炸药装药烤燃特性的尺寸及约束效应研究进展_董泽霖.pdf
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1、书书书第 卷第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月收稿日期:;修回日期:基金项目:国防重大基础研究专项作者简介:董泽霖(),男,硕士研究生,:。通信作者:屈可朋(),男,硕士,研究员,:。:炸药装药烤燃特性的尺寸及约束效应研究进展董泽霖,屈可朋,胡雪篧,肖玮(西安近代化学研究所,西安 )摘要:烤燃试验是评价炸药装药安全性的重要考核项目,研究炸药装药烤燃过程的响应特性,进而指导工程设计是目前研究的热点。从炸药装药尺寸、长径比、壳体材料 厚度、泄压结构、物理界面及自由空间等方面,对国内外相关研究进行了综述和分析。分析结果表明,缩比弹结构与实弹结构差异大、试验过程实测参量少、小尺寸试验结果难以
2、预估全尺寸实弹的问题是未来需要重点解决的问题。关键词:炸药装药;烤燃试验;装药尺寸;约束条件;数值模拟本文引用格式:董泽霖,屈可朋,胡雪篧,等 炸药装药烤燃特性的尺寸及约束效应研究进展 兵器装备工程学报,():,():中图分类号:;文献标识码:文章编号:(),(,):,:;引言随着军事技术的发展,现代战场环境日趋复杂,对武器弹药在战场上生存能力的要求越来越高,基于此,美国等军事强国首先提出了不敏感弹药这一概念,弹药安全性测试技术及低易损性评估标准也随之建立和发展 ,其中快速烤燃和慢速烤燃(可统称为烤燃试验)是相关标准的重要考核项目 。而炸药装药是影响弹药不敏感性能的核心因素,掌握烤燃试验中炸药
3、装药的响应特性是开展不敏感弹药设计的基础 。在研究快 慢速烤燃作用下弹药内部炸药装药响应特性时,最直观和有效的手段是采用全尺寸装药试验,但其存在的缺点是:周期长、费用高、危险性大,且较少的样本量难以说明其结果的可靠性。随着相似理论以及计算机技术的发展,国内外科研人员设计了大量的模型试验,获取了不同结构、尺寸下炸药装药的反应规律。但由于炸药装药的反应程度(燃烧、爆炸、爆轰等)受自身感度 、装药尺寸 、约束条件 等多种因素影响,当模型与原型的几何尺寸、边界条件相差很大时,常常出现不服从经典的相似规律的情况,存在显著的尺寸和约束效应,导致缩比模型试验结果与全尺寸装药试验结果存在较大差异,难以指导工程
4、应用。本文从炸药装药尺寸、约束条件两方面综述了热刺激下炸药装药响应特性的研究进展,以期为缩比模型试验设计及工程应用提供参考。炸药装药结构尺寸对烤燃特性的影响 装药尺寸对烤燃特性的影响炸药装药的烤燃试验涉及热传导、化学分解、力学响应等多个过程,而装药尺寸影响着热传导效率、化学反应程度以及力学响应参量的大小。等 通过设计烤燃试验,分析了烤燃环境下种不同尺寸对 基、基炸药响应程度的影响。冯晓军等 设计了慢速烤燃试验装置,对装药尺寸分别为 、的 种炸药 ()、进行慢烤试验,得到了如表 所示的响应结果 :炸药装药尺寸会对不同炸药环境临界温度和反应剧烈程度产生不同影响。表 不同装药尺寸 种炸药的响应结果
5、炸药直径 高度 环境温度 反应结果壳体变形情况 分解分解分解分解温和爆燃壳体上端盖冲开,有轻微变形端盖冲开,有变形,表面有灼烧现象两端盖冲开,变性较大,有灼烧现象端盖被撕裂,变形大,有灼烧现象端盖炸裂,壳体变形大,有烧蚀现象 爆轰爆轰爆轰爆轰两端盖被炸碎,壳体严重变形端盖、壳体都被炸成大的破片端盖、壳体被炸成较小的破片端盖、壳体被炸的粉碎 燃烧燃烧爆燃爆轰壳体无明显变形,表面有碳化现象上端盖冲开,无变形,有碳化现象端盖冲开,壳体变形大,有碳化产物端盖、壳体均被炸碎其中,图 (不同装药尺寸 响应结果)表明:炸药自加速分解得到的气体产物会随着装药直径的增大而增多,会引起炸药内部压力提高,裂纹扩展加
6、剧,进而导致更加剧烈的反应发生;同时,随着装药尺寸的增大,发生烤燃反应的环境温度会增高,当装药尺寸增大到一定程度后,其对炸药发生慢速烤燃反应的环境温度影响将会减小。在分析装药尺寸对烤燃试验影响的基础上,考虑到升温速率和炸药受热相变的影响,周捷 对 种装药尺寸的 炸药进行了不同升温速率的慢烤试验,得到了 炸药不同尺寸、不同升温速率下的温度变化曲线如图 所示,从相变的角度分析,发现较大装药尺寸和升温速率会导致炸药完全相变之前响应,反之,较小的装药尺寸和升温速率的响应则发生在完全相变之后。图 不同装药尺寸 响应结果 兵 器 装 备 工 程 学 报 :图 不同升温速率下尺寸与温度的关系曲线 受制于安全
