粒状发射药动态破碎研究进展.pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001- 8352. 2014. 01. 009 粒状发射药动态破碎研究进展 磁 陈言坤 ① 甄建伟① 武慧恩② 张艳明① 罗兴柏① ① 军械工程学院弹药工程系(河北石家庄,050003) ②防化军事代表局驻西宁地区军事代表室(青海乐都, 810700) [摘 要] 综述了落锤冲击试验、空气炮试验、分离式霍普金森压杆试验和动态挤压物理仿真试验等在发射药动 态破碎研究中的应用状况,介绍了破碎度法、动态活度比法和燃烧渐增因子法等发射药破碎程度的描述方法,并提 出建议在冲击载荷条件下发射药床不同位置药粒的受力特点以及药粒的本构模型和破碎模型还需进一步研究, 为描述发射过程中发射药破碎规律提供理论基础。 [关键词] 含能材料;粒状发射药;动态破碎;发射安全性;综述 [分类号] TJ410. 6;TQ562 引言 随着高膛压、高初速、高装填密度等高性能火炮 的不断发展,火炮膛内的燃烧与力学环境越来越恶 劣,发射安全性问题愈来愈突出,制约了现代高性能 武器弹药的发展 [1- 3] 。 目前,国内外的理论与实验研 究表明发射过程中膛内发射药的碰撞、挤压引起的 发射药粒大量破碎致使初始燃烧面积增大是发射药 引起膛炸的根本原因 [4- 8] 。 当发射药粒的力学性能 不能满足膛内强烈冲击载荷而发生大量破碎时,就 会引起发射药燃面的急增,从而使燃气生成速率猛 增,导致弹道起始段膛压骤增,产生膛炸。 因此,研 究发射药粒在冲击载荷条件下的动态破碎对于发射 药发射安全性评估具有重要意义。 有关科技工作者 已在这方面做了大量的工作 [9- 13] ,本文在已有成果 的基础上,综述了发射药动态破碎的研究现况,并对 今后的研究提出了展望。 1 发射药动态破碎研究手段 发射过程中药粒在膛内所处的力学环境极为复 杂,作用时间短,且难以获得破碎药粒,用射击试验 方法直接研究发射药在膛内的受力情况和破碎规律 是相当困难的。 一般采用膛外模拟的方法来研究发 射药的动态破碎 [14- 15] 。 常用研究手段有落锤冲击 试验、空气炮试验、分离式霍普金森压杆试验和动态 挤压物理仿真试验等。 1. 1 落锤冲击试验 落锤试验是利用自由落体的速度实现对试件冲 击加载,通过调整释放高度以及落锤质量达到预期 的撞击速度或撞击能量,除了自由落体产生的速度 以外,还可通过气动辅助装置对落锤进一步加速,以 达到更高的撞击速度和撞击能量。 落锤与高速摄像 机、动态力传感器等实验仪器相结合,还可以测量发 射药在冲击载荷作用下的响应 [16- 17] 。 利用落锤冲 击试验检测发射药的动态力学性能曾在我国某型坦 克炮穿甲弹低温膛炸事故原因分析与问题解决过程 中发挥过非常重要的作用 [18] 。 宋时育等人 [19] 通过 对硝胺发射药和低温感硝胺包覆发射药在低温下进 行落锤冲击对比试验,得出硝胺发射药在低温下落 锤冲击时的易破碎性使得低温感发射药在低温下点 火之后火药燃面剧增,致使 p- t 曲线前移,pm增高。 马宏伟等人 [20] 采用落锤装置模拟装药在发射过程 中的应力,用弹簧振子的模型来描述落锤试验的加 载过程。 重锤质量为 m,并视为刚体,把高度 L、截 面积 A、弹性模量 E 的装药概括为一个刚度为 k 的 弹簧,这样就形成一个弹簧振子。 通过计算可得出 最大应力和应力脉冲上升时间的表达式 σm= vmE/ (LA);(1) t = (π / 2) mL/ (EA);(2) dσ / dt = (E/ L) 2gH。(3) 由式(1)和(2)可以看出,调节落锤的质量和速 度、药床的截面积和高度等参数即可改变最大应力 值,而脉冲宽度主要由落锤质量决定,与撞击速度无 关,调节应力率主要靠调节落锤速度或药床尺寸。 