飞片冲击镍、硅和铜隔爆材料的理论计算与仿真.pdf
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1、火工品2023年0 8 月INITIATORS&PYROTECHNICS文章编号:10 0 3-148 0(2 0 2 3)0 4-0 0 0 7-0 62023年第4期飞片冲击镍、硅和铜隔爆材料的理论计算与仿真贺翔,董海平,严楠(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京,10 0 0 8 1)摘要:为了获得钛飞片冲击时镍、硅和铜3种材料隔爆件内部的冲击波衰减规律和隔爆HNS-IV的临界厚度,建立了飞片冲击下的隔爆理论和仿真模型,计算了3种材料隔爆件和HNS-IV传爆药内部的冲击波参数,并结合HNS-IV的II-t临界起爆判据得到了3种材料隔爆HNS-IV的临界厚度。结果表明:3种材料隔
2、爆件按照其内部冲击波压力和衰减系数由大到小的顺序依次为:镍、铜、硅;按照冲击波脉宽由大到小的顺序依次为:铜、硅、镍。当飞片速度为16 0 0 3200ms-l时,镍、铜和硅材料对应的隔爆HNS-IV的临界厚度分别为:0.2 6 0.59mm、0.41 0.7 4mm和0.6 0 1.0 4mm。关键词:钛飞片;冲击波压力;粒子速度;冲击波脉宽;隔爆中图分类号:TJ450.2Theoretical Calculation and Simulation of Explosion-proof Materials of Nickel,Silicon,(State Key Laboratory of E
3、xplosion Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing,100081)Abstract:In order to obtain the attenuation law of shock waves inside the explosion-proof components made of nickel,silicon,and copper three materials under the impact of titanium flyer,and the critical thickness to preve
4、nt the initiation of ultra-finehexanitrostilbene(HNS-IV),the explosion-proof theory and simulation model under the impact of flyer was established,and theshock wave parameters inside the explosion-proof components made of three materials and HNS-IV booster explosive werecalculated,and the critical t
5、hickness of three materials to prevent the initiation of HNS-IV were obtained by combining the II-tcritical initiation criterion of HNS-IV.The results show that the explosion-proof components made of three materials indescending order of internal shock wave pressure and attenuation coefficient is:ni
6、ckel,copper,and silicon;Which in descendingorder of shock wave pulse width is:copper,silicon and nickel.When flyer velocity is 1 600 3 200 ms-l,the critical thicknessesto prevent the initiation of HNS-IV corresponding to nickel,copper,and silicon materials are 0.26 0.59 mm,0.41 0.74 mm and0.60 1.04
7、mm,respectively.Key words:Titanium flyer;Shock wave pressure;Particle velocity;Pulse width of the shock wave;Explosion-proof文献标识码:AD0I:10.3969/j.issn.1003-1480.2023.04.002and Copper under the Impact of FlyerHE Xiang,DONG Hai-ping,YAN Nan随着无人、小载荷作战平台的出现,弹药小型化成为武器装备发展的重要趋势。与传统弹药相比,小口径弹药具有质量轻、成本低、打击精度高
8、、附带损收稿日期:2 0 2 2-12-2 8作者简介:贺翔(1991-),男,在读博士研究生,从事微机电火工技术研究。通讯作者:董海平(196 9-),男,副研究员,从事火工品可靠性理论与技术研究。伤小的优势!。其中,传爆装置体积的减小为弹药的电路和主装药设计等提供了更大空间,进而提高了弹药的精度和杀伤力。由基于微机电(MEMS,M i c r o8ElectroMechanical)工艺的安全芯片和飞片式传爆序列组合而成的MEMS起爆系统使引信进一步小型化成为可能2 。目前用于制作安全芯片的材料主要有硅、镍和铜材料。HuTJ等3 设计了一种硅基安全芯片,当其处于保险状态下,爆炸箔起爆器的发
