ gcm -3 弹性模量/ GPa 泊松比 屈服应力/ MPa 2A1 22. 80710. 33275 导爆药和传爆药为 JH-14,首级药柱为 JH-2。 对于这两种炸药的研究较少,目前无具体的材料模 型参数。 本文中,主要研究不同传爆结构能否可靠 传爆,故从偏于保守角度考虑,采用比较钝感且成分 接近、但能量略低的 B 炸药代替 JH-2 和 JH-14 炸 药,进行数值仿真。 导爆药密度为1. 55 g/ cm3,其爆 轰产物取高能炸药燃烧的材料模型和 JWL 状态方 程,其数据取自 AUTODYN 材料库。 传爆药密度为 1. 63 g/ cm3,首级药柱密度为 1. 70 g/ cm3,其点火增 长模型参数取自 AUTODYN 材料库和文献[11],其 主要仿真参数如表 2 所列。 2. 2 有聚能凹槽的传爆管结构 前人研究表明,有聚能凹穴的传爆药柱起爆时 会形成聚能射流,从而显著提高输出能量。 故使用 聚能凹槽结构的传爆管是简化长传爆管结构的一种 表 2 传爆药和首级药柱点火增长模型 材料参数[11] Tab. 2 Ignition and growth mode parameters of the booster charge and first explosive column 材料A/ GPaB/ GPa Xp 1 Xp 2 传爆药524. 27. 6784. 21. 1 首级药柱524. 27. 6784. 21. 1 bGR1/ GPaR2/ GPa 0. 2223. 4 10 -6 778. 1-5. 031 0. 2223. 4 10 -6 778. 1-5. 031 R3R5R6λigmax 2. 460 10 -5 11. 31. 130. 3 2. 239 10 -5 11. 31. 130. 1 I/ μs -1 G1/ GPaμs -1 yd 44514 10220. 067 2 1081 10210. 111 cCvg/ MJkg -1K-1 C vs/ MJkg -1K-1 0. 2221 10 -5 2. 781 3 10 -5 0. 6671 10 -5 2. 587 0 10 -5 xa反应热 Q 40. 010. 085 40. 030. 085 初始温度 T0/ KG2/ GPaμs -1 g 298660 1020. 333 298414 1021. 000 ez λG1maxλG2min 130. 60 121. 00 有效方法。 为分析聚能传爆的效果,对不同长度的聚能传 爆管进行分析,聚能传爆管长度如图 3 所示。 图 3 中,16. 6 mm 长的聚能传爆管内部装药上端面和首 级药柱的下端面齐平。 传爆管工程模型和简化的1/4有限元仿真模型 如图4所示。聚能药型罩材料为45钢,其主要仿真参 图 3 有聚能凹槽结构的传爆管长度对比 单位mm Fig. 3 Length comparison of the booster with cumulative groovesunitmm 42 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 5 期 万方数据 图 5 首级药柱上输出取点 Fig. 5 Output point of the first explosive column 数如表 3 所列,其余材料的仿真参数同前。 1 - 首级药柱;2 - 内套;3 - 拧紧螺圈;4 - 聚能药型罩; 5 - 上螺圈;6 - 传爆药;7 - 导爆管壳;8 - 导爆药。 图 4 有聚能凹槽结构的传爆管工程模型和 简化的 1/4 有限元模型 Fig. 4 Engineering model structure and a quarter simulation model of the booster with cumulative grooves 表 3 45钢主要参数[11] Tab. 3 Main parameters of 45steel 材料 密度/ gcm -3 弹性模量/ GPa 泊松比 屈服应力/ MPa 45钢7. 85200. 10. 269355 3 仿真结果及其分析 对首级药柱上不同 位置的压力变化情况进 行分析,取点位置见图 5。 不同传爆管对应的 首级药柱上各点压力- 时间历程曲线如图 6 到 图 14 所示。 文献[12]总结了 各种炸药的起爆准则 值,并且给出了B炸药 的 临 界 起 爆 压 力 为 5. 63 GPa ,但未找到B 图 6 6. 8 mm 平底传爆管各点压力 Fig. 6 Pressure of different points on 6. 8 mm flat-booster 图 7 10. 0 mm 平底传爆管各点压力 Fig. 7 Pressure of different points on 10. 0 mm flat-booster 图 8 18. 8 mm 平底传爆管各点压力 Fig. 8 Pressure of different points on 18. 8 mm flat-booster 图 9 30. 0 mm 平底传爆管各点压力 Fig. 9 Pressure of different points on 30. 0 mm flat-booster 图 10 原长平底传爆管各点压力 Fig. 10 Pressure of different points on original flat-booster 522016 年 10 月 基于输出特性仿真的引信传爆管结构优化 刘 鹏,等 万方数据 图 11 4. 