342014 年 2 月 粒状发射药动态破碎研究进展 陈言坤等 磁 收稿日期 2013- 04- 13 作者简介 陈言坤(1985 ~ ),男,博士研究生,主要从事弹药技术与保障研究。 E- mailcyk19860110@163. com 通信作者 罗兴柏(1962 ~ ),男,教授,主要从事弹药技术与保障研究。 1. 2 空气炮试验 空气炮试验可用于研究发射药床在撞击和挤压 作用下的破碎规律 [21] 。 空气炮试验装置见图 1 [22] 。 被试发射药装于运载器内,通过调整装药量和低压 室容积可精确地在 0 ~ 200 m/ s 范围内调整运载器 速度,当运载器从空气炮中射出撞击到靶板时,制动 器使运载器瞬时减速至静止状态,运载器内的发射 药由于惯性力作用而发生撞击、挤压和破碎现象。 在容器后部装上模拟假发射药,前部放一层真实发 射药,可测得特定应力下发射药的破碎情况。 1 - 高压燃烧室;2 - 低压室;3 - 发射药运载器; 4 - 制动器;5 - 测速仪;6 - 靶板 图 1 空气炮试验装置原理图 Fig. 1 Schematic diagram of air gun test apparatus Cavaletti 等人 [23] 利用空气炮模拟火炮射击中 发射药颗粒群撞击弹底时药粒的受力情况,并对获 得的破碎发射药颗粒进行密闭爆发器试验,提出了 用最大相对活度(撞击前后发射药活度的比值)来 描述发射药的破碎程度。 邹瑞荣等人 [22] 利用空气 炮研究了撞击速度 68 ~ 80 m/ s、温度在 - 40℃条件 下双芳- 3 和11/ 7 单基发射药的动态力学性能,通过 在运载器中加入模拟假发射药研究了发射药颗粒在 撞击和挤压两种不同受力状态下的破碎情况。 翁春 生等人 [24] 利用空气炮发射装置和动态压力传感器, 测定了发射药颗粒间挤压应力与撞击速度之间的关 系和不同环境温度下动态撞击与动态挤压的破碎程 度,建立了发射药床破碎程度随挤压应力和温度变 化的关系式。 1. 3 分离式霍普金森(Hopkinson)压杆试验 分离式霍普金森压杆是研究包括橡胶、高聚物、 复合材料等黏弹性材料应变率在 10 2 ~ 10 4 s - 1范围 内动态力学性能的一种有效方法 [25- 26] 。 其工作原 理为将试件夹在入射杆和透射杆之间,发射装置以 一定的速度发射弹丸撞击入射杆,并在入射杆上产 生压缩应力波,当该应力波传播到入射杆与试样界 面处时,一部分应力波反射回入射杆,另一部分则传 给试样并透过试样传入透射杆。 利用粘贴在入射杆 和透射杆上的应变片测得入射应力波 εI(t)、反射 应力波 εR(t)和透射应力波 εT(t);利用应力波理论 求得被测试件应力 σs、应变 εs和应变率痹εs随时间 的变化规律 [27] σs= E A As εT; εs=- 2C0 ls 礏 t 0εRdτ ; 痹 εs=- 2C0 ls εR 。 (4) 卢芳云等人 [28] 利用霍普金森压杆试验技术研 究 PBX、B 炸药和复合固体推进剂 3 种含能材料的 高应变率响应,分别得到了它们的应力应变曲线。 结果表明 3 种含能材料的应力、应变对应变率都比 较敏感,表现出了不同的破坏规律。 吴会民等 [29] 借 助霍普金森压杆和扫描电镜研究了 PBX、B 炸药和 复合固体推进剂 3 种含能材料在不同压缩应变率下 的微观破坏特征,并分析了其破坏机理。 霍普金森 压杆试验已经成为研究材料动态力学性能的重要试 验技术,对于含能材料弹性模量低的特点,在试验中 需要采用入射波整形技术以保证应力平衡和常应变 率加载。 1. 