微序列隔板对MEMS火工品传爆性能的影响 .pdf

doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 06. 002 微序列隔板对 MEMS 火工品传爆性能的影响 ❋ 李 慧 任 炜 褚恩义 白颖伟 王可暄 尹 明 陕西应用物理化学研究所应用物理化学国家级重点实验室陕西西安,710061 [摘 要] 为研究微传爆序列结构中隔板对其传爆性能影响,采用有限元分析方法,模拟了微小直径药柱以 CL- 20 和 JO-9C 作为一级、二级装药,直径分别为 2 mm 和 4 mm,径高比为 1在镍和不锈钢材料下,不同隔板厚度对微 序列起爆传爆能力的影响。 得到了 CL-20 起爆 JO-9C 装药时这两种材料隔板的临界起爆厚度,分别为 1. 6 mm不 锈钢、1. 4 mm镍,材料镍的隔爆能力优于不锈钢。 对仿真结果进行了试验验证,结果表明,该仿真能够较准确 地反映实际情况。 [关键词] 爆炸力学;隔板;传爆序列;仿真分析 [分类号] TJ450. 1 引言 MEMSmicro-electro-mechanical system,微机电 系统火工品已经成为新一代智能弹药发展的关键 技术[1]。 基于 MEMS 火工技术的微小型传爆序列 是实现火工品 MEMS 安全和发火系统的重要技术。 微传爆序列中,隔板是其能量传递的界面,通过改变 隔板的材料及厚度,可实现上下级装药的传爆或隔 爆,以确保传爆序列的可靠性和安全性。 目前,胡湘 渝[2]以直径 50 mm 的 8701 炸药、Jette 等[3]以直径 为 50 mm 的硝基甲烷炸药做了隔板对冲击波的衰 减研究;王作山等[4]建立了 RDX 炸药在有机玻璃中 的衰减模型;但这些研究主要是针对大直径装药的 传爆性能。 微小药柱与大直径药柱的爆轰机理存在很大的 差别,目前研究结果较少。微传爆序列的结构如图1 1 - 二级药柱;2 - 上腔体;3 - 一级药柱; 4 - 微雷管;5 - 隔板;6 - 下腔体;7 - 鉴定块。 图 1 微序列结构 Fig. 1 Structure diagram of the micro sequence 所示,隔板位于一级、二级药柱之间。 本文中,针对 微传爆序列中隔板材料及结构对其传爆性能的影响 进行研究,以CL-20和JO-9C作为微序列的一级和二 级装药,直径分别为 2 mm 和 4 mm,径高比是 1。 基 于 JWL 和 Lee-Tarver 模型,采用有限元仿真方法研 究不锈钢和镍材料的隔板对微序列传爆能力的影 响,并进行试验验证,为 MEMS 火工品的设计研究 提供依据。 1 微序列隔板起爆数值模拟 1. 1 有限元模型 选择 AUTODYN 软件进行仿真研究[5]。 微序列 为轴对称结构,因此,取一级药柱底面中心点为坐标 原点、X 轴为对称轴建立模型,如图 2。 考虑仿真精 度及计算时间,有限单元大小设置为 0. 1 mm。 在模 型轴对称处设立观测点118,获取压力时间曲 线。 模拟过程从一级药柱开始,以中心点起爆方式 起爆。 图 2 仿真有限元模型 Fig. 2 Finite element model for simulation 112016 年 12 月 微序列隔板对 MEMS 火工品传爆性能的影响 李 慧,等 ❋ 收稿日期2016-06-29 基金项目兵器集团战略基金 作者简介李慧1987 - ,女,硕士,工程师,主要从事高新火工系统技术研究。 E-maillihuilingshi163. com 万方数据 1. 1. 2 状态方程与材料参数 研究涉及药柱材料、空气介质、壳体及鉴定块材 料。 一、二级药柱的爆轰为非线性流体力学问题。 壳体及鉴定块材料涉及固体大变形,选用流固耦合 法进行计算。 1一级药柱的状态方程选用 JWL 方程,此方程 可描述爆轰产物膨胀过程[6-7],其形式为 p A1 - ω R1Ve - R1V B1 - ω R2Ve - R2V ωE V 。