水下爆炸实验法在工业炸药jwl状态方程测定中的应用研究

兵

ACTAARMAMENTARII

工学报

Vol.41No.3Mar.

2020

水下爆炸实验法在工业炸药JWL状态方程测定中的

应用研究

李科斌1,董新龙1,李晓杰2,3,闫鸿浩2,王小红2

(1.宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室,浙江宁波315211;2.大连理工大学工程力学系,辽宁大连116024;

3.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁大连116024)

摇摇摘要:为了方便可靠地测定工业炸药爆轰产物的JWL状态方程,基于压导式连续电阻丝探针设计柱形装药的水下爆炸斜冲击波测量系统,对工业改性铵油炸药(ANFO)进行3组水下爆炸实验,获得其爆轰波-冲击波时程曲线;通过对二维定常流场柱形装药水下爆炸的分析,得到斜冲击波阵面的轨迹,并求解出炸药的爆压、绝热指数、水气界面夹角等参数。以水中斜冲击波阵面和水气界面夹角的实验和模拟结果作为比较对象,通过调整Autodyn有限元分析程序中的JWL方程参数,最终测定出ANFO的JWL状态方程参数。模拟结果与实验结果一致性好,其中斜冲击波波阵面的误差均小于依5%,水气界面夹角的误差在依3%以内,表明所述水下爆炸实验对于大尺度工业炸药的JWL方程参数测定合理可靠。摇摇中图分类号:O383+郾1

摇摇关键词:工业炸药;水下爆炸;铵油炸药;JWL状态方程;压导式连续探针摇摇DOI:10.3969/j.issn.1000鄄1093.2020.03.009

文献标志码:A

文章编号:1000鄄1093(2020)03鄄0488鄄07

ResearchonParametersDeterminationofJWLEOSforCommercial

ExplosivesBasedonUnderwaterExplosionTest

(1.KeyLaboratoryofImpactandSafetyEngineeringofMinistryofEducation,NingboUniversity,Ningbo315211,Zhejiang,China;3.StateKeyLaboratoryofStructuralAnalysisforIndustrialEquipment,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,Liaoning,China)

2.DepartmentofEngineeringMechanics,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,Liaoning,China;

LIKebin1,DONGXinlong1,LIXiaojie2,3,YANHonghao2,WANGXiaohong2

Abstract:InordertoconvenientlyandreliablydeterminetheJWLequationofstate(JWLEOS)fordevelopedcontinuouspressure鄄conductedvelocityprobewasdesignedformeasuringtheobliqueshockwaveinducedbyunderwaterexplosionofcylindricalcharge.Thissystemwasusedtoobtainthetimehis鄄nitrate/fueloil(ANFO)charge.Thewavefrontswereplotted,andotherparameters,suchasdetona鄄tionpressure,adiabaticexponent,andincludedangleofwater鄄gasinterface,werecalculatedbyanaly鄄axial鄄symmetricmodelofcylindricalchargeisbuiltusingAutodynprogram,andthenumericallysimula鄄

摇摇收稿日期:2019鄄04鄄28

基金项目:国家自然科学基金项目(11272081、11672067)

作者简介:李科斌(1988—),男,讲师,博士。E鄄mail:likebin@nbu.edu.cn通信作者:李晓杰(1963—),男,教授,博士生导师。E鄄mail:robinli@dlut.edu.cn

detonationproductsofcommercialexplosives,anunderwaterexplosionmeasurementsystemwithaself鄄torycurvesofdetonation鄄shockwavefrontin3groupsofunderwaterexplosiontestsofmodifiedammoniumzingtheunderwaterexplosionofcylindricalchargeintwo鄄dimensionalsteadyflowfield.Two鄄dimensional

摇第3期水下爆炸实验法在工业炸药JWL状态方程测定中的应用研究4

tedresultsofobliqueshockwavefrontandincludedangleofwater鄄gasinterfacearecomparedwiththemethod.Thesimulatedresultsareinagreementwiththeexperimentalresults.Theresultsshowthattheerrorofobliqueshockwavefrontislessthan依5%,andtheerrorofincludedangleofwater鄄gasinterfaceJWLEOSoflargescalecommericialexplosive.

