铝粉在TNT爆轰压力作用下的响应分析.pdf

6 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 4 卷第2 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 8 3 5 2 ．2 0 1 5 ．0 2 ．0 0 2 铝粉在T N T 爆轰压力作用下的响应分析米 罗一呜王晓峰贾宪振 西安近代化学研究所 陕西西安，7 1 0 0 6 5 [ 摘要] 为研究铝粉在固相炸药爆轰中的点火机理，通过建立数值仿真模型，考察了微米铝粉在T N T 爆轰压力 作用下的响应过程。计算结果显示，在爆轰压力作用下，铝粉颗粒会发生急速的压缩。颗粒的氧化层会在压缩过 程中快速破裂，且氧化层的破裂耗时较短，有可能使铝粉在爆轰反应区内发生点火。同时，压缩还会造成颗粒内部 温度的突然升高和迅速回落，但该过程对氧化层破裂所起的作用非常有限。 [ 关键词]铝粉；点火；爆轰波；压缩；氧化层；破裂 [ 分类号]T Q 5 6 0 ．7 引言 铝粉颗粒在爆轰中如何响应是研究者们非常关 心的一个问题，它对于了解铝粉颗粒的点火机理、反 应速率以及能量释放均具有重要的意义。 国内外许多学者采用激波诱导的方式，就铝粉 在两相爆轰和三相爆轰中的反应机理已经开展了大 量而深入的研究[ 1 。2 | 。认为铝粉氧化层的破裂是铝 粉点火的先决条件．并提出了多种氧化层的破裂机 制，如汽化破裂、液化破裂、热应力涨裂以及气流破 碎等。 上述机制能够较好地描述铝粉在气．液两相爆 轰或气．液．固三相爆轰中的点火过程。但是否适合 描述铝粉在单一固相炸药爆轰中的点火仍值得商 榷。因为采用激波诱导研究铝粉点火时，激波的峰 值压力一般在M P a 级，而实际的固相炸药爆轰时。 其爆轰波压力一般在1 0G P a 级，在作用压力如此悬 殊的情况下，其点火的机理可能是不同的。笔者认 为，激波峰值压力难以对铝粉颗粒产生显著的形状 改变。其影响主要以温度响应为主；而爆轰波中的高 压足以对铝粉颗粒产生压缩变形而造成氧化层的破 裂。文献[ 1 3 ] 对爆轰压力下对铝粉氧化层破坏的 可能性进行了初步的讨论，但对其响应过程未开展 进一步的研究。 由于固相炸药爆轰是一个瞬态的过程，在微秒 乃至纳秒尺度内反应已经完成。受试验与测试技术 等客观条件的限制，对其反应过程的研究难以开展。 目前。研究者多通过测试爆轰后的各项性能参数来 间接地推测铝粉可能存在的反应机理[ 1 4 - 1 9 ] 。 本文通过建立L S ．D Y N A 仿真模型。对铝粉颗粒 在T N T 炸药爆轰中的响应过程进行了模拟，研究了 爆轰波压力作用下铝粉颗粒的变形过程与温度变 化，试图更加全面地了解铝粉在固相炸药爆轰中的 反应机理。 1 分析模型和方法 采用I S D Y N A 程序建立了炸药爆轰与球型铝 粉颗粒相互作用的计算模型，如图1 所示。为了直 观地说明炸药爆轰波对铝粉颗粒的作用。模型中只 包含一个铝粉颗粒。铝粉颗粒埋于基体炸药当中， 炸药从右端起爆。考虑到颗粒的对称性，为节省计 算规模，只建立了四分之一模型。 铝粉颗粒炸药基体 图1铝粉的爆轰冲击响应计算模型 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 lo f A 1p a r t i c l eu n d e rd e t o n a t i o n 铝粉颗粒直径为1 3 恤m ，颗粒由纯A l 球芯和 A 1 O ，壳层构成。A 1 O ，均匀地包覆在A l 球外表 面，其质量占铝粉颗粒总质量的1 ％，剩余的皆为纯 A 1 。 米收稿日期2 0 1 4 - 0 7 - 2 5 基金项目总装备部预研基金 0 0 4 0 2 0 2 0 2 0 1 作者简介罗一鸣 1 9 8 0 ～ ，男，副研究员，研究方向为军用混合炸药设计与工艺研究。E - m a i l i a m f l y m 1 2 6 ．c o r n 万方数据 2 0 1 5 年4 月铝粉在T N T 爆轰压力作用下的响应分析罗一鸣，等 7 模型采用A L E 算法、流固耦合算法以及热固耦 合算法进行计算。当采用A L E 算法时，基体炸药所 在的网格为E u l e r 网格，网格保持不动，爆轰产物在 网格内流动，铝粉颗粒为L a g r a n g e 网格，爆轰波和铝 粉颗粒之间的作用通过流固耦合算法进行计算，从 而获得铝粉颗粒的变形及破坏情况。采用热固耦合 算法计算铝粉颗粒在爆轰波冲击压缩过程中的温度 变化。 基体炸药为T N T ，爆轰产物状态方程采用J W L 状态方程。即 p A ，一希 e - R l v B ，一矧e - R 2 v ．_ t 可o E 。 1 式中P 为爆轰产物压力；V 为相对体积；E 为单位体 积炸药的初始内能；A 、B 、尺，、R 和0 9 均为J W L 状态 方程参数。 