1 式中p 为爆轰产物压力;V 为相对体积;E 为体积能 量密度;A、B 为线性系数;R1、R2、ω 为非线性系数。 CL-20 的各参数取值如表 1 所示。 表 1 CL-20 的 JWL 模型参数 Tab. 1 JWL equation parameters of CL-20 ρ0/ gcm -3 A/ GPa B/ GPa R1R2ω E/ Jmm -3 1. 841 6371866. 52. 70. 511. 5 2隔板、壳体及鉴定块均选用 Gruneisen 材料 方程,此方程可通过材料的压缩压力和膨胀压力表 示固体大变形。 压缩压力定义为 p ρ0C2μ 1 1 - γ0 2 μ - a 2 [] 1 - S1-1μ - S2 μ2 μ 1 - S3 μ3 μ 12 [] γ0 aμE。2 膨胀压力为 p ρ0C2μ γ0 aμE。3 式中μ 为压缩程序,μ 1/ V -1,V 为相对体积;C 为冲 击 波 速 度 与 质 点 速 度 曲 线 的 截 距; γ0为 Gruneisen系数;a 为对 γ0的一阶体积修正;S1、S2、S3 为冲击波速度与质点速度曲线斜率系数[8]。 不同材料隔板的 Gruneisen 参数取值见表 2。 表 2 不同材料隔板的 Gruneisen 参数 Tab. 2 Gruneisen parameters of the gaps made of different materials 材料 ρ0/ gcm -3 C/ skm -1 S1S2S3a 不锈钢7. 834. 5691. 490000. 46 镍8. 814. 1901. 540000. 41 3二级药柱爆轰是由冲击波压力作用引起,反 应过程不可忽略,以 Lee-Tarver 方程描述其作用过 程[9-10]。 dF dt I1 - F bρ ρ0 -1 - a x G11 - F cFdpy G21 - F eFgpz。 4 式中F 为炸药反应度;t 为时间;ρ 为密度;ρ0为初 始密度;p 为压力;I、b、a、x、G1、c、d、y、G2、e、g 和 z 为 方程系数。 JO-9C 的参数见表 3。 2 仿真结果与分析 采用流固耦合法对微序列隔板起爆进行仿真。 图 3 中,在一级药柱完全爆轰的情况下,得到冲击波 表 3 JO-9C 的 Lee-Tarver 方程参数 Tab. 3 Lee-Tarver parameters of JO-9C ρ0/ gcm -3 A/ GPaB/ GPaR1R2ωE/ Jmm -3 1. 84852. 410. 84. 61. 30. 3810. 2 abcdyegz 0. 66700. 6670. 11110. 3331. 02. 0 a不锈钢隔板 b镍隔板 图 3 二级药柱输入端面压力-时间曲线 Fig. 3 Cross section pressure-time curves of secondary column 21 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 6 期 万方数据 经过不同厚度不锈钢和镍隔板后二级药柱输入端面 的压力。 仿真表明,随着隔板厚度增大,二级药柱输入端 压力大幅降低,相同厚度的镍隔板比不锈钢隔板压 力衰减更大。 以两种隔板同为 0. 5 mm 为例不锈 钢隔板 0. 3 μs 时爆轰波到达二级药柱输入端,最大 压力为 11. 85 GPa;镍隔板0. 35 μs 时爆轰波才到二 级药柱输入端,最大压力为 9. 80 GPa。 说明爆轰波 在镍隔板中的传播速率比不锈钢隔板慢,且镍隔板 对爆轰压力衰减的能力比不锈钢隔板更强。 2. 1 微序列不锈钢隔板起爆仿真结果 计算通过不同厚度不锈钢隔板后二级药柱的爆 轰参数,研究不锈钢材料对爆轰波压力传播的影响 规律。 药柱观测点的 p-t 曲线表明其不同深度不同 时刻的压力情况。 由二级药柱观测点611的 p-t 曲线可对其爆轰情况进行判定,如图 4。 a1. 6 mm 厚 b1. 