4 动态挤压物理仿真试验 为模拟火炮发射过程中膛内发射药的受力环 境,南京理工大学芮筱亭及其合作者设计了动态挤 压物理仿真装置 [15,30] ,图2 为该装置的原理图。 1 - 力传感器;2 - 位移传感器;3 - 燃烧室;4 - 点火头; 5 - 压力传感器;6 - 活塞;7 - 发射药;8 - 试样药室;9 - 底板 图 2 动态挤压物理仿真装置原理图 [15] Fig. 2 Schematic diagram of the device for dynamic compression simulation 该装置主要包括燃烧室、传动活塞、装药室和 底座。 试验时,燃烧室内发射药燃烧生成的高压气 体推动活塞,高速运动的活塞快速挤压装药室内的 发射药,模拟发射过程中弹底发射药的受力状况。 陈涛等人 [14,31- 32] 建立了用于动态挤压模拟装置 44 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第1 期 的半密闭爆发器控制方程组,调整半密闭爆发器的 泄压孔直径、装药量以及火药颗粒直径等参数,可实 现半密闭爆发器内不同压力变化规律。 冯宾宾等 人 [33] 利用发射药动态挤压仿真装置分别对低温、常 温、高温发射药在发射过程中的破碎情况进行了模 拟试验,用起始动态活度比定量描述了不同试验条 件下发射药的破碎程度,建立了最大挤压应力与装 药破碎程度之间的定量关系。 通过动态挤压仿真装 置,既保证了发射药动态挤压物理仿真的真实性,又 有效保护了破碎后的药粒不被点燃,进而可建立膛 内力学环境与发射药破碎程度之间的定量关系。 1. 5 数值仿真研究 相对于发射药动态破碎的试验研究,数值仿真 研究具有经济、方便和高效等特点,同时数值仿真也 是对试验现象进行理论分析的重要手段。 芮筱亭等 人 [34] 用有限元软件分别对药粒在静载荷及冲击载 荷作用下的力学行为进行了数值仿真,得出发射药 颗粒在静载荷条件下发生体积断裂,而在冲击载荷 条件下则发生接触断裂;并建立了不同承载方式下 破碎程度与载荷幅度间的关系式。 洪俊等人 [35- 36] 以三维球单元离散单元法为基础, 采用 Mohr- Coulomb型破坏准则,建立了发射药粒的破碎模型, 仿真了发射药粒以不同初速冲击刚性界面的破碎过 程。 姜世平等人 [37] 以离散元法为基础,模拟发射药 粒的自然堆积过程,并获得了发射药床的密实堆积 构型;将发射药床离散成弹簧球单元系统,采用 Mohr- Coulomb 型破坏准则,数值仿真了发射药粒的 冲击破碎动力学过程,仿真结果与试验结果吻合较 好。 2 发射药破碎描述方法 发射药破碎描述方法是发射药发射安全性研究 的基础理论之一。 目前主要的描述方法有破碎度 法、动态活度比法和燃烧渐增因子法等。 2. 1 破碎度法 为定量描述发射药的破碎程度,金志明等人 [9] 提出了发射药破碎度的概念,即破碎后发射药的初 始燃面与其破碎前初始燃面之比。 其表达式为 Br= Sbr Sst = ∑ n i = 1 εiSi S0 。(5) 式中Br为发射药破碎度;Sst为破碎前初始燃面;Sbr 为破碎后初始燃面;εi为占总质量的百分数;Si为 第 i 破碎等级单颗药粒的表面积;S0为破碎前单颗 药粒的表面积。 用破碎度描述发射药破碎程度,必须采用标准 筛把破碎发射药筛滤成若干个等级,然后计算出每 等级发射药粒的平均质量,对于破碎不规则的药粒 近似认为是球形并计算其表面积。 显然这种方法操 作不便,且计算出的初始燃面存在很大误差,另外, 发射药的破碎表现为两种形态,一种是碎块或粉末, 另一种是表面裂纹、内部裂纹,而这种方法是无法描 述粉末和裂纹对破碎发射药燃面增加的贡献的。 2. 2 初始动态活度比法 陈涛等人 [38] 认为发射药的破碎程度与初始燃 面大小密切相关,但由于破碎后的发射药形状各异, 难以直接测量计算破碎发射药的初始燃面。 