A 1 ，O ，薄膜和A l 的本构方程均采用J o h n s o n ． C o o k 方程描述，即 y A B s ； 1 c l o g s ； 1 一焉 。 2 式中Y 为屈服应力；s 。为等效塑性应变；s 为规范 化等效塑性应变；％ T T r ／ T m T r 为无量 纲温度，其中r 为材料的温度、咒为材料的熔点、r ， 为室温；A 、曰、C 、m 、n 为常数。 T N T 、A 1 及A 1 ，O ，的各项参数均取之于L S D Y N A 材料库。 2 计算结果 2 ．1 铝粉颗粒的形变过程 通过L S ．D Y N A 显示动力学分析，获得了铝粉颗 粒在爆轰波作用下响应过程，其结果见图2 、图3 。 归} | | | | 薹归 a t - 2 ．7 0 x 1 0 。2I t s b f 2 ．9 5 x 1 0 。I t s l 、． r c f 3 ．1 5 x 1 0 ‘2 I t s b 户3 ．4 5 1 0 ’2 p s 图2 爆轰波作用于铝粉颗粒的过程 F i g ．2 P r o c e s so fd e t o n a t i o nw a v ea c t i n go nA 1p a r t i c l e 从图2 可以看出，当炸药爆轰波扫过铝粉颗粒 时．铝粉颗粒内部产生压缩应力波。该应力波的传播 速度小于炸药爆速。与激波作用不同的是，铝粉颗 粒在固相炸药爆轰波作用下会迅速被压缩。在压缩 过程中，铝粉颗粒A 1 O ，薄膜破裂，然后从相对爆轰 波传播方向的一侧开始出现剥落，使内部的纯A l 暴 露出来，其过程如图3 所示。 c r 3 ．6 5 x 1 0 。2 雌 d t 3 ．9 0 x 1 0 4 l a s f 户4 ．3 0 x l f f 2 雌 爆轰波传播方向 图3铝粉颗粒的压缩变形过程 F i g ．3S h a p ec h a n g i n gp r o c e s so fA 1p a r t i c l e 由于T N T 固相炸药爆轰时，其爆轰前导冲击波 以及后续反应区内的压力远远高于A 1 及A 1 ，O ，的 屈服强度，因此铝粉颗粒在爆轰波作用下将发生显 著的形变以及体积压缩。而A l 及A 1 ，O ，具有不同 的应变量，从而导致A 1 ，0 ，壳层被破坏，随后在爆轰 产物的拖曳力作用下迅速被剥离。图3 a 为爆轰 波作用于铝粉的初始时刻；3n s 后，铝粉氧化层便出 现了破裂，如图3 b 所示；1 6n s 后，铝粉颗粒外部 A l ，0 ，壳层即被完全剥离，如图3 f 所示。此时，纯 A 1 已经完全暴露于高温的爆轰产物中。 据文献报道[ 2 0 - 2 1 ] ．T N T 爆轰反应区厚度在0 ．2 ～0 ．4m m 之间，而T N T 爆速为 69 2 8 7 m ／s P 。 1 ．6 3 4g ／c m 3 。假设此时铝粉颗粒沿爆轰波传播 方向上的速度为0 ，那么可以粗略地计算出铝粉颗 粒在反应区内滞留时间应在0 ．0 2 5 ～0 ．0 5 0t x s 之 间。并且，受前导冲击波的加速以及爆轰产物的拖 曳作用，铝粉还应在爆轰波传播的方向上具备一定 的速度。因此，铝粉颗粒在反应区内的滞留时间应 长于0 ．0 2 5I x s 。 因此。在爆轰压力的作用下，铝粉颗粒被压缩而 导致氧化层快速破裂。且氧化层的破裂耗时较短，有 可能使铝粉在爆轰反应区内发生点火；但是铝粉点 火之后，其参与反应区的反应度还与爆轰产物中氧 ] 一 n _ 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 4 卷第2 期 及氧化物的浓度密切相关．限于篇幅，本文对此不进 行详细讨论。 2 ．2 铝粉颗粒压缩升温 铝粉在爆轰波的冲击作用下发生绝热压缩，除 了造成颗粒形变以外，还会导致其温度发生突跃性 的升高。为研究铝粉颗粒在爆轰波作用下温度的变 化，从在铝粉颗粒内部沿爆轰波传播方向的轴线上 依次选取6 个单元，如图4 所示。 1 ●} ‘- 一 爆轰波传播方向 图4 选取单元位置示意图 F i g ．4 S c h e m a t i cd i a g r a mo fs i t eo fe l e m e n ts e l e c t e d 采集了各单元在爆轰波作用下不同时间点的温 度数据，其变化趋势如图5 所示。从图中可以看出， 在爆轰波的压缩作用下，铝粉颗粒在不到1 0I 1 S 内， 其内部各点迅速升温至6 0 0 ～10 0 0K 不等的峰值 温度。当冲击波阵面离开铝粉颗粒后，其周围压力 骤降。铝粉颗粒会发生绝热膨胀从而导致自身温度 的迅速回落。 从氧化层的汽化破裂机制、液化破裂机制可以 看出．由温度导致的氧化层破裂．其必备条件是颗粒 中的纯A l 发生相变，即颗粒温度升高至其沸点 27 4 0K 或熔点 9 3 3K 以上。而压缩升温仅能 使铝粉颗粒内部的局部瞬时达到熔点温度，随即温 度又快速下降，该过程对氧化层破裂所起的作用将 非常有限。 图5在T N T 爆轰波作用下铝粉颗粒温度变化趋势 F i g ．