experimentalresults.TheparametersforJWLEOSofmodifiedANFOaredeterminedbytest鄄and鄄errorislessthan依3%.TheproposedmethodisreasonableandreliablefordeterminingtheparametersofKeywords:commercialexplosive;underwaterexplosion;ammoniumnitratefueloil;JWLequationofstate;continuouspressure鄄conductedvelocityprobe

0摇引言

随着计算机技术和各种求解方法的发展,工程爆破与安全、爆炸加工等实际问题中已越来越多地采用计算机数值模拟方法进行研究。在这些研究中,所用工业炸药状态方程与参数选取往往成为计算精度的瓶颈,尤其是对于具有显著非理想爆轰特性的工业炸药,所选用的炸药状态方程参数会对计算结果产生较大的影响Autodyn。程序给定的状态方程和自带参数等常用有限元仿真分析软件中目前在,且对于工业炸药,LS鄄DYNA、只能选择而言只有指定密度下的铵油炸药(ANFO)可以选择Alamos、Lawrence,这些有限的状态方程参数一般出自于美国法国等国家实验室的研究报告Livermore国家实验室和俄罗斯Los[1-4]、爆炸焊接用低爆速炸药等其他炸药参数,对于乳化炸药,大多需要、从国内外文献中检索,或者在实验室中自行测定。

对于炸药爆轰产物状态方程的测定,圆筒试验作为专门用于评估炸药作功能力的标准化实验[5-8]之有效的方法,被认为是研究炸药爆轰产物状态方程最行,我国从1991年就公布实施了国家军1997用标准GJB772郾302—1990标准圆筒试验法,并在

驱动介质本身的原因年公布了修订版,圆筒试验中的铜管在爆炸中GJB772A—1997[9].但由于后期很快就会破裂,测试数据非常有限,从而无法获得炸药爆轰产物中后期的膨胀规律。

水下爆炸是测量炸药能量释放和评估炸药作功能力(R为爆炸半径的重要手,段r,尤其是比距离1臆R/ree为装药半径)范围的爆炸近场臆,是6

炸药对外做功的主要破坏压力区段,含有丰富的与炸药状态方程相关的高压信息,如Johson等[10]利用

基于高速摄影的水下爆炸实验研究了工业炸药的水中爆炸特性,讨论了ANFO中铵反应比例的问题。此外,因为药柱整体置于水域中,膨胀介质在足够长时间(毫秒级)内不会发生破裂,所以可以反映爆炸中后期(中低压状态)时爆轰产物的膨胀特性,这对于宽反应区的工业炸药爆轰参数测量无疑是非常有利的,并且不会像圆筒试验那样产生大量金属飞破片,危及试验人员和设备安全。于是学者们尝试利用水下爆炸来测定炸药爆轰产物的JWL状态方程,如日本熊本大学的学者们[11]利用高速摄影记录工业炸药水下爆炸的冲击波运动迹线,并根据理论计算推导出爆轰产物的膨胀迹线,最终结合数值模拟确定出相应的JWL状态方程参数。国内方面,杨凯等[12]、沈飞等[13]和魏贤凤等[14]利用高速摄影装置记录水下爆炸中爆轰产物与水界面的膨胀轨迹,测定了含铝炸药、梯恩梯(TNT)以及高聚物粘结塑性炸药(PBX鄄01炸药)的爆轰产物状态方程,测试效果也较为理想。

上述研究采用的方法均为高速摄影技术,尽管测试精度较高,但其实验系统复杂,对设备、光源、场地等要求苛刻。压导式电阻丝探针的成功研制,使炸药爆轰波和介质中冲击波的连续测量成为可能。本文提出一种用水下爆炸测量炸药状态方程参数的方法,以改性ANFO为研究对象,通过设计柱形装药水下爆炸测量系统获得其水中斜冲击波阵面Autodyn数,使数值计算得到的斜冲击波阵面与实验结果的有限元程序,通过调整JWL方程的6;结合个参误差保持在约定范围内,最终测定出合理的ANFO爆轰产物JWL状态方程。与以往的高速摄影法相比,本文方法具有经济方便、适用性强等优点,非常适合野外大当量的爆炸测量。

