基于Visco-SCRAM模型的侵彻装药点火研究

针对弹体侵彻过程中装药的安全性,基于黏弹性统计裂纹力学(visco-statistical crack mechanics, Visco-SCRAM)模型计算装药整体温升、装药裂纹摩擦生热以及弹体装药与壳体摩擦生热,考察这3种机制对装药温升的贡献以及侵彻装药的点火机制,得到了装药点火对应的弹体侵彻临界初始速度。结果表明:(1)装药与弹体内壁摩擦生热对装药温升有一定贡献,随着弹体初始撞击速度的提高,摩擦生热对温升的贡献逐渐增大;(2)黏性、损伤和绝热体积变化导致的装药整体温升对装药点火的作用有限; (3)裂纹摩擦形成热点是侵彻装药点火的物理机制;(4)采用Visco-SCRAM模型可预测低强度、长脉冲载荷作用下的装药点火响应。     

多元混合PBX炸药冲击起爆的多元Duan-Zhang-Kim反应速率模型研究

提出了多元混合PBX炸药孔隙塌缩热点模型新的处理方法，构建了新的细观反应速率模型，系列数值模拟结果与实验结果均一致，表明该细观反应速率模型可较好地描述和预测炸药组分配比及颗粒度对多元混合PBX炸药冲击起爆过程的影响。PBX炸药冲击起爆过程主要受热点点火过程和燃烧反应过程共同作用:HMX占主导成分的PBXC03炸药，起爆压力低，冲击起爆过程受热点点火影响较明显，热点点火后的燃烧反应速度较快，表现为加速反应特性；TATB占主导成分的钝感PBXC10炸药，起爆压力高，冲击起爆过程主要受点火后的燃烧反应过程控制，且点火后燃烧反应速度较慢，表现为稳定反应特性。     

高能炸药摩擦感度的数值模拟

为了研究炸药摩擦安全性,利用熔化摩擦模型对几种高能炸药的摩擦感度进行了数值模拟,结果符合实验,并根据热分解反应速率分析了感度规律。由于炸药熔点一般低于点火温度,所以基于一个考虑熔化现象的炸药摩擦模型,在炸药感度实验条件下进行了一维数值模拟,给出了炸药熔化结果和摩擦点火的时间:4种摩擦感度较弱的炸药包括DATB、NQ、TATB和TNT的点火时间的顺序即感度顺序符合实验结果,说明摩擦点火模型适应性。进一步结合炸药热分解反应速率的大小顺序,数值模拟证明,在一定摩擦强度下,点火顺序会发生交换,说明摩擦感度实验不能完全说明炸药摩擦感度强弱顺序。     

炸药落锤试验点火机理的数值分析

炸药在低速撞击条件下发生点火爆炸,给炸药爆炸装置带来了安全管理上的隐患。若确定可能发生炸药点火的条件,可以采取一些预防措施,避免事故的发生。一种低速撞击行为发生在炸药落锤感度试验中,撞击速度一般小于20 m/s。利用Lagrange数值程序LEX2D,对落锤试验装置中所造成的炸药点火爆炸进行了初步分析,得到了炸药样品中应力和速度的变化历史,计算了炸药内部由于摩擦做功生热所引起炸药颗粒的分解过程。在一定程度上,可以预报落锤试验中炸药发生点火爆炸的可能性。     

炸药冲击响应的二维细观离散元模拟

用离散元法在颗粒尺度模拟了塑料粘接炸药的冲击响应。炸药的细观结构基于Voronoi拼图建成。以含孔洞和不含孔洞的炸药模型为例,说明细观结构对热点的形成和分布有重要影响。在这些算例中,粘塑性变形是温度局域化的主要原因,而摩擦和体积粘性等机制可以忽略。     

基于力热耦合材料模型的Steven试验数值模拟方法

在力热耦合材料模型中,增加炸药自热放能模型,建立了Steven试验的力-热-化耦合的数值模拟方法。数值计算模型中,应力应变关系采用双线性硬化弹塑性模型,炸药受力后的热作用采用各向同性热材料模型,炸药的化学反应采用Arrhenius反应率函数,同时还考虑了升温和熔化对材料力学、热学性能的影响。针对标准Steven试验,通过数值分析得到了靶板的变形情况和炸药点火的速度阈值,将计算结果与实验数据进行了比较,两者符合较好。表明该方法可以较好地模拟Steven试验,而且与以往的分析模型和方法相比,本文的方法不需要增加经验性的点火准则和判据,具有更广泛的适用性,可以为研究低速撞击条件下炸药的力热响应和局域化点火问题提供参考。     

