全密闭空间内温压炸药的冲击波参数试验研究.pdf

2 0 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1 期 d 面1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 ∞1 - 8 3 5 2 ．加1 5 ．0 1 ．∞5 全密闭空间内温压炸药的冲击波参数试验研究睾 韩早王伯良李席 南京理工大学化工学院 江苏南京，2 1 0 0 9 4 [ 摘要]为研究温压炸药在全密闭空间内冲击波特征，在双层密闭的爆炸容器中测定了等质量与等体积条件 下，不同含铝量的温压炸药的超压及冲量，并采用A u T O D Y N 软件对容器中的冲击波传播进行了模拟分析。等质 量与等体积两种装药方式下的研究结果均表明，数值模拟能很好地对试验数据进行拟合，在密闭空间内温压炸药 铝粉质量分数为3 0 ％时。冲击波的超压与冲量最大。 [ 关键词]温压炸药；冲击波参数；全密闭空间；数值模拟 [ 分类号]T Q 5 6 0 引言 温压炸药是利用热效应和压力效应对目标造成 毁伤的[ 1 ] 。当温压炸药爆炸波在约束空间内传播 时．冲击波遇到约束面产生反射汇聚作用，能够导致 燃料空气混合物局部反应更加强烈，可大大提高其 综合毁伤效应[ 2 ] ，特别适合针对藏身在密闭或半密 闭空间的恐怖分子，因此逐渐成为国内外学者研究 的热点[ 3 - 5 ] 。但由于试验条件的限制，温压炸药试验 研究主要还基于空中爆炸与半密闭空间内。李芝绒 等[ 6 1 通过试验获取了空气和氮气环境中温压炸药 和T N T 的冲击波超压峰值、罐体内准静态压力和热 电偶响应温度峰值，研究了不同气体环境中温压炸 药爆炸效应参数的特性。金朋刚等[ 7 ] 采用热通量 传感器研究了自由场和半密闭两种条件下的T N T 、 8 5 2 及G 一1 温压炸药爆炸过程中的热通量时间历 程，认为试验环境对温压炸药反应历程影响较大，半 密闭条件有利于提高温压炸药的热量输出。但是， 已有的研究较少涉及到全密闭条件下爆炸能量输出 特征研究。 本文采用密闭双层爆炸碉堡内进行的温压炸药 静爆试验，并结合相关研究手段【8 。1 | ，测试并研究了 等质量与等体积情况下不同铝粉含量的温压炸药的 冲击波参数。同时，对容器中的冲击波传播进行了 数值模拟分析。 1 试验部分 1 ．1 试验装置 爆炸试验在密闭的双层锰钢爆炸容器中进行。 该容器由上下球冠和中间圆柱形壳体无缝焊接而 成，容器内径为3m ，容积约为2 5m 3 。爆炸容器南 北两侧各开有一个直径为3 0 0m m 的盲板，如图l 所示。 图1 爆炸容器不意图 F i g ．1 S k e t c ho ft h ee x p l o s i o nv e s s e l 1 ．2 测试系统 在两侧盲版上分别安装2 个I c P 自由场压力传 感器与2 个壁面压力传感器，如图2 所示。其中壁 面传感器距离爆心为1 ．5m ，自由场传感器距离爆 心为1 ．0m 和1 ．2m 。爆炸冲击波压力信号由T r a N E T 型多通道数据采集仪进行采集与记录。 { I } 收稿日期2 0 1 4 J 0 3 ．1 4 作者简介韩早 1 9 8 3 ～ ，男，博士，主要从事爆炸理论及其应用研究。E m a i l 4 1 1 9 9 q q ．c o m 通信作者王伯良 1 9 “～ ，男，硕导，教授，主要从事爆炸理论及其应用研究。E ．m a i l ．b o l i g w a n g 1 6 3 ．c o m 万方数据 2 0 1 5 年2 月 全密闭空间内温压炸药的冲击波参数试验研究韩早，等 2 l 图2 盲板测点布置图 F i g ．2L a y o u to fm e a s ur i n gp o i n t so nb l i n d 1 ．3 试验药品 试验采用等体积与等质量两类各4 种含铝质量 分数为2 0 ％、3 0 ％、4 0 ％、5 0 ％的R D x 基温压炸药， 并与T N T 作比较，配方如表1 所示。其中，z ．2 0 、z 一 3 0 、z 4 0 、z ．5 0 等质量 配方炸药的装药量均为3 4 0 g ，T ．2 0 、T ．3 0 、T _ 4 0 、T ．5 0 等体积 配方炸药的药柱 体积约为1 6 lc m 3 。 表1温压炸药配方 T a b ．1 C o m p o s i t i o n so ft h et h e m l o b a n ce x p l o s i v e 1 ．4 试验结果 试验时将炸药药柱安置于双层爆炸容器的几何 中心，并使用8 。雷管进行引爆。试验共分1 0 组配 方，温压炸药与T N T 的平均冲击波超压峰值与冲量 值列于表2 中。 2 结果分析 2 ．1 有限空间内冲击波传播分析 采用A U T O D Y N 程序对有限空间内冲击波波形 进行分析【12 。。根据爆炸容器实际尺寸设定。计算 采用2 D 四分之一对称模型，如图3 所示。 设定容器壁面边界条件为绝热刚性壁面。空气 选用理想气体状态方程，炸药状态方程采用J w L 。 以等质量配方T N T 炸药为例进行密闭空间数值模 拟，试验与模拟结果列于表3 中。表3 中可以看出， 模拟结果比较切合实际，超压与冲量误差均不超过 5 ％。 有限空间内的壁面传感器与自由场传感器的 表2 温压炸药密闭空间试验的冲击波参数 T a b ．