1摇水下爆炸实验

1郾1摇实验装置

柱形装药水下爆炸实验装置的示意图如图1所示ANFO(,炸药采用广泛应用于露天岩石爆破工程的改性为:淡黄色粉末状铵(郾8%),~组分具体比例92郾8%)、(质量分数)4郾7%)、复合油(2郾0%~3郾0%)、改性剂木粉((0郾3郾3%8%~~

490

兵摇工摇1郾(密度为2%)。籽水箱长e)水平置于水箱中140cm、宽60,药柱长cm、高10070cm,cm、药柱5直径

箱前后侧壁cm,外壳为厚度30cm,1mm距离箱底的PVC20管cm,,药柱轴线距离水药柱的两个端面距离水箱左右侧壁20cm,起爆雷管置于药柱左端面;压导式连续探针先沿药柱中心平行布置,长度为30cm(含药柱中倾斜段)。为了保证所测爆速已达稳定,设置探针头部与起爆端的距离为10cm,随后探针与药柱呈75毅角进入水域中,最后从水面引出并联入测试电路中。图1中:R和仪器总电阻,I为恒流源电流,Dc为回路电缆速,V(t)为示波器记录的电压变化0。

e表示炸药爆图1摇基于压导式连续探针的水下爆炸斜冲击波测量系统Fig.1摇Underwatercontinuouspressure鄄conductedexplosionmeasurementvelocitysystemprobe

with

该测量系统的基本原理为:当炸药起爆后,爆轰波沿药柱轴向传播,持续导通药柱内探针,从而利用与药柱平行的探针测量炸药的爆速;水中产生的斜冲击波到达一定位置后又作用于倾斜探针上使之持续导通,于是水中倾斜部分的探针可记录水中冲击波的传播规律。需要说明的是,由于连续电阻探针记录的是水中冲击波波头的传播轨迹,容器器壁产生的反射波在到达水中斜拉探针位置时,探针导通点处已完成了数据记录,因此并不会影响最终数据的采集。这样,利用一根连续电阻丝探针和记录仪器的单个通道,在一次实验中就可以获得炸药的爆速变化以及斜冲击波的传播迹线。

从图1中的测试电路可知,被爆轰波或冲击波压致导通的探针长度为

L(t)=Lp0-Vr(t)Rc

式中:L为探针的初始长度;pI+,(1)r0rp

p0rp为电阻丝探针单位长度阻值(标定值pp值为343赘)。

=Ra/Lp0,Ra为探针的初始阻值,本文r将(1)式对时间求导数,可以得到爆速或冲击波速度为

D(t)=-rp1I0·dVd(t

t).(2)

学摇报

第41卷

本文使用的压导式连续探针是由大连理工大学爆炸冲击动力学研究室自行研制的电阻丝传感器[15]电流或电压后,它是以漆包电阻丝作为核心元件,在外界爆轰波、强冲击等作用下,通以恒定,利用螺纹金属丝的锋利螺齿刺穿电阻丝漆包层导通,通过示波器记录的电压变化来反映电阻丝阻值(长度)变化,求解外界作用扫略速度的一类新型杆式传感器,整体直径为1郾5~2郾0mm.压导式连续探针结构如图2所示。

图2摇压导式连续探针结构示意图Fig.2摇Schematicconductedillustrationprobe

ofcontinuouspressure鄄

该探针已成功应用于炸药爆速、临界直径、殉爆

距离、爆压等的测试中[16-19]比,新型探针抗干扰能力强,,与传统金属管探针相测试效果更稳定。此外,新型压导探针的导通压力在45~70MPa之间,可用于压力大于100MPa的水中近场冲击波测量,此时探针的响应时间小于0郾68滋s,导通滞后性可忽略不计。