7、因素与经济因素,进行烤燃试验的试验弹尺寸往往较小且单一,不能满足实际情况下对大尺寸装药或更灵活的装药尺寸热安全性评估的需求。因此,数值模拟方法随之出现,此方法可以用于:模拟烤燃试验中的细节过程,分析不适用于烤燃试验的炸药装药尺寸,同时能够获得较为真实的点火位置、温度分布与压力分布等结果 。吴世勇等 基于 方程建立了计算模型,通过商业有限元软件 ,分析了直径分别为 、的 炸药装药的点火位置、温度、时间和温度分布,得到了如图 所示的不同升温速率尺寸与点火温度的关系曲线,以及图 所示的不同升温速率尺寸与点火时间的关系曲线。结果表明:不同的升温速率下,随着炸药尺寸的增大,响应温度和响应时间均为先减小后
8、增大,存在最小的响应温度和响应时间,此时弹药的理论热安全性较差。由于应用有限元软件进行数值仿真往往需要基于一些假定,忽略一些实际条件,因此单纯应用该方法得到的结论可能缺少一定的真实性与说服性。由此出现了通过烤燃试验对数值模拟仿真结果进行验证,再应用仿真结果分析弹药烤燃的反应过程和机理,对弹药在其他参数和条件下进行合理预测的方法。代晓淦等 通过应用恒定升温速率的烤燃试验装置测量了不同尺寸的 炸药的温度分布和响应剧烈程度,基于 方程建立了计算模型,应用仿真软件,分析对比了不同炸药尺寸对温度分布和响应时间的影响。在董泽霖,等:炸药装药烤燃特性的尺寸及约束效应研究进展分析装药尺寸影响的基础上,为进一步
9、分析升温速率的影响,牛余雷等 设计了 种不同尺寸,且可调节升温速率的烤燃试验装置,分析了烤燃条件下不同尺寸 炸药的响应 结 果;同 时 通 过 反 应 模 型 和 反应模型 建立计算模型,进行数值模拟。模拟结果如表 所示 ,通过对比分析炸药尺寸变化对炸药响应温度和反应剧烈程度的影响发现:反应模型的计算结果与实验结果更加符合。图 尺寸与点火温度的关系曲线 图 尺寸与点火时间的关系曲线 表 炸药响应温度与升温时间的数值模拟结果 序号()模型 升温 模型 升温 注:为升温速率,为 炸药发生剧烈反应的温度计算值;为计算值与试验值的误差;升温为升温时间;为升温时间计算值与试验值的误差。采用 反应模型计算
10、出的不同装药直径下升温速率与临界环境温度的关系曲线如图 所示,结果表明:随着装药尺寸和升温速率的增大,响应温度的增幅随之升高。刘子德等 在使用可调节升温速率的烤燃试验装置基础上,采用了多点测温的慢烤试验方法。对不同尺寸 基炸药进行了烤燃试验和数值仿真,分析了尺寸和升温速率对于炸药点火温度、点火位置和温度分布的影响。结果表明:尺寸和升温速率均对炸药烤燃试验的响应程度起重要影响。点火区域随尺寸的增加而增加,其点火位置由中心向两端和药柱外壁迁移;而当尺寸较大时,反应位置与壳体边缘的距离不再发生变化。同时也进一步发现了炸药响应时的外壁温度随药柱直径的增加而降低。图 不同装药直径下升温速率与临界温度关系
11、曲线 兵 器 装 备 工 程 学 报 :装药长径比对烤燃特性的影响在烤燃情况下,不同的装药长径比会影响到药柱内热量的传递,进而影响炸药的响应剧烈程度。赵亮等 以 基熔铸炸药的长径比为主要研究对象,对其进行了仿真模拟。得出了烤燃环境下,不同长径比对 基炸药点火位置、响应温度及温度分布的影响。图 展示了其响应温度与装药长径比的关系曲线,图 展示了其响应时间与装药长径比的关系曲线。结果表明,在该研究条件下,炸药的响应温度、响应时间均随长径比的增加而降低。为了进一步分析不同炸药的装药长径比影响,赵亮 对不同长径比的 基炸药和 炸药进行了多次同尺寸烤燃试验,减少了偶然误差,且获得了长径比对 种炸药耐烤时
12、间、环境临界温度和响应剧烈程度的影响;对其进行数值模拟后得到如图 所示的 基炸药和 炸药的长径比与响应温度关系曲线。其结果表明:炸药长径比较小时,响应温度较高;当炸药长径比逐渐增大时,其响应温度逐渐降低,反应时间逐渐缩短;炸药长径比对于热烤试验的影响存在临界值,当长径比增大到达临界值后响应温度不再变化,反应位置向两端靠近,当药柱长度较大时,其反应位置与两端的距离不再发生变化。因此,在一定范围内长径比较小的炸药热安全性往往优于长径比较大的炸药。图 响应温度与长径比关系曲线 图 响应时间与长径比关系曲线 图 装药长径比与响应温度关系曲线 董泽霖,等:炸药装药烤燃特性的尺寸及约束效应研究进展现有烤燃
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