9、火电压为1800V时,安全芯片和传爆药保持完好;发火电压为2000V时,安全芯片在飞片作用下碎裂,传爆药产生凹坑。FengHZ等4 针对硅材料易碎的特点,在硅材料上制作了一层约10 0 m的能量吸收层(电镀金属或旋涂聚酰亚胺)来吸收冲击波能量,结果表明能量吸收层的隔爆能力由大到小依次为:聚酰亚胺、铜、镍、银。李慧等5 研究表明,镍材料比不锈钢材料对冲击波的隔爆效果好。解瑞珍等6-7 研究表明,当镍材料厚度为0.3mm时,可以安全隔爆CL-20基传爆药。前期研究表明安全芯片越厚,则结构的深宽比越大,加工难度越高,传爆序列体积也越大。因此在满足隔爆条件下,安全芯片应尽可能薄。安全芯片的隔爆能力与飞
10、片的速度、形状、材料,隔爆件的材料、厚度,以及传爆药的性质有关。但是目前对于在飞片冲击下不同材料安全芯片的隔爆规律研究较少,且大多为试验验证,缺少理论和仿真模型。为此,本文建立了钛飞片冲击下镍、硅和铜3种材料隔爆件的隔爆理论模型,并对冲击波在3种材料隔爆件和HNS-IV传爆药内的衰减规律进行了仿真研究,计算了隔爆件和HNS-IV传爆药内部的冲击波参量,结合HNS-IV的II-t临界起爆判据给出3种材料隔爆HNS-IV的临界厚度,为安全芯片设计提供参考。1飞片冲击下的隔爆理论模型MEMS起爆系统如图1所示,主要由安全芯片和微型传爆序列组成,具有传爆和隔爆2 种功能。其作用过程为:半导体桥发火单元
11、发火,使起爆药形成爆轰,在爆轰产物和剪切板的共同作用下,飞片被剪切成形,当安全芯片处于解保状态时,飞片在安全芯片的传爆孔中加速,从而起爆传爆药;当安全芯片处于保险状态时,飞片撞击到安全芯片的隔爆件上,传爆药不会被起爆。贺翔等:飞片冲击镍、硅和铜隔爆材料的理论计算与仿真起爆药柱传爆药柱,传爆药管壳底座图1MEMS起爆系统的结构分解图Fig.1 Structural decomposition diagram of MEMS initiationsystemf飞片界面1图2 隔爆模型示意图Fig.2Schematic diagram of explosion-proof theoreticalmo
12、del1.1飞片与隔爆件界面处的冲击波关系根据质量和动量守恒,飞片撞击瞬间,飞片和隔爆件内部的冲击波满足:pr=pro Dr(vr-ut)Pgo=Pgo DgougoDf=Af+Sr(vf-ugo)Dgo=Ag+Sgugo式(1)(4)中:为飞片速度,kms-;p 为介质密度,gcm3;p 为冲击波压力,GPa;D 和u分别为冲击波波速和粒子速度,kmsl;A 为Hugoniot线的截距,kmsl;S为Hugoniot线的斜率;下标f、2023年第4期建立飞片冲击下的隔爆理论模型,包括飞片、隔爆件和传爆药3种介质,以及飞片与隔爆件界面(界面1)和隔爆件与传爆药界面(界面2)2 个冲击间断面,如
13、图2 所示。飞片以某一速度冲击隔爆件,经界面1在隔爆件中产生人射冲击波;冲击波在隔爆件中衰减,压力峰值变小,进入界面2;在传爆药中产生入射冲击波,当传爆药中的人射冲击波能量大于传爆药临界起爆能量时,传爆药可能被起爆。一半导体桥发火单元一发火单元套筒一起爆药管壳起爆药套筒一钛飞片剪切板安全芯片:隔爆件界面2传爆药(1)(2)(3)(4)2023年0 8 月e、g 分别代表飞片、传爆药和隔爆件;下标0 代表初始状态。由于冲击界面处物质的连续性,可以认为在飞片冲击的瞬间满足:(5)ugo-Vf-uf(6)综合式(1)(6)可知,隔爆件内部初始人射冲击波压力和质点速度满足:pr=Pgo-Pgo(Ag+
14、Sgugo)ugo-prAr+Sr(vr-ugo)(vr-ug)(7)因此,当已知飞片速度、形状、材料以及隔爆件材料时,可以得到隔爆件内的质点速度ugo;再根据式(7)得到隔爆件内部的初始人射冲击波压力Pgo1.2隔爆件中的冲击波衰减规律冲击波在隔爆件中传播时,由于受到后方和侧方的稀疏波作用,以及波阵面熵增、粘性阻尼损耗、与应变率有关的本构关系等原因8 ,冲击波波阵面参量随着传播距离的增大而逐渐减小。冲击波在隔爆件中传播距离为x处的峰值压力pgx可表示为与其影响因素有关的函数:Pgr=f(pgo,Tgo,Pgo,Ag,Sg,x)式(8)中:t为冲击波脉宽,S。对pgx的影响因素做无量纲分析,用
15、基本量纲描述各个参量:Pgo=MLTP,tgo-T,Pgo-M/L3,Ag-LT,x-L,Sg为无量纲量。其中,L表示长度;M表示质量;T表示时间。式(8)中存在7 个未知参数,包含3个基本无量纲量,根据元定理,用tgo,Pg o,A g 作为基本参量,来表示4个相似准数:-pg/Pgo,1=Pgo/(p g 0 A g ),2=Sg,T 3=x/(t g 0 A g)(9)则式(8)的无量纲形式为:PXPg0=fPgo当隔爆件材料一定时,Pgo、A g 和Sg为常数。Pg/pgo可表示为与 pgo、t g o 和x有关的函数:PePgo而pgo、t g o 与飞片的材料、尺寸和速度有关。当飞
16、片速度、形状和材料一定时,Pg可表示为与pgo和火工品x有关的函数:经试验数据证实,密实介质中冲击波峰值压力符Pgo=pf合指数衰减规律9:式(13)中:为冲击波在隔爆件中的衰减系数,无量纲。冲击波压力峰值衰减的同时,其脉宽也在发生变化,传播距离为x处的冲击波脉宽tgx为:Tgr=*(x)tgo式(14)中:*(x)为时间相关系数,无量纲。1.3阝隔爆件与传爆药界面处的冲击波关系假设隔爆件在受到飞片冲击后的瞬间压缩量不大,冲击波雨果尼奥(Hugoniot)曲线参数不变,则可以根据pu图的近似解法求解隔爆件与传爆药界面的波阵面参量10 。隔爆件与传爆药界面处的p一一u关系如图3 所示。2隔爆件(
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