为描述 发射药破碎前后初始燃面的变化,笔者引进了初始 动态活度比的概念,即破碎后发射药动态活度与破 碎前的比值。 发射药的动态活度 L 表达式为 L = dp dt / (ppm)。(6) 式中p 为密闭爆发器试验中某时刻压力;pm为最大 压力。 根据定容条件下火药气体状态方程、几何燃烧 定律、正比燃速条件,破碎后发射药的动态活度比可 表示为 L L0 = β 2ρu β mω S β 2 0ρ0u0 β mω0 S0 ≈ S S0 。(7) 式中带下标“0”的符号为破碎前发射药的参数;L 为破碎发射药动态活度;L0为破碎前发射药动态活 度;u 为发射药燃速系数;S 为正在燃烧发射药的表 面积;β 是压力 p 的一个函数,β m表示最大压力条件 下备用的 β 值 [38] 。 由式(7)可知,动态活度比近似于燃烧面积比, 即可用发射药的动态活度比描述破碎发射药燃烧表 面积变化情况。 资料 [38] 提出对横坐标在 0. 2 ~ 0. 7 区间的动态活度比曲线进行线性拟合,把拟合直线 在纵坐标上的截距定义为初始动态活度比,并用该 值来定量描述发射药的破碎程度。 2. 3 燃烧渐增因子法 王琼林等人 [39] 提出了一种基于密闭爆发器试 验的发射药燃烧渐增性定量评价方法,即燃烧渐增 因子法。 由密闭爆发器试验得到的 p- t 曲线经数据 处理得到 L- B 曲线,其中 L 为动态活度,B 为相对压 力,定义如下 B = p/ pm。(8) L- B 曲线可表征发射药动态活度的分布。 为定 量描述不同发射药动态活度分布的差异,资料 [39] 引 进了燃烧渐增因子 Pr,其表达式为 542014 年 2 月 粒状发射药动态破碎研究进展 陈言坤等 Pr= Bs Ls/ (L0. 1+ L0. 3) 。(9) 式中Bs和 Ls分别为燃烧分裂点处的相对压力和动 态活度;L0. 1为相对压力为 0. 1 对应的动态活度值; L0. 3为相对压力为 0. 3 对应的动态活度值。 Pr的物理意义为其值大小反映了发射药燃烧 渐增性的大小,Pr值越大,燃烧渐增性越强。 不同 破碎程度的发射药其能量释放规律发生变化,同样 其动态活度分布也会发生变化,因此可用燃烧渐增 因子 Pr来定量描述发射药的破碎情况。 另外,邹瑞荣等人 [22] 认为破碎成小块和粉末的 发射药会显著增加其表面积和初始燃烧速度,进而 有可能引发异常压力,因此提出用小块碎药和粉末 的质量分数来表示发射药的破碎程度。 3 展望 火炮发射过程中膛内的力学环境极为复杂且过 程短暂,直接研究发射过程中膛内发射药的受力和 破碎情况是相当困难的,通常采用膛外模拟的方法 进行试验研究。 由于目前所采用的模拟试验与实际 射击时的膛内环境不完全相同,要把模拟试验得到 的数据运用到发射药的发射安全性评估中还有相当 的工作要做 1)发展新的测试技术和方法,检测发射药在膛 内的运动过程和撞击弹底的速度,分析其受力特点, 尤其是撞击弹底时的受力特点; 2)探索新的膛外物理仿真试验方法,研究发射 药在冲击载荷条件下的破碎情况; 3)进一步研究数值仿真理论和方法,分析结合 试验现象,争取找到宏观力学响应与微观机制相关 联的桥梁,建立合理的本构模型和破碎模型,为描述 发射药粒受到冲击载荷时的力学响应以及破碎规律 提供理论基础; 4)发射药床是由发射药粒组成的散粒体系统, 在冲击载荷作用下,药床中不同位置发射药粒的受 力特点和破碎情况还需要进一步研究。 参 考 文 献 [1] 芮筱亭, 贠来峰, 王国平, 等.弹药发射安全性导论 [M].北京 国防工业出版社, 2009 11- 12. 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