2S h o c k w a v ep a r a m e t e r so “h e 珊o b a r i c e x p l o s i V e i nt h ef b l l ye n c l o s e ds p a c ee x p e r i m e n t 对称轴 传感器 ∥一一么L ∑ 对称轴 图3 计算模型 F i g ．3 C o m p u t a t i o n a lm o d e l 表3T N T 密闭空间爆炸的冲击波参数 T a b ．3S h o c k w a v ep a r a m e t e r so fT N Tb l a s t e d i nt h ef u l l ye n c l o s e ds p a c e 超压时程曲线具有明显的多峰结构，以z ．3 0 为例， 结果如图4 、图5 所示。根据模拟的结果对波形进 行分析可知，图4 中的第二个超压峰为由异侧壁面 形成的反射冲击波而图5 中的第二个超压峰为同 侧壁面反射产生。 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1 期 图4z - 3 0 配方壁面超压时程曲线 F i g ．4 P r e s s u r e - t i m ep r o f i l eo fr e n e c t e db l a s tw a v ef o rZ - 3 0 日 室 幽 捌 塑 世 皿 文 吕 竺 图5 Z ．3 0 配方自由场超压时程曲线 F i g ．5 P r e s s u r e - t i m eh i s t o r yo fi n c i d e n tb l a s tw a v ef o rZ - 3 0 2 ．2 含铝量对冲击波参数的影响 w i g h t m a n 等【1 3 ] 认为，有限空间内的复合冲击 波可分为A 和B 两个时段，如图6 所示。其中，A 时段为压力从跃升至峰值后再下降至大气压水平所 经历的时长，B 时段为压力脉冲波稳定在1 0 ％超压 峰值以上所经历的时长。温压炸药的作用方式与普 通炸药有很大的区别。单纯的针对A 时段进行冲击 波参数分析，并不能体现在有限空间内的温压燃料 混合物与冲击波的耦合作用，因此，笔者认为通过B 时段来分析更为合理。 根据等质量配方反射传感器数据，通过计算将 A 、B 时段的持续时间t 。、￡。与正冲量i 。 、i 。 分别列 于表4 中。 图6z - 3 0 炸药配方的冲击波A 、B 时段 F i g ．6 Aa n dBp e r i o d so fs h o c kw a v ef o rZ 3 0 表4 等质量配方的A 、B 时段参数 T a b ．4P a r a m e t e r so fAa n dBp e r i o d sf o r t h e 咖o b a r i ce x p l o s i v e sw i t he q u a lm a s s 从表4 中可以看出，随着配方含铝量的提高． A 、B 时段的冲击波冲量与作用时间均先增大后减 小。其中，等质量配方z 一3 0 配方在A 、B 时段上的 正压作用时间与冲量均为最高，相比于T N T 在A 时 段上冲量提高了1 2 ．5 ％，而在B 时段上提高了 6 5 ．0 ％，这说明了冲击波当遇到约束面形成的复合 冲击波能与爆炸形成的燃料空气混合物之间互相作 用，由于壁面的约束作用，冲击波在地面、侧面和顶 面等区域发生了反射、聚焦作用，使得反射冲击波更 强，当遇到爆炸火球时的后燃反应也更为猛烈。因 此提高了炸药整体的威力，从而提高了炸药整体的 温压效应。 此外，等质量的z _ 4 0 、z - 5 0 配方在A 时段上冲 量相差并不大，但在B 时段，z _ 4 0 配方的冲量要高 出后者3 7 ．1 ％。这表明含铝质量分数超过4 0 ％后， 温压炸药的后燃效果会明显降低，这是由于炸药配 方中的高能炸药R D x 组分的减少，因此形成反射冲 击波强度减弱，造成后燃效果偏弱。 2 ．3 等体积与等质量装药方式的影响 在等质量试验中。各测点的入射超压峰值均随 着配方含铝质量分数的升高先增加后降低。表2 中 的试验结果表明，z ．3 0 与T - 3 0 配方分别在等质量与 等体积的测试中的冲击波冲量与超压峰值最高。其 中，在等质量测试中，z - 2 0 配方超压峰值与冲量略 高于Z 4 0 配方．而在等体积测试中。T 4 0 配方的冲 击波参数要优于T _ 2 0 配方。这是由于T 4 0 配方的 密度要高于T - 2 0 配方，在等体积装药时，装药要多 约1 9 ．6g 。 3 结论 本文利用双层密闭爆炸容器，对等质量与等体 积装药条件下温压炸药进行冲击波超压及冲量测 试，并进行了数值模拟分析。得到以下结论 1 在密闭空间内的冲击波具有很强的反射与 聚焦作用，能有效地提高温压炸药的作用时间与冲 O O O O O O O O O O O 如舳加∞如∞∞加m m 日dl＼酱剐杂遽恒僦 万方数据 2 0 1 5 年2 月全密闭空间内温压炸药的冲击波参数试验研究韩早，等 2 3 量等。 2 炸药中铝粉质量分数对爆轰参数的影响较 大．结果表明铝粉质量分数为3 0 ％时配方超压与冲 量最大。 3 等体积与等质量两种装药方式下的测试结 果表明，在固定战斗部装药体积的情况下，需考虑炸 药的装药密度对冲击波参数的影响，温压炸药含铝 质量分数略大于3 0 ％较为适合。 参考文献 [ 1 ]w i l d e g g e 卜G a i s s m a i e rAE ．A s p e c t s o ft h e 丌I l o b 撕c w e a p o “r y [ J ] ．