8 mm 有聚能凹槽的传爆结构各点压力 Fig. 11 Pressure of different points on 4. 8 mm shaped-charge-booster 图 13 10. 0 mm 有聚能凹槽的传爆结构各点压力 Fig. 13 Pressure of different points on 10. 0 mm shaped-charge-booster 图 12 6. 8 mm 有聚能凹槽的传爆结构各点压力 Fig. 12 Pressure of different points on 6. 8 mm shaped-charge-booster 图 14 16. 6 mm 有聚能凹槽的传爆结构各点压力 Fig. 14 Pressure of different points on 16. 6 mm shaped-charge-booster 炸药的p2t准则值,从各点压力图可见,爆轰冲击时间 t 比较一致,故在此采用临界压力准则来判断首级药 柱是否起爆,各点最大压力和起爆判断如表 4 所列。 从图 6 和图 7 可见,当平底传爆管长度较短时, 传爆药的装药量少,传爆管和首级药柱间的间隙大, 首级药柱上各点位置受到的爆轰波压力差异很小, 此时各点受到的最大压力低于其临界起爆压力,故 长度较短的平底传爆管无法可靠起爆首级药柱。 当平底传爆管长度增加时,传爆药装药量增加, 传爆管和首级药柱间的间隙减小,爆轰波的传爆速 度增快。 从图 8 到图 10 中可以看出,此时仿真得到 的压力曲线相似,首级药柱上 A、B、C 3 点的爆轰压 力已超过了临界起爆压力,能可靠起爆首级药柱。 从图11到图14可看出,对于聚能传爆结构,由 于聚能效应的影响,其径向压力大于轴向压力,且传 爆管长度变化对其轴向爆轰压力大小影响不大,轴 向位置A、B、C 3点的压力变化很小,仿真得到了比 较 相似的压力曲线。从表4可以看出,首级药柱上 表 4 不同结构传爆管对应的首级药柱上各点最大压力 Tab. 4 Maximum pressure of points on the first explosive columns of boosters with different structures GPa 传爆管结构ABCDEFG是否起爆 6. 8 mm 平底传爆管2. 822. 372. 912. 172. 322. 262. 20否 10. 0 mm 平底传爆管0. 972. 503. 102. 272. 342. 372. 29否 18. 8 mm 平底传爆管9. 018. 829. 002. 452. 372. 432. 64是 30. 0 mm 平底传爆管21. 137. 567. 662. 342. 615. 043. 16是 40. 0 mm 平底传爆管8. 5311. 589. 843. 924. 403. 822. 79是 4. 8 mm 聚能传爆管3. 218. 097. 552. 862. 732. 291. 81是 6. 8 mm 聚能传爆管4. 117. 858. 182. 512. 592. 340. 48是 10. 0 mm 聚能传爆管4. 237. 507. 522. 492. 172. 261. 06是 16. 6 mm 聚能传爆管3. 168. 5310. 562. 522. 272. 372. 62是 62 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 5 期 万方数据 B 点和 C 点最大压力大于临界起爆压力的情况,即 认为能引爆首级药柱;随着传爆管的加长,爆轰波的 传爆速度增快,在 6. 8 mm 到 10. 0 mm 之间出现反 常现象的原因可能是装药的直径变化影响了爆轰波 的传爆。 4 试验验证 为验证聚能传爆管能否起爆炸药柱,对上述两 种类型的传爆管进行钢凹对比试验。 试验共分 4 组第1 组,平底传爆管-无炸药柱,编号19;第2 组,聚能结构传爆管-无炸药柱,编号 11 20;第 3 组,平底传爆管-有炸药柱,编号 21 30;第 4 组, 聚能结构传爆管-有炸药柱,编号 3140。 通过试 验后钢块上的凹坑深度来判断炸药柱是否完全起 爆,试验装置如图 15 所示。 聚能传爆管高为 4. 8 mm,平底传爆管高为 40 mm。 炸药柱材料为 JH-2, 尺寸为⌀24 mm 15 mm,参考密度为 1. 7 g/ cm3。 钢块材料为冷拉 20钢,尺寸为⌀100 mm 50 mm。 套筒 1 与套筒 2 材料为 2A1 2 铝合金,中心小孔尺 寸与内套尺寸相同。 套筒轴向尺寸由传爆管和炸药 柱决定,保证其轴向无间隙。 试验后钢块上凹坑如 图 16 所示,各组试验结果如表 5 所列。 表 5 最末一 行给出了仿真得到的钢块凹坑尺寸。 由表 5 可以看出,无炸药柱方案第 1 组和第 2 组与有炸药柱方案第 3 组和第 4 组试验后在钢 块上形成的凹坑深度和直径差异很大,且第 3 组方 案为原设计方案,炸药柱与传爆管直接接触,平底传 爆管能可靠起爆炸药柱,故可以用第 3 组试验得到 的凹坑大小为参考值来判断炸药柱的起爆状态。 由第3组和第4组的试验结果可见,两种传爆 a第 1 组 b第 2 组 c第 3 组 d第 4 组 图 15 试验装置 Fig. 15 Test device a第 1 组 b第 2 组 c第 3 组 d第 4 组 图 16 4 组方案试验后的钢块凹坑 Fig. 16 Pits of steel block after experiments with four different schemes 表 5 各组试验结果和仿真结果 Tab. 5 Results of each test and simulation 序号 凹坑深 度/ mm 凹坑直 径/ mm 11. 