高能炸药摩擦感度的数值模拟

1 0] 表 1 单质炸药的摩擦感度 [
T a b l e1 F r i c t i o ns e n s i t i v i t f s i m l e e x l o s i v e yo p p 炸药 P E T N T e t r l y R D X HMX 9 2~1 0 0 , 9 21 0 0 7 6±8 1 2 /% η 炸药 T A T B D A T B NQ T N T /% η 4~6 0~4 0~4 0
( ) 1 ( ) 2 ( ) 3
x =L, : , , 式中 T 为 温 度 ρ 为 密 度 c 为 比 热 , Q 为单位质量 / 炸药的化 学 反 应 产 生 的 热 , a=k ρ c㊂Z 为 指 前 因
1 和q 2 分别为传 入 炸 药 和 钢 的 热 量 ㊂ 摩 擦 形 成 的 q 总热量 q=μ 其 中μ 为 动 摩 擦 系 数, v, p p 为炸药中
固体的分界面 ㊂ 随着摩擦界面温度的升高 , 液体与固体的分界面向 炸 药 内 部 移 动 ㊂ 忽 略 由 于 相 变 引 起
1 2] : 的炸药密度的变化 , 相变的分界面方程为 [
∂ Tl ∂ Ts d S ( ) k 5 -k =L l s ∂ x ∂ x ρ d t 式中 : 下标l表示液体 , 当炸药熔化 s表示固体 ㊂S 是 相 变 分 界 面 , L 是 熔 化 潜 热㊂需 要 补 充 说 明 的 是, 后, 一部分是液态 , 可认为两个摩擦面的温度不再相同 ㊂ 至此 , 建立了 考 虑 熔 化 效 应 的 一 维 炸 药 摩 擦 点 火模型 ㊂ , 等) 再与摩擦材料发生摩擦 , 如果中间的材料具有低熔点 , 同样也需要考虑测此材料的熔化效应 ㊂ 编制 了一维炸药摩擦点火热传导程序 , 采用模块化设计 , 能够计算多种物质 的 热 传 导 和 熔 化 问 题 , 通过了正 确性验证 , 可以应用于多介质的炸药摩擦感度实验的数值模拟研究 ㊂ 此模型还可以描述多种材料之间的炸药摩擦点火 ㊂ 如果摩擦时炸药外 层 加 入 其 他 材 料 ( 如黏合剂
第3 6卷 第6期 2 0 1 6年1 1月
E X P L O S I ON AN DS HO C K WAV E S
爆
炸
与
冲
击
V o l . 3 6,N o . 6 ,2 N o v . 0 1 6
: / ( ) D O I 1 0. 1 1 8 8 3 1 0 0 1 1 4 5 5 2 0 1 6 0 6 0 7 4 5 0 7
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爆
炸
与
冲
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第3 6卷
1 摩擦点火模型
般低于炸药的点火温度 , 所以建立的 摩 擦 数 学 模 型 有 必 要 加 入 熔 化 效 应 ㊂ 参 照 文 献 [ 的炸药摩擦模 3]
8 9] : 型, 建立了一维炸药摩擦点火模型 [ 摩擦功转换成 热 传 入 两 个 摩 擦 界 面 , 保 证 摩 擦 面 上 温 度 相 同, 炸 1 1] , 药点火应用经典的热爆炸理论 [ 引入 A r r h e n i u s反应速率计算炸药化学反应热 ㊂ 忽 略 摩 擦 作 用 引 起 [ ] 1 0 , 由于实验中观察到炸药的熔化现象 , 且许多炸药是低熔点 ( 如T 一 NT㊁ D AT B 和 NQ 等炸药 )
T1 =T2
子, Ea 为活化能 ㊂ q 为在摩擦界面上产生的总热量 , 的压力 , v 为钢与炸药之间的相对速度 ㊂
段即未发生熔化阶 段 , 摩擦力按照库伦摩擦定律计 算 ㊂ 当摩擦持续造 成 炸 药 发 生 熔 化 时 , 根据热导理 论, 计算熔化界面移动 , 变为液体的炸药材质参数发 生改变 , 但热导 中 不 考 虑 液 态 炸 药 的 对 流 效 应 ㊂ 类 似润滑效应 , 炸药摩 擦 系 数 会 随 着 摩 擦 界 面 的 温 度 升高而减小 , 可以认为摩擦系数随温度线性变化 :
*
收稿日期 : 2 0 1 5 0 2 1 0; 修回日期 : 2 0 1 5 0 7 2 4 第一作者 :林文洲ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ( 1 9 8 0
) ; ) ; 基金项目 :国家自然科学基金项目 ( 中国工程物理研究院科学技术发展基金项目 ( 1 1 3 7 2 0 5 1 2 0 1 2 A 0 1 0 1 0 0 4 ) 中国工程物理研究院院长基金项目 ( 2 0 1 4 1 0 4 2 ) , 男, 博士 , 副研究员 , a 3 2 3 8 w e n @h o t m a i l . c o m㊂
变㊁ 带电现象 ㊁ 化学反应 ㊁ 熔化和微动损伤等 , 而研究主要集中在热力学方面 , 即摩擦热带来的效应 : 摩擦 温度将升到一定高度 , 这个温度足以使放热反应发生并超过放热过程 , 那 么 点 火 将 可 能 发 生, 如存在约 束条件也可能进一步转变成爆轰 , 对炸药安全性带来威胁 ㊂