1郾2摇实验数据初步分析

利用图1的实验装置,对改性ANFO进行3次水下爆炸重复性实验0郾927g/cm,炸药密度分别为0郾884g/cm33、0郾921g/cm3,得到如图3、波-冲击波时程曲线,其中实验CA鄄1和所示的爆轰

CA鄄2采用采样MREL率公为司1生MSa产/),s的CA鄄3Handitrap采用自记制录的仪采(加样拿率大80MSa/s的信号记录仪。

为

3通过对爆轰波段数据进行线性拟合,可以得到3郾次实的是冲击波运动规律406km验中/s、3郾改性402ANFOkm爆速分别为3郾231km/s、。/s,为获得水中斜冲击波阵面图3中各曲线后半段反映,

绘制如图4所示大尺度装药下的斜冲击波分析模型。图4中:假设水流以D向传播速度相等)的速度沿原爆轰波传播的反向w(其值与冲击波水平方运动,此时爆轰波和斜冲击波波阵面保持相对静摇第3期水下爆炸实验法在工业炸药JWL状态方程测定中的应用研究491

图3摇爆轰波-冲击波时程曲线

Fig.3摇Timehistorycurvesofdetonation鄄shockwaves

止;横坐标z、纵坐标r分别表示沿药柱轴向和径向的距离;OE表示探针;驻l为冲击波导通的探针长度;t与药柱之间的夹角0为爆轰波到达O点时的初始时刻;茁为探针;AN和BE分别为tN和tM时刻的斜冲击波阵面,其中波阵面AN在点N(zN作用于探,rN(针使其导通;兹为爆轰产物膨)处量和单位切向量水气界面夹角);;琢n为和Mt分别为点切线方向与药柱之间M点的单位法向胀的角度的夹角;Dw为水的来流流速;PT为水的来流流线,其在M点的垂直和切向分量分别为PM和MT;MQ为斜冲击波后水的流线,其流速为u点作一水平线,与BE交于M点(zMQ.过NM,rM时为定常流场,即斜冲击波阵面形状不随时间改),由于此变,AN和BM为完全一致的两条弧线,从而M点和N点的几何关系可表示为

{

zMr=zN+Dw(tM-tN),M=rN.

(3)

图4摇二维定常流场中柱形装药的斜冲击波分析模型Fig.4摇Analysiscylindricalmodelchargeofobliqueintwo鄄dimensionalshockwavefrontof

flowfield

steady通过图3曲线中的冲击波段数据,可知任一时刻被冲击波导通的探针长度(z,r驻l值,于是N点坐标NN)可表示为(驻lcos茁,驻lsin茁),从而连续探针

OE上的所有数据与斜冲击波BE均一一对应;进而根据图ANFO3中的冲击波时程数据,可以得到图5所示图5中环向距离药柱水下爆炸的斜冲击波波阵面3cm内的曲线进行3次多项式拟。再选取合,可获得入水处斜冲击波的倾角琢角琢毅、54郾27毅.

bb分别为55郾86毅、54郾46,3次实验的倾图5摇水中斜冲击波阵面

1郾摇

Fig.5摇Obliqueshockwavefrontinwater

3摇斜冲击波阵面及爆轰参数的计算

下面继续分析图4的斜冲击波模型。根据斜冲击波前后法向和切向水流运动的变化,可以得到水气界面的夹角为

兹=琢-arctan

(

DwDsinwcos琢-琢

uw

)

,

(4)

式中:u化,其值可以利用水的状态方程和w为斜冲击波阵面上任一点法向上的速度变Hugoniot冲击波关系式求解。再引入水的压缩度,最后可求解得到波阵面任意一点的压力pB点的状态w和水气界面夹角兹.