4012. 59 序号 凹坑深 度/ mm 凹坑直 径/ mm 110. 5613. 96 序号 凹坑深 度/ mm 凹坑直 径/ mm 213. 5543. 16 序号 凹坑深 度/ mm 凹坑直 径/ mm 312. 8043. 40 21. 4012. 10120. 5012. 78223. 2042. 18322. 8042. 73 31. 3012. 41130. 4812. 86233. 4042. 39333. 0041. 93 41. 4712. 26140. 6812. 67243. 5742. 32342. 9642. 60 51. 3012. 15150. 4012. 55253. 8443. 31352. 7341. 90 61. 4612. 32160. 6012. 27263. 2543. 51362. 6642. 30 71. 4411. 90170. 4012. 00273. 3642. 57373. 1841. 60 81. 3812. 15180. 4012. 48283. 1142. 32382. 9042. 07 91. 3012. 50190. 7012. 70293. 7043. 36392. 9543. 84 200. 4512. 28303. 6242. 77402. 4541. 75 试验均值1. 3812. 26 仿真值1. 2813. 75 试验均值0. 5212. 66 仿真值0. 4310. 36 试验均值3. 4642. 79 仿真值2. 4641. 60 试验均值2. 8442. 40 仿真值1. 7341. 80 722016 年 10 月 基于输出特性仿真的引信传爆管结构优化 刘 鹏,等 万方数据 管起爆炸药柱后在钢块上留下的凹坑形状完全一 致,直径基本相同,深度略有差异;凹坑深度的差异 可能是由炸药柱初始起爆面积的不同造成。 因此, 可以认为带有聚能凹槽结构的传爆管能够可靠起爆 炸药柱。 试验结果表明,输出端有聚能凹槽的传爆管结 构,即使是长度为 4. 8 mm,仍有足够的轴向输出能 力起爆炸药柱,这与数值仿真方法得到的结果是一 致的。 由于 B 炸药较 JH-2 和 JH-14 炸药钝感,且爆 炸产生能量低,所以仿真结果相比实际情况会偏于 保守,但得到的规律是一致的。 因此,得到的引爆和 被引爆的结论是可信的。 5 结论 1平底长传爆管结构缩短长度会显著影响传 爆管输出能力,传爆管长度 18. 8 mm 大约是保证可 靠起爆弹丸内炸药柱的最小长度,该方案对于传爆 管结构的简化作用有限。 2输出端有聚能凹槽的传爆管结构,即使缩短 到 4. 8 mm,仍有足够的轴向输出能力;采用较短的 带有聚能凹槽结构的传爆管能减小传爆管零件生产 包括机械零件和装药压制难度,输出端有聚能凹 槽的传爆管结构是一种很有效的简化结构。 参 考 文 献 [1] 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,2005增 刊 1200-204. CAO X,HU S Q,ZHANG J Z. Study on the effect of charge structure of booster pellet had on its initiation capacity [J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2005Supp1. 1200-204. [2] 胡立双,胡双启,曹雄,等. 异形传爆药柱的起爆能力 [J]. 爆炸与冲击,2013,332207-211. HU L S,HU S Q,CAO X, et al. Initiation capacity of a special shape booster pellet [ J]. Explosion and Shock Waves,2013,332207-211. [3] 胡立双,胡双启,曹雄,等. 凹穴直径对异形传爆药柱 起爆能力的影响[J]. 兵器材料科学与工程,2014,37 335-37. HU L S,HU S Q,CAO X, et al. Effect of cavity diameter on initiation capacity of special booster pellet[J]. Ord- nance Material Science and Engineering,2014,373 35-37. [4] 李来福,王雨时,闻泉. 传爆距离对传爆管输出威力影 响的仿真研究[J]. 火工品,2014314-18. LI L F,WANG Y S, WEN Q. Simulation study on the impact of detonation transmission distance on the output power of booster [ J].Initiators numerical simulation; structural optimization; shock initiation 82 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 5 期 万方数据