HMX颗粒炸药低速撞击点火实验研究

改造落锤撞击仪器,在落锤与撞击底座中增加光学系统和压力测试部件,利用高速摄像仪,拍摄了 HMX颗粒炸药受撞击加载过程中微秒量级时间的变形-熔化-点火-燃烧过程图像。研究了下落高度、颗粒松 散程度对变形和点火时间长短及燃烧剧烈程度的影响。结果表明,落锤下落高度越高,塑性扩展持续时间越 短,易发生点火而不易发生喷射现象;较低的落锤下落高度易导致剧烈的喷射,而不易发生点火。颗粒排列越 松散的样品,塑性扩展时间越短,更容易形成多个点火位置,从而使热点聚合导致燃烧的机会越大。     

装药弹体侵彻混凝土厚靶中的炸药摩擦起爆模型

基于炸药的热爆炸理论,采用炸药的热点温度（也称为临界起爆温度）作为起爆判据,分析了装药弹体在侵彻混凝土厚靶过程中的炸药安全性问题,建立了炸药摩擦起爆的热传导模型。对模型进行了量纲一化分析,得出量纲一热流率幅值Qm与炸药和弹壳界面量纲一温度峰值Tmax的关系,以及可在实际工程中应用的临界量纲一控制参数Qmc,同时得到了反映摩擦产生的热量在炸药与弹壳间分配比例关系的量纲一参数Ⅰ。结果表明,炸药装药和弹壳接触面间的强摩擦是形成热点、从而导致炸药早炸的一个重要因素。     

低冲击加载下JOB-9003炸药的反应阈值

发展了一种研究炸药反应阈值的实验方法和分析技术:采用火药炮发射飞片的加载技术产生低冲击加载压力,应用电磁粒子速度计测量JOB-9003炸药后界面与PMMA之间界面粒子速度。通过分析界面粒子速度曲线,得到了低冲击加载下炸药与PMMA之间的界面粒子速度历史,获得了入射压力与未反应和反应后的界面粒子速度之间的u_p-p关系。JOB-9003炸药在低冲击加载下的化学反应阈值和点火阈值分别为1.42、2.62 GPa。     

带壳JH-14C传爆药烤燃实验及响应特性数值模拟

为了探究受外部不同温度影响下带壳JH-14C传爆药的响应特性，设计了一套慢速烤燃下可测量JH-14C传爆药温度变化和壳体应变的实验装置，获取了不同升温速率下弹体内部温度随时间变化曲线、慢烤响应过程中装药壳体径向应变历程曲线，揭示了带壳JH-14C传爆药的慢速烤燃响应特性，将烤燃实验中弹体径向应变测试结果和炸药反应烈度相关联，提出了一种弹药烤燃实验反应等级的判定方法；基于热力学和装药化学反应，建立了带壳装药烤燃热传导模型和Arrhenius模型，采用BP神经网络反演了JH-14C传爆药热的热反应参数，对不同升温速率下弹体内部的温度场进行了研究。结果表明：升温速率越低，装药的响应温度越高，响应越剧烈；随着升温速率的降低，炸药的点火区域从炸药两端外缘逐渐向炸药内部转移。     

矩形管道中微米级铝粉爆炸实验

在矩形管道粉尘爆炸装置中开展系列实验,系统研究了点火延迟时间、粉尘粒度及粉尘浓度对铝粉尘爆炸过程中最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率的影响。研究结果表明:不同的点火延迟时间对铝粉尘爆炸压力有显著影响,随着点火延迟时间由小变大,最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率呈现先增大后减小的趋势,且不同粒径的铝粉尘最大爆炸压力对应有不同点火延迟时间。随铝粉粒度的减小,最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率会呈现出先增大后减小的变化规律。铝粉最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率随浓度的增加均表现为先变大后减小的趋势,即铝粉浓度在特定数值时会使其爆炸威力最强。     