现在分析入水处。当采用大尺度

装药时,炸药爆轰波波阵面可近似为平面,其爆轰产物向四周扩散的过程也可以用Prandtl鄄Meyer膨胀流动描述[20]与马赫数Ma。之间存在如下关系因此在该定常流场中:,水气界面夹角兹=

酌酌+1

-1

arctan酌酌-1

+1

(Ma2-1)-arctanMa2-1,(5)

式中:酌为绝热指数。引入滞止压力关系式[21]后,

可得到水气界面上爆轰产物马赫数的表达式为

Ma2

=

酌酌+籽e结合(5)式,并代入已确定的界面夹角-11[

(酌+D1)2e

pw

]-酌2-1

.(6)

兹、界面

压力p酌,最后可计算得到爆压w和爆速De,可计算出爆轰产物的绝热指数pC鄄J.各次实验计算得到的参数如表1所示。摇

492

兵摇工摇表1摇改性铵油柱形装药水下爆炸参数

Tab.1摇Underwater籽ANFOcylindricalexplosionparametersofmodified

实验e/

Dcharge

e/

琢b兹/pC鄄J序号

(g·/

0郾cm-3)(km/

酌

CA鄄1CA鄄255郾(毅)6郾(毅)

CA鄄30郾8843郾·231s-1)0郾927921

3郾3郾4002

54郾8654郾46277郾9412郾GPa

7郾4223933郾9302郾3郾418379

2郾1502郾146155

2摇改性ANFO的JWL状态方程测定

2郾1摇JWL测定过程及数值计算p=A(

1-状态方程的标准形式为

摇摇摇棕

)e

-R1V

+B(

1-摇摇棕

摇R摇1摇

V摇摇R摇摇2摇

V)摇e

-R2V+棕摇E摇V

摇摇摇摇,其等熵形式为

(7)ps=Ae-R1V+Be-R2V+摇C

V棕摇+摇1

摇V表示爆轰产物的相对比摇摇,

(8)

式中:p为爆轰产物压力;容,V=V/V的比容;A、B0,、VC、和R1V、0R分别为某时刻和初始时刻产物2和棕为6个未知系数,需要根据实验确定;E为爆轰产物的比内能。由于本文采用大(装药密度鄣p尺度装药,通过Chapman鄄Jouguet(C鄄J)条件s/鄣V)V)、HugoniotC鄄J=籽eD2e(V关系式以及C鄄J为C鄄J点处产物比容;籽C鄄J等熵线过e为C鄄J

点,可得到JWL方程系数之间的相容关系如下

AR1e-R1VC鄄J+BR2e-R2VC鄄J+C(棕+1)VC鄄J-(棕+2)=籽eD2(9)

e,

RA1e-R1VC鄄J+RB2e-R2VC鄄J+C棕VC鄄J-棕=E0+12

pC鄄J(1-VC鄄J),Ae

-R1VC鄄J

式中:p+Be

-R2VC鄄J

+CV

C鄄J

-(棕+1)

=C鄄J为炸药的C鄄J爆压;V/(酌+1);EC鄄J为C鄄J点处的相对pC鄄J,

(10)(11)

比容,V内能。

C鄄J=酌0为单位体积内炸药的初始基于柱形装药水下爆炸实验测定JWL状态方

程系数的具体方法是(9)和棕式共~6(11)个系数输入式计算出:先假定一组AutodynA、B、C,R1、R2、棕,根据程序中的再将A、B、JWLC、R方程1、R2并进行数值计算,比较计算结果与实验结果的水中斜冲击波波阵面。为了尽可能排除信号振荡带来的影响,实验的波阵面曲线需进行多项式拟合后再与模拟结果进行比较,误差约定值取R依5%,若二者超过依5%,则重新选取一组R1、2、棕,并计算相应的

学摇报

第41卷

A、B、C;再进行数值计算和比较,直到二者相差不超过依5%为止。

许多学者给出了R1、R2、棕的1孙承纬等[22]认为对于大多数炸药,R选值范围,如

1为4~5,R2为

等~[23]2,指出棕为,0郾A、2B、~C0郾、R4.美国LLNL共6实验室的个系数之间需满Souers足A=(10~50)B,B1=、R(102和棕~50)C,4臆RR1臆7,0郾8臆和爆轰的非理想性2臆2郾0,0郾25臆棕臆0郾,各系数可适当小于参考范围60.考虑到工业炸药低爆速,但必须保证都大于0.