A D FH e a l t h ，2 0 0 3 ，4 1 3 _ 6 ． [ 2 ]裴明敬，胡华权，张景森，等．含铝温压炸药及其爆炸 效能研究[ J ] ．中国工程科学，2 0 0 8 ，1 l 4 6 7 ．7 5 ． P e iM i n 舀i n g ，H uH u a q u a n ，Z h a n gJ i n g s e n ，e ta 1 ． S t u d y o ne m c i e n c yo fa l u m i n i z e dt h e n n o b a r i ce x p l o s i v e [ J ] ． E n g i n e e r i n gS c i e n c e s ，2 0 0 8 ，1 1 4 6 7 7 5 ． 『3 ]李秀丽．基于燃烧和爆炸效应的温压药剂相关技术研 究[ D ] ．南京南京理工大学，2 0 0 8 ． L iX i u l i ． S t u d yo nc o r r e l a t i v et e c h n i q u e so f t h e r n l o b a r i c e x p l o s i v eb a s e do nc o m b u s t i o n [ D ] ．N a n j i n g N a n j i n g U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 0 8 ． [ 4 ]阚金玲．温压炸药的爆炸特性研究[ c ] ／／第八届全国 爆炸力学学术会议论文集．2 0 0 7 4 7 - 5 4 ． [ 5 ]裴明敬，毛根旺，张颖，等．温压炸药爆炸火球和冲击 波传播过程的高速摄影测量『c ] ／／第四届全国爆炸力 学实验技术学术会议．2 0 0 6 2 6 4 2 7 2 ． 『6 ]李芝绒，王胜强，殷俊兰．不同气体环境中温压炸药爆 炸特性的试验研究[ J ] ．火炸药学报，2 0 1 3 ，3 6 3 5 9 6 1 ． I jZ h i m n g ，W a n gS h e n g q i a n g ，Y i nJ u n l a n ． E x p e r i m e n t s t u d yo fb l a s tp e I f o r m a n c eo ft h e 册o b a r i ce x p l o s i V eu n d e r d i Ⅱb r e n tg a se n v i m n m e n t [ J ] ．C h i n e s eJ o u m a lo fE x p l o s i v e P m p e l l a n t s ，2 0 1 3 ，3 6 3 5 9 - 6 1 ． [ 7 ]金朋刚，王晓峰，郭炜，等．温压炸药爆炸释热特性研 究[ J ] ．爆破器材，2 0 1 4 ，4 3 3 1 4 ． J i nP e n 韶a n g ，W a n gX i a o f e n g ，G u oW e i ，e ta 1 ． R e s e a r c h o nt h eh e a tI ℃1 e a s ec h a m c t e r so fT B xe x p l o s i o n [ J ] ．E x p l o s i v eM a t e r i a l s ．2 0 1 4 ，4 3 3 1 4 ． [ 8 ]A s t b u r yNF ，w e s tHwH ，H o d g k i n s o nHR ，e ta 1 ．G a s e x p l o s i o n s i nl o a d b e a r i n gb r i c ks t m c t u r e s [ M ] ． T h e B r i t i s hC e m m i cR e s e a r c hA s s o c i a t i o n ．1 9 7 0 ． [ 9 ]K i n g e r ycN ，S c h u m a c h e rRN ，E w i n gw 0 ．I n t e m a l p r e s s u r e sf m me x p l o s i o n si ns u p p r e s s i v es t m c t u r e s B R L i n t e r i mM e m o r a n d u mR e p o r t ，N 0 ．4 0 3 [ R ] ．M a r y l a n d A b e r d e e nP r o v i n gG r o u n d ，1 9 7 5 ． [ 1 0 ]段卓平，恽寿榕．密闭爆炸容器实验研究及数值模拟 [ J ] ．中国安全科学学报，1 9 9 4 ，4 3 1 - 7 ． D u a nZ h u o p i n g ，Y u nS h o u m n g ．T h ee x p e r i m e n t a ls t u d y a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i n go fe x p l o s i o nc o n t a i n m e n tc h a m b e r [ J ] ．c h i n as a f e t ys c i e n c eJ 叫m a l ，1 9 9 4 ，4 3 1 7 ． [ 1 1 ]钟方平，陈春毅，林俊德，等．双层圆柱形爆炸容器弹 塑性结构响应的实验研究[ J ] ．