0、绪论 温压炸药的高能组分是高能量与高危险共存的含能材料，其固有特性决定其与一般的危险品不同，具有特殊的高风险。在生产、贮存、运输和使用过程中，易受到多种外界能量的刺激而发生燃烧、爆炸等危险事故，因此对其安全性的研究就显得特别重要。尤其是近些年来，人们开始不断深入研究含能材料的安全特性。Harold等[1]研究了PBX-9502炸药在240℃下的枪击感度，结果表明，PBX-9502炸药经加热后发火阈值略有下降，安全性降低。Switzer[2]等采用steven试验研究PBX-9404与LX-04炸药在高温与室温下的响应阈值，结果表明，加热到150~170℃后。LX-04炸药的响应阈值有显著提高，PBX-9404炸药的响应阈值略有提高。代晓淦[3]等研究了热和枪击复合环境试验中PBX-2炸药的响应特性，分别采用约1℃／min和10℃／min的升温速率对PBX-2炸药进行加热，试验结果表明，PBX-2 炸药在常温以及两种升温速率环境下的反应程度基本一致。从以上研究结果中看出感度可作为评价炸药安全性和作用可靠性的指标，是炸药能否实用的关键性能之一，其还受分子结构、成分、键能、活化能等内在因素和装药密度、惰性杂质等外部因素的共同作用[4]。因此，如何均衡能量和安全可靠性，既能使炸药获得高能量，也能使炸药在储存、运输、使用过程中保持足够的安全性，最终获得高能钝感炸药，成为人们不断追求的目标。 当前，炸药发展的关键在于改善现有炸药的安全性及研制新型的含能材料。通过撞击实验来测得温压炸药的响应规律是评价温压炸药的安全性能的重要途径之一。但仅仅通过撞击实验作为研究手段过于单一，而且所得出的数据的可靠性不高。所以本论文将同时采用炸药药柱撞击实验和构建炸药药柱撞击钢靶板模型两种方式综合对比来研究温压炸药在撞击作用下的响应规律。在进行撞击实验的同时，通过AUTODYN软件来模拟药柱在受到撞击的过程中各项参数的变化从而得出炸药的临界起爆条件、压力和应变速率等。归纳计算得出研究结果。 1、炸药药柱在撞击作用下的响应特性研究： 炸药撞击感度测试已有近百年的历史，世界各国发展了多种形式的试验装置及试验方法[5-8]。一般试验样品都是毫克级的药粉，而炸药在加工，运输，使用的过程中大部分都是大药量成型的药柱，药粉与药柱的反应机理及反应方式都存在显著差异，药粉的撞击感度不能完全代表成型药柱的撞击感度。炸药药柱撞击感度可为炸药生产加工、运输及储存过程中受到意外撞击后安全性评估提供一定依据，然而炸药在其寿命周期中可能会受到一些不同形式外界刺激的共同作用，从而引发重大安全隐患。 近些年来，人们开始用药柱代替药粉研究撞击感度。徐洪涛等[9]建立了炸药药柱低速撞击复合环境试验系统来研究低速撞击不同温度下炸药药柱的响应特性，分别对-40、20、70℃的B炸药与JO8炸药药柱进行了低速撞击感度试验，结果表明，温度与炸药药柱临界撞击高度并没有很直接的关系，B炸药与JO8炸药的药柱撞击安全性在一定温度范围内(20～70℃)对温度不敏感，低温环境下B炸药稍有钝感，而JO8炸药则趋于更加敏感。南海等[10]将浇注型PBX-1药柱以150、240m /s速度撞击靶板，用扫描电子显微镜 (SEM)技术和差示扫描量热仪(DSC)技术对撞击加载后的样品进行了分析，研究了浇筑PBX炸药药柱的动态撞击性能。结果表明，在150、240m / s撞击加载条件下，PBX-1炸药不发生反应或点火；浇注炸药药柱的损伤主要表现为炸药颗粒破碎和颗粒与黏结剂的脱离。随着撞击加载速度的增大，PBX-1炸药颗粒破碎程度增大，炸药颗粒与高分子基体发生脱离现象越严重；PBX-1炸药撞击前后，热分解性能没有发生本质性的变化。以上研究只表明炸药在某种撞击加载条件下是否发生点火反应和稳定性，而未对炸药药柱在撞击作用下的响应规律做出一个系统的归纳。所以，本论文将以得出温压炸药在撞击作用下的响应规律作为研究目的展开研究。 目前，炸药撞击感度研究关注方向不仅是原料在加工，传递过程对机械撞击刺激的响应研究，更希望得到由于采用不同微量黏合剂，增塑剂，钝感剂，或不同成型工艺技术制造的炸药成品的机械撞击刺激响应规律。本文采用通过裸药柱撞击钢靶板，调整药柱着靶的速度的方式来得出药柱的临界起爆条件。希望可以为炸药药柱撞击感度测试提供一种新的思路。 2、炸药药柱撞击作用下的模型研究： 目前对炸药惯性冲击的动力学响应研究主要基于物理实验，成本高、具有一定的危险性，且药柱尺寸受到实验条件的限制不能过大或过小。因此，在进行药柱撞击实验的同时，有必要建立一个用数值模拟温压炸药起爆过程的理论模型。戴开达[11]等在研究炸药损伤时曾表示数据模拟对研究炸药冲击加载条件下的力学响应及安全评估等都具有重大的意义。郭向阳[12]等借助数据仿真的方式研究了泰勒冲击加载下的炸药动态响应过程，结果表明计算方法可行，所得结果对炸药装药结构设计、使用及运输过程中的安全性具有指导和预测作用。于明[13]则用点火成长模型模拟了凝聚炸药的起爆过程，结果初步证明研究提出的数值模拟凝聚炸药起爆过程的理论方法是合理的。从以上文献中可以看出构建模型的方式可以作为研究炸药药柱撞击响应的研究手段，并且取得了一定的成果。 AUTODYN[14]是有限元分析程序，可用来解决固体、流体、气体及其相互作用的高度非线性动力学问题，具有欧拉(Euler)、拉格朗日(Lagrange)、任意拉格朗日欧拉(ALE)、薄壳(Shell)、光滑流体动力(SPH)、梁(Beam)处理方法及混合处理方法，可以对各类冲击响应、高速/超高速碰撞、爆炸及其作用等问题进行模拟分析，在军工行业得到广泛应用，因此选择用该软件进行数值模拟。参考景振禹[15]等人在增效射孔弹火药装药损伤特性的研究中建立模型的方式，利用AUTODYN软件构建温压炸药药柱撞击靶板模型，模拟不同初速度下温压炸药药柱撞击钢靶板的过程，分析其在撞击过程中药柱的变化情况，通过模拟计算[16]得到炸药的临界起爆速度等参数，并和撞击实验所得的数据进行整合对比，分析温压炸药药柱在撞击作用下的响应规律。 从上述文献可见现有的温压炸药撞击实验研究侧重于炸药内在组成和装药量对爆炸参数的影响，数值模拟研究侧重于分析各种温压炸药在不同的撞击加载条件下的稳定性，并没有对温压炸药在撞击作用下的响应规律进行较深入的研究。基于此，本论文将通过撞击实验和建立温压炸药药柱撞击靶板模型相结合的方式开展温压炸药在撞击作用下的响应规律的研究。为温压炸药性能设计、弹药防护能力提高以及安全性评估提供一定的理论依据与参考。 |