7 mm 厚 图 4 通过不锈钢隔板的二级药柱压力-时间曲线 Fig. 4 Time dependence of secondary column pressure across the stainless steel gap 如图 4a,隔板厚 1. 6 mm,t 0. 4 μs 时,爆轰 传到二级药柱底部发生点火,沿着爆轰波传播的方 向,观测点压力达到其爆轰压力并稳定传播,说明二 级药柱达到稳定爆轰。 图 4b中,隔板厚 1. 7 mm 时,当爆轰传到二 级药柱底部,沿着爆轰波传播的方向,药柱底部观测 点压力逐渐上升至 7 GPa 左右,然后其压力值随时 间下降,并且随着药柱深度的增加,各观测点压力峰 值大幅减小,且远低于爆轰压力,二级药柱未爆轰。 2. 2 微序列镍隔板起爆仿真结果 模拟通过不同厚度镍隔板后二级药柱的爆轰情 况,研究镍材料对爆轰波压力传播的影响规律。 由 在二级药柱设置的观测点611的 p-t 曲线对其 爆轰情况进行判定。 图5a中,隔板厚1. 4 mm 时,沿爆轰波传播方 向,观测点压力逐渐上升后稳定传播,二级药柱稳定 爆轰。 图 5b中,隔板厚 1. 5 mm,当 t 0. 43 μs 时, 爆轰传到二级药柱底部,沿爆轰波传播的方向,药柱 观测点压力逐渐上升至 5. 6 GPa 左右,然后其压力 值随时间减小,并且随着药柱深度的增加,各观测点 压力值大幅降低,最终低于其爆压,说明二级药柱未 发生爆轰。 a1. 4 mm 厚 b 1. 5 mm 厚 图 5 通过镍隔板的二级药柱压力-时间曲线 Fig. 5 Time dependence of secondary column pressure across the nickel gap 由仿真结果可知,微序列中密度为 1. 84 g/ cm3 的 CL-20 可传爆 JO-9C 的不锈钢和镍材料的临界隔 板值为 1. 6 mm、1. 4 mm,可安全隔爆的不锈钢和镍 的临界隔板值为 1. 7 mm、1. 5 mm。 为验证仿真的 正确性,对其进行试验。 312016 年 12 月 微序列隔板对 MEMS 火工品传爆性能的影响 李 慧,等 万方数据 3 微序列隔板起爆试验验证 3. 1 试验装置 通过微序列隔板起爆发火试验对仿真结果进行 验证,运用小雷管对一级药柱进行起爆,起爆方式为 电起爆,发火条件为 12 V。 一级药柱尺寸⌀2 mm 2 mm,密度 1. 84 g/ cm3;二级药柱⌀4 mm 4 mm, 密度 1. 84 g/ cm3;上腔体尺寸为⌀1. 2 mm 0. 2 mm;下腔体为⌀1. 2 mm 0. 4 mm;鉴定块为⌀1. 6 mm 0. 2 mm。 隔板结构如表 4,试验样品如图 6。 表 4 试验中隔板结构参数 Tab. 4 Dimension of the testing gap 编号隔板外径/ mm隔板厚度/ mm材料 1121. 6不锈钢 2121. 7不锈钢 3121. 4镍 4121. 5镍 1 - 雷管;2 - 一级药柱;3 - 隔板; 4 - 二级药柱;5 - 下腔体;6 - 上腔体;7 - 装配图。 图 6 试验样品与装配图 Fig. 6 Testing samples and device 3. 2 试验结果 此次共进行了 16 发试验,其中,1、2、3、4样 品各 4 发,结果如表 5。 表 5 中,1 表示药柱作用;0 表示药柱未作用。 如图 7 所示,1样品上腔体被炸裂,鉴定块出现 很大凹痕,表征 JO-9C 完全爆轰;2样品隔板并未击 穿,上腔体中二级药柱完好存在,JO-9C 未爆轰。 图 8 中 3样品上腔体出现大变形,鉴定块出现大凹痕, JO-9C 完全爆轰;4样品隔板击穿,但上腔体中二级 药柱并未发生大的损耗,JO-9C 未爆轰。 试验结果 与仿真结果一致,仿真结果是可靠的。 4 结论 通过微装药爆轰波经不同材料隔板后的爆轰情 表 5 微序列隔板起爆试验结果 Tab. 5 The experimental results of initiation test on micro sequence gap 样品 隔板厚度/ mm 材料 二级药柱 是否作用 现象 11. 