兵工学报，2 0 0 0 ，2 1 3 2 6 8 2 7 1 ． Z h o n gF a n g p i n g ，C h e nC h u n y i ，L i nJ u n d e ，e ta 1 ．A ne x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ee l a s t o - p l a s t i cI t s p o n s eo fd o u b l e - w a u e dc y l i n d r i c a le x p l o s i o nc o n t a i n m e n tv e s s e l s [ J ] ． A c t aA m a m e n t a r i i ，2 0 0 0 ，2 1 3 2 6 8 2 7 1 ． [ 1 2 ]许铤．温压装药在有限空间的爆炸特性研究[ D ] ．南 京南京理工大学，2 0 0 8 ． X uT i n g ． S t u d yo ft h ee x p l o s i v ec h a m c t e r i s t i c so ft h e 卜 m o b a r i cc h a r g e si nac o n n n e ds p a c e [ D ] ． N a n j i n g N a n j i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 0 8 ． [ 1 3 ] w i g h t m a nJM ，G l a d i s hsL ．E x p l o s i o n sa n db l a s ti n j u r i e s [ J ] ．A n n a l so fE m e r g e n c yM e d i c i n e ，2 0 0 1 ，3 7 6 6 6 4 6 7 8 E x p e r i m e n t a lS t u d yo nS h o c kW a v eP a r a m e t e r so fT h e 珊o b a r i cE x p l 嬲i V ei nF l l l l yE n c l o ∞dS p a c e H A NZ a 0 ，W A N GB o l i a n g ，L IX i S c h o o lo fC h e m i c a lE n 矛n e e r i n g ，N a n j i n gU n i V e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y J i a n g s u N a n j i n g ，2 1 0 0 9 4 [ A B s T R A c T ] I no r d e rt or e s e a r c ht h es h o c k w a v ep a r a m e t e r so ft h e H n o b a r i ce x p l o s i v ei n { ．u l l ye n c l o s e ds p a c e ，t h eo v e r - p r e s s u r ea n di m p u l s eo ft h e 硼o b 撕ce x p l o s i v e sw i t hd i f f e r e n tA lc o n t e n tw e r em e a s u r e du n d e rt h es a m ec h a r g ev 0 1 u m ea n d c h a r g em a s sr e s p e c t i v e l yi nad o u b l e l a y e re n c l o s e d b l a s tc h a m b e r ．F u r t h e n T l o r e ， t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs h o c kw a v e p m p a g a t i o nh a sb e e nc a Ⅱj e do u tb yu s i n gt h eA U T O D Y Ns o f t w a r e ． R e s u l t ss h o wt h a tp m p a g a t i o np m c e s so fs h o c kw a v eb y n u m e r i c a ls i m u l a t i o na g r e e dw e l lw i t he x p e r i m e n t s ，a n dt h ec h a r g ew i t h3 0 ％a l u m i n u mc o n t e n t m a s sf r a c t i o n a c h i e v e s t h eb e s tp e r f o m a n c eu n d e rb o t he q u a lv o l u m ea n de q u a lm a s s ． [ K E Yw 0 R D s ]t h e m o b a r i ce x p l o s i v e ；s h o c k w a v ep a r a m e t e r s ；f u u ye n c l o s e ds p a c e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 万方数据