基于UCM模型的B炸药慢烤泄压结构的作用分析

为了探究热刺激作用下泄压结构对熔铸炸药点火时间及点火前内部物理场变化的影响,设计了有/无泄压结构烤燃弹的内部多点测温慢烤对比试验。基于炸药通用烤燃模型（universal cookoff model, UCM）,建立了炸药熔化后受浮升力驱动流动,反应速率随压力、反应进程等变化的B炸药烤燃计算模型,对有/无泄压结构烤燃弹的炸药在升温过程中的温度场及内部压力变化等情况进行了数值模拟,并与试验结果进行比较。结果表明:慢烤条件下,烤燃弹内部压力呈先缓后急上升趋势;有泄压结构烤燃弹在结构作用前的压力变化趋势与无泄压结构的一致,泄压结构的作用会使炸药自热反应速率骤然降低,炸药内部温度下降,自热反应速率降低和产物气泡驱动的对流共同导致了点火时间的延后;由于对流的作用,炸药点火点都在弹体顶部区域。     

Effect of viscosity on the autoignition of a reacting moving mixture

Ya. B. Zel'dovich has established [1] that in a continuous-flow reactor two ignition regimes are possible: forced ignition and autoignition.It is important to consider the special properties of the autoignition regime associated with the hydromechanics of laminar flow and heat transfer through the pipe wall. In [2, 3] it was shown that the effect of heat of friction on heat transfer in long pipes is qualitative in character. Moreover, according to Schlichting [4], in certain cases the temperature gradient for such flows due to the heat of friction may reach 10–30°, which is comparable with the preexplosion temperature rise in the stationary theory of thermal explosion [5]. In this connection it is clear that under certain conditions the heat of friction may considerably reduce the explosion limit.This paper is devoted to a study of the effect of heat of friction on the explosion limit of a reacting fluid in a long cylindrical pipe. The dynamic autoignition regime due to heat of friction is examined. In particular, it is established that, other things being equal, by increasing the pressure drop it is possible to obtain explosion of the reacting system.     

受热炸药的冲击起爆特征

设计了炸药驱动飞片起爆受热炸药的实验装置,该装置既能够对实验炸药进行均匀地加热,又能够避免高温对加载炸药的影响。利用设计的实验装置对PBXC10炸药（HMX/TATB复合炸药）进行了14、100、140、160和180 ℃等5种不同加热温度下的冲击起爆实验,测量了该炸药内部压力的成长历程。采用点火增长反应速率方程对PBXC10炸药冲击起爆进行了数值模拟。根据实验结果,标定了不同温度下PBXC10炸药的点火增长模型参数,并给出了模型参数随温度变化的关系式,获得了不同温度下炸药的Pop关系。研究结果表明:PBXC10炸药的冲击波感度随温度的升高而升高,但与HMX炸药相比,其冲击波感度对温度的敏感性明显降低,这是因为PBXC10炸药中的TATB具有较好的降感作用。     

炸药裂缝燃烧增压过程的一维理论

为了深入理解炸药裂缝燃烧演化过程中的压力增长行为，提升对事故点火下武器装药向高烈度反应转变机制的认识水平，基于炸药预置裂缝燃烧演化压力历程分析，对某HMX基PBX炸药裂缝燃烧的增压过程开展了理论计算。采用气体动力学相关理论建立了简化的炸药燃烧产物流动模型，基于一维等熵流动假设预测了不考虑黏性和摩擦阻力情况下炸药预置裂缝的燃烧压力增长过程，计算结果显示压力增长阶段与实验结果定性符合，为理解炸药裂缝燃烧的增压行为提供了一种理论解释。     

不同升温速率下复合药柱烤燃实验与数值模拟研究

为了研究不同升温速率下复合炸药JO-9159/JB-9014烤燃实验的热反应规律,建立了复合炸药的烤燃模型,利用有限元程序LS-DYNA3D对不同结构的复合药柱在烤燃过程中的热响应情况进行了数值模拟,并利用实验进行了验证,结果显示模拟结果可信。利用已建立的模型对5 K/h、3 K/min和10 K/min等3种不同升温速率下复合药柱烤燃过程进行了数值模拟,结果表明:升温速率和装药结构的不同对复合药柱的点火时间和位置有较大影响,随着升温速率的增大,点火时间变短,点火位置由药柱的中心处逐渐移至药柱的两端边缘,升温速率较小时,复合药柱的热安定性取决于内部高能炸药的特性,升温速率较大时,复合药柱的热安定性与单一钝感药柱性能近似。因此,只有在较大的升温速率下,钝感炸药内部嵌入高能炸药才能既提高整体药柱的威力,又保证其具有较好的热安定性。