6不锈钢1爆轰 11. 6不锈钢1爆轰 11. 6不锈钢1爆轰 11. 6不锈钢1爆轰 21. 7不锈钢0 药柱部分燃烧,壳 体被熏黑 21. 7不锈钢0 药柱受到破坏,未 燃烧 21. 7不锈钢0 药柱部分燃烧,壳 体被熏黑 21. 7不锈钢0 药柱部分燃烧,壳 体被熏黑 31. 4镍1爆轰 31. 4镍1爆轰 31. 4镍1爆轰 31. 4镍1爆轰 41. 5镍0 药柱部分燃烧,壳 体被熏黑 41. 5镍0 药柱部分燃烧,壳 体被熏黑 41. 5镍0 药柱部分燃烧,壳 体被熏黑 41. 5镍0 药柱部分燃烧,壳 体被熏黑 a1. 6 mm 厚1 b1. 7 mm 厚2 图 7 不锈钢隔板起爆试验结果 Fig. 7 The experimental results of initiation test on stainless steel gap a1. 4 mm 厚3 b1. 5 mm 厚4 图 8 镍隔板起爆试验结果 Fig. 8 The experimental results of initiation test on nickel gap 41 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 6 期 万方数据 况数值研究及试验验证,可以得出如下结论 1微序列中,以不锈钢和镍材料作隔板时,爆 轰波经不锈钢隔板后对 JO-9C 的起爆能力大于镍。 因此对于上述两种材料,从微序列隔爆方面来看,镍 优于不锈钢。 2对于径高比为 1、密度为1. 84 g/ cm3的CL- 20,其可起爆JO-9C装药的不锈钢和镍材料的临界隔 板值为 1. 6 mm、1. 4 mm。 且仿真结果与试验一致, 此仿真方法可解决微序列起爆传爆的问题,为 MEMS 火工品设计提供依据。 参 考 文 献 [1] 孔俊峰, 李兵. 新一代火工技术及其应用[J]. 国防技 术基础,2010740-43,51. [2] 胡湘渝. 凝聚炸药二维冲击波起爆研究[D]. 北京北 京理工大学,1999. [3] JETTE F X, GOROSHIN S, HIGGINS A. Shock reactivi- ty of non-porous mixtures of manganese and sulfur[C] / / 15th APS Topical Conference on Shock Compression of Condensed Matter. Hawaii,US,20071033-1036. [4] 王作山,刘玉存,郑敏,等. 爆轰冲击波在有机隔板中 衰减模型的研究[J]. 应用基础与工程科学学报, 2001,94316-319. WANG Z S,LIU Y C, ZHENG M,et al. Study on the attenuating model of detonation shock wave in the PMMA gap[J]. Journal of Basic Science and Engineering,2001, 94316-319. [5] 王辉, 沈飞, 袁建飞, 等. JO-9159 炸药强爆轰雨贡纽 实验及产物的状态方程研究[J]. 火炸药学报, 2014, 376 12-15. WANG H, SHEN F, YUAN J F, et al. Research on the Hugoniot Experiment and EOS of product for JO-9159 explosive overdriven detonation[J]. Chinese Journal of Explosives gap; explosive sequence; simulation analysis 512016 年 12 月 微序列隔板对 MEMS 火工品传爆性能的影响 李 慧,等 万方数据