[] 为发展炸药摩擦安全性的评估方法 , 对炸药 摩 擦 点 火 开 展 了 许 多 相 关 研 究 ㊂J . G. G l e n n等 3 将炸
第6期
林文洲 , 等 :高能炸药摩擦感度的数值模拟
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2 数值模拟
2. 1 数值模拟结果与实验对比 ] 1 0 为了比较炸药感度强弱顺序 , 建立了炸药摩擦感度实验来测量炸药感度 ㊂ 炸药摩擦感度实验 [ 的 通常做法是 , 将炸药放在实验装置的两个滑柱中 , 用摆锤击打上滑柱 , 炸药与金属滑柱发生摩擦 , 观察是 , 否发生爆炸 ( 含燃烧 , 分解 ) 以发生爆炸的概率表示摩擦感度 ㊂ 实验测量的结果 , 见表 1㊂
[] 模拟了动摩擦过程 ㊂A. 活塞以不同的速率对它 B i r k等 4 将 C OMP B 炸 药 约 束 在 不 同 厚 度 的 钢 管 中,
进行加载 , 使它发生反应 ㊂ 如果载荷速率较小 , 炸药点火经常在压力衰减至 1 即在点火发 0 0 MP a 开始 , 生之前实际上只有很小的载荷 , 他们认为这表明是炸药与管壁的摩擦导致点火 , 实验显示摩擦效应是炸 钢界面开展 了 摩 擦 系 数 测 量 , 实 验 结 果 表 明, 由 于 摩 擦 热 的 生 成, 炸 D. H o f f m a n 等 6 针对 L X 0 4 炸药 药表面会出现塑化和层间融化现象 , 形成 摩 擦 弱 化 现 象 , 即炸药 金属界面的摩擦系数随温度上升有减 [] [] 药点 火 的 重 要 机 制 ㊂ 在 摩 擦 的 数 值 模 拟 中 , J . K. D i e n e s5 假 设 摩 擦 面 的 温 度 达 到 熔 点 后 就 不 再 升 高 ㊂
] 1 , 与地面滑动等情况下发生爆炸 [ 虽然尚未确定事故中准确机 制 , 但 摩 擦 很 可 能 是 最 主 要 的 点 火 机 制㊂ ] 2 , 目前炸药摩擦一般是指狭义上的 摩 擦 [ 在 炸 药 摩 擦 过 程 中, 伴 随 着 众 多 的 复 杂 现 象, 如 塑 性 变 形㊁ 相
近年来 , 炸药安全性受到了学者的重视 ㊂ 在多起意外事故中 , 炸 药 在 运 输 途 中 跌 落㊁ 钻孔操作时及
F i . 2I l l u s t r a t i o no f e x l o s i v e g p 图 2 炸药摩擦感度实验简图
图 2 为简化的炸药摩擦感度实验图 ㊂ 由于炸药
f r i c t i o ns e n s i t i v i t x e r i m e n t ye p
㊂ 由于实验中炸药与金属之间的位移远小于滑柱的直径 , 所以炸药受到压力为表压的 1 可 1 0倍, 0 0 倍) 以忽略侧向边界的热传导效应 ㊂ 由于炸药够厚 , 可以忽略下方金属块影响 ㊂ 至此 , 用一维摩擦点火数值 模拟程序对 4 种摩擦感度较弱的炸药进行计算 , 炸药和金属摩擦参数见表 2㊂
本文中 , 对几种感度较弱炸药的摩擦感度进行数值模拟 , 以证明此模型 的 合 理 性 和 较 广 的 适 用 性 , 并结
] 8 9 ㊂ 我们考虑炸药的熔化效应 , 建立了一个炸药摩擦模型 , 对敏感炸药的摩擦感度进行了模拟研究 [
合炸药活化能分析炸药在不同摩擦条件下感度的变化规律 , 以期能够为炸药摩擦安全性研究提供参考 ㊂
的炸药整体塑性变形导致炸药的升温 ㊂ 具体数学描述如下 ㊂ 摩擦面上的条件分别为 :
如图 1, 炸药与某种材料介质之间有速度差 , 发生摩擦 , 炸药热反应扩散方程 ㊁ 材料热传导方程 ㊁ 在
2 E a ∂ T1 ∂ T1 Q -R Z e T =a 1 2 + ∂ t c ∂ x 1 2 ∂ T2 ∂ T2 =a 2 2 ∂ t ∂ x 1+ 2= q q q,
将热量限制在移动的摩擦表面之间或在两表面之间的存在杂质的位 置 ㊂ 当 摩 擦 刺 激 达 到 足 够 的 强 度 ,
药放置在圆柱管内 , 用 活 塞 装 置 推 动 炸 药 使 之 在 钢 管 内 滑 动, 产 生 摩 擦, 称 为I P F T( i n t e n s ep r e s s u r e ) 实验 ㊂ 在相同条件下 , 改变钢管内表面的光洁度 , 炸药发生了不同程度的反应 ㊂ a n df r i c t i o nt e s t I P F T 实验提供了摩擦点火的可重复实验 ㊂ 他们还建立了炸药与钢管摩擦放热的数学模型 , 并应用 S P H 方法
摩擦点火过程很短 且 建 立 的 是 一 维 模 型 , 可以忽略 炸药变形和滑动过程炸药自身制备形式对摩擦的影 响效应 , 认为炸 药 处 在 两 个 金 属 块 中 间 ㊂ 上 边 的 金 / 属块有相对速度 3. 并施加了一定的 8m s和 位 移 , ( 压力 3 由于实 验 中 滑 柱 直 径 是 炸 药 直 径 的 9 0 MP a
摘要 :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
说明摩擦点火模型适应性 ㊂ 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 , 关键词 :爆炸力学 ; 摩擦感度 ; 摩擦点火模型 ; 高能炸药 ; 熔化 ; 热分解反应速率