上述测定过程利用已知解寻找未知的物态参数“值计算测定的反问题,实际上是一类爆轰流体动力学的冶的解一般都不是唯一的JWL状态方程系数也并不是唯一的,因此通过程序数“反问题冶,而,

而是作为一组系数来确定JWL状态方程。因此拟合值的准确性还需要通过JWL状态方程确定的p鄄V曲线判断[6]对称模型(见图。柱形装药的6,药柱尺寸与前述实验相同Autodyn建模采用二维轴),水的状态方程使用Autodyn程序中的多项式状态方程及其默认值。

图6摇Autodyn程序中水下爆炸柱形装药的二维轴对称模型Fig.6摇Two鄄dimensional摇

chargeforunderwateraxial鄄symmetricexplosioninmodelAutodyn

ofcylindrical

2郾2摇测定结果

优化调整方程系数后最终确定的斜冲击波数值计算结果如图7所示,图7中实验结果与模拟结果的最大误差均小于依5%,且3次实验的水-气界面夹角模拟结果分别为7郾038毅、7郾306毅和7郾214毅,与实验依3%结以内果(6郾,最终测定的941毅、7郾422毅和7郾393毅)的误差均在程系数如表2所示。

3组改性ANFOJWL状态方

摇通过程序数值计算测定的摇如前所述,由于等熵方程,它们的值可能并不唯一(7)式的6个系数是,

其拟合值的准确性需要通过JWL状态方程确定的p鄄V曲线来判断。但由于目前缺乏低爆速ANFO状态方程的相关文献,这里只比较JWL方程和酌律方程的p鄄V线。图8给出了改性ANFO的JWL状态方

摇第3期水下爆炸实验法在工业炸药JWL状态方程测定中的应用研究493

图7摇斜冲击波波阵面的实验结果与模拟结果比较

Fig.7摇Comparisonofexperimentalandsimulatedoblique

摇

shockwavefronts

表2摇基于水下爆炸实验测定的改性ANFOJWL

方程系数

Tab.2摇JWLfromEOSunderwaterparametersexplosionofmodifiedtest

ANFOdetermined

实验序号A/GPaB/GPaC/GPaRRCA鄄126郾32郾6980320郾0郾3郾1

2

棕CA鄄2CA鄄3

31郾466

0郾4200郾713585

0郾1590郾177173

3郾500郾0郾900郾3郾6055

0郾90

0郾220郾2322

程和酌律方程确定的等熵p鄄V曲线。由图8可以看出,酌律的p鄄V线普遍高于JWL方程,尤其是在中压段,而高压端和低压端二者吻合良好,因此酌律方程相比之下高估了爆轰产物作功的能力,在炸药驱动计算中采用该方程时应适当减小pC鄄J和增大酌.

3摇结论

本文利用自行研制的压导式连续电阻丝探针,通过设计柱形装药水下爆炸测试系统ANFO进行了水下爆炸实验。得出主要结论如下,对工业改性:

图8摇水下爆炸实验确定的改性ANFO等熵p鄄V线Fig.8摇p鄄V摇

determinedexpansionfromisentropesunderwaterofmodifiedexplosion

ANFO

时程曲线1)获得了改性,可拟合得到各组炸药的爆速ANFO水下爆炸的爆轰波;利用大尺度装-冲击波

药下二维定常流场的水中斜冲击波模型,可计算得到各实验组炸药的爆压药的二维轴对称模型2)利用Autodyn、,有限元程序建立水下爆炸柱形装

绝热指数、水气界面夹角等参数。

通过调整程序中JWL方程参数,使水中斜冲击波阵面的模拟结果与实验结果间的误差保持在依5%以内,水气界面夹角误差在依3%以内,可最终测定出炸药产物的JWL状态方程方程和3)通过绘制各组实验中炸药产物的。

酌律方程的等熵p鄄V线,发现酌律JWLp鄄V状态

线的中压段普遍高于JWL方程,而高压端和低压端二者

494

兵摇工摇吻合良好。结果表明,所述JWL方程的水下爆炸测定法合理可靠,可成为评价工业炸药做功能力的重要补充手段。

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