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学位论文工作进度安排 |
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序号 |
时间 |
研究内容 |
预期效果 |
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1 |
2019年1月7日 |
查阅资料，确定研究方向，明确研究思路 |
撰写开题报告 |
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2 |
2019年2月至2019年4月 |
进行撞击实验，使用AUTODYN软件，模拟温压炸药药柱撞击靶板过程 |
归纳出温压炸药在撞击作用下的响应规律 |
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3 |
2019年4月至2019年5月 |
撰写论文，并进一步补充、完善实验数据 |
论文初稿基本完成 |
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4 |
2019年5月至2019年6月 |
修改论文，准备论文答辩 |
顺利通过答辩 |
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文献/论文 [1] Harold W S，Susan A A，Kim EA，et al. ．Hazard tests on a heated TATB-based high explosive [C]//Proceedings 7th International Detonation Symposium．Snowmass：office of Naval Research．1998：428433． [2] Switzer L L，Vandersall K S，chidester S K，et a1．Threshold studies of heated HMX-based energetic material targets using the steven impact test[J]．AIP Conference Proceedings，2004，706：1045—1048． [3] 代晓淦，文玉史，申春迎，等．热和枪击复合环境试验中PBX-2炸药的响应特性[J]．火炸药学报，2009。 [4] 郭炜, 金朋刚, 任松涛, 徐洪涛. 脆性试验对火炸药撞击安全性的评估. 第二届全国危险物质与安全应急技术研讨会. 中国四川成都 2013:5. [5] Lecume S, Chabin P. Structural and chemical changes in PBX induced by rapid shear follow ed by compression [C ]∥12th Detonation Symposium. San Diego: Naval Surface Weapon Center, 2002. [6] Huntington-Thresher W, Church P D, Kosecki A, et al. Response of PBXs and inert substitutes in launch and impact scenarios [ J]. Journal de Physique IV, 2006, 134 :231-236. [7] Arnold W. What influences the shock sensitivity of high explosives [ C ]∥ Insensitive Munitions and Energetic Materials Technology Symposium. Bristol [s. n. ], 2006. [8] Wallace I G, Bourne N K, Barnes P, et al. The vulnerability of munitions to low velocity impact [C ]∥ 6th Australian International Explosives Ordnance Symposium. Canberra [s. n. ], 2003 : 29-31. [9] 徐洪涛, 冯博, 冯晓军等. 低速撞击不同温度下炸药药柱的响应特性[J]. 爆破器材, 2015(1). [10] 南海, 高立龙, 郭昕, 王克勇, 郭炜, 杨建钢. 浇注PBX炸药药柱的动态撞击性能. 火炸药学报. 2010 2010-10-15(05):36-8. [11] 戴开达, 陈鹏万.炸药损伤及其对冲击起爆的影响. 安全与环境学报. 2004 2004-12-30(S1):170-2. [12] 郭向阳, 钱志博, 杨杰, 冯潇涛. 泰勒冲击载荷下的炸药动态响应过程数值计算. 计算机仿真. 2013 2013-08-15(08):14-8. [13] 于明. 用点火成长模型模拟凝聚炸药的起爆过程. (北京应用物理与计算数学研究所，北京100088） [14] 石少卿. AUTODYN工程动力分析及应用实例[M]. 中国建筑工业出版社, 2012. [15] 景振禹，张维山等.增效射孔弹火药装药损伤特性的研究（西安近代化学研究所 西安710065） [16] 顾佳伟. 撞击作用下PBX炸药响应过程的宏—细观数值模拟[D]. 北京理工大学, 2015. |