5T e m p e r a t u r ec h a n g e so fA 1p a r t i c l eu n d e r T N Td e t o n a t i o nw a v e 3 结论 本文对铝粉颗粒在T N T 炸药爆轰中的响应过 程进行了模拟，得到以下结论 1 铝粉颗粒在固相炸药爆轰波作用下会迅速 被压缩 2 颗粒压缩变形会导致氧化层快速破裂，且氧 化层的破裂耗时较短，有可能使铝粉在爆轰反应区 内发生点火 3 压缩还会造成颗粒内部温度的突然升高和 迅速回落，但该过程对氧化层破裂所起的作用非常 有限。 参考文献 [ 1 ] S i c h e lM ，B a c kSW ，K a u f f m a nCW ，e ta 1 ．T h es h o c k w a v ei g n i t i o no fd u s t s [ J ] ．A m e r i c a nI n s t i t u t eo fA e r o n a u t i c sa n dA s t r o n a u t i c sJ o u r n a l ，1 9 8 5 ，2 3 9 1 3 7 4 ． 1 3 8 0 ． [ 2 ]V e y s s i e r eB ，K h a s a i n o vBA ．Am o d e lf o rs t e a d y ，p l a n e ， d o u b l e f r o n td e t o n a t i o n s D F D i ng a s e o u se x p l o s i v e m i x t u r e sw i t ha l u m i n u m p a r t i c l e s i n s u s p e n s i o n [ J ] ． C o m b u s t i o na n dF l a m e ，1 9 9 1 ，8 5 1 2 2 4 1 2 5 3 ． [ 3 ]李招宁，胡栋．铝粉粒度和氧气含量对铝粉快速反应 影响的研究[ J ] ．爆炸与冲击，1 9 9 7 ，1 7 1 7 5 8 0 ． L iZ h a o n i n g ，H uD o n g ．S t u d yo ft h e i n f l u e n c eo ft h e a l u m i n u mp a r t i c l es i z ea n d o x y g e n o nt h er e a c t i o no f a l u m i n u md u s t [ J ] ．E x p l o s i o na n dS h o c kW a v e s ，1 9 9 7 ， 1 7 1 7 5 _ 8 0 ． [ 4 ] 郑波，胡栋，丁儆．铝粉尘激波点火的实验研究[ J ] ．爆 炸与冲击，1 9 9 7 ，1 7 2 1 7 4 1 8 1 ． Z h e n gB o ，H uD o n g ，D i n gJ i n g ．E x p e r i m e n t a ls t u d yo f s h o c kw a v ei g n i t i o no fa l u m i n u md u s t [ J ] ．E x p l o s i o na n d S h o c kW a v e s ，1 9 9 7 ，1 7 2 1 7 4 1 8 1 ． [ 5 ] B o i k oVM ，P o p l a v s k iSV ．S e l f - 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s i o ns of a s tt h a tt h ea l u m i n u mp a r t i c l e sw i l lb ei g n i t e di nd e t o n a t i o nr e a c t i o nz o n e ．M e a n w h i l e ，t h ei n t e r n a lt e m p e r a t u r eo f a l u m i n u mp a r t i c l ew i l ls u d d e n l yi n c r e a s ea n df a l lb a c kd u r i n gt h ec o m p r e s s i o np r o c e s s ，b u tt h i sp h e n o m e n o ni sn o td o m i - n a n tf o ro x i d es h e l lr u p t u r e ． [ K E YW O R D S ]a l u m i n u mp a r t i c l e ；i g n i t i o n ；d e t o n a t i o nw a v e ；c o m p r e s s i o n ；o x i d es h e l l ；r u p t u r e 万方数据