考虑相变的炸药烤燃数值模拟计算

以低熔点的TNT炸药为研究对象,根据已有的TNT炸药烤燃实验,建立了炸药烤燃热反应模型,模型除了考虑炸药热传导外,还考虑了炸药多步化学反应、炸药相变和液态炸药的对流传热。采用计算流体力学软件Fluent,对加热速率为0．05K·s^-1时TNT炸药的烤燃过程进行了数值模拟计算,得到了TNT炸药的剧烈反应时间为4150s,炸药点火时3号特征点的温度为226℃;与实验结果比较,验证了计算模型和相关参数的正确性。分析了不同加热速率下（0．3K·s^-1,0．05K·s^-1,3．3K·h^-1）TNT炸药相变和温度变化情况。计算结果表明,烤燃中炸药相变熔化是从外向内逐步进行,未熔化的固态炸药会在重力作用下出现沉降。炸药熔化时会吸收热量,使温度上升速度减小。刚熔化的炸药在对流作用下温度会在短时间内快速上升。液态炸药存在热对流和热传导的共同作用,使炸药内部温度分布的均匀性增加。炸药相变对炸药点火温度,点火时间和点火位置都有影响。     

HMX基混合炸药烤燃特性及多步热反应计算

对以HMX为基的HMX/粘结剂/95/5混合炸药进行了多点测温的烤燃实验,获得了炸药内部不同位置的温度变化历程,观测到了炸药加热过程中由于HMX从β相到δ相的晶型转变吸收热量引起的温度非线性变化。通过不同尺寸炸药烤燃弹实验,研究了装药尺寸对炸药烤燃过程的影响。结果显示,在相同加热条件下,不同尺寸炸药内部温度分布不同,炸药内部相变情况、点火时间和区域有差异。HMX/粘结剂/95/5炸药烤燃点火后会发生强烈爆炸。建立了HMX/粘结剂/95/5炸药热反应计算模型,考虑了HMX多步热分解反应。采用过渡态理论,描述HMX炸药固相相变。根据炸药多点测温烤燃实验的结果,标定了HMX/粘结剂/95/5炸药热反应动力学参数。计算出了HMX晶型转变吸热引起的温度变化。通过对不同尺寸的烤燃弹实验的数值模拟,验证了计算的准确性,实现了对不同条件下炸药烤燃过程的有效预测性计算。计算获得了不同时刻下HMX热反应过程中反应物、中间产物和产物质量浓度的变化情况。     

一维慢速烤燃模型点火点位置及其温度的理论计算

为理论分析凝聚炸药慢速烤燃过程，及为烤燃研究奠定理论基础，根据炸药的热传导理论方程，利用叠加原理和分离变量法，将炸药非反应性热传导项与自热反应热传导项拆分，推导得到凝聚炸药一维慢速烤燃模型的温度分布解析解。计算并分析自热反应温度最高值所在位置随加热时间的变化规律以及自热反应温度最高值及温度梯度随厚度的变化规律。根据慢烤试验结果，对温度沿轴向的分布情况进行验证；利用数值计算方法对药柱烤燃的点火点位置、点火温度及时间进行验证。研究结果表明：理论确定的点火点位置与试验测量的点火点位置相符，理论确定的计算结果与数值计算结果吻合；对于一维RDX炸药，自热反应最高温度所在位置的变化从始至点火不足2%,即炸药自热反应的最高温度所在位置在烤燃过程中几乎不变；且当炸药厚度达到0.3 m后，随着炸药厚度的增加，点火点位置至边界的距离趋于恒定值0.015 m,炸药内部温度梯度相似。     

不同升温速率下炸药烤燃模拟计算分析

为了研究不同升温速率条件下炸药热反应规律,建立了炸药烤燃模型,利用计算流体力学软件,对固黑铝炸药(GHL)在不同升温速率下的烤燃过程进行了数值模拟计算.采用Arrhenius定律描述炸药自热反应,根据在1 K·min-1升温速率下固黑铝炸药烤燃实验测量的温度-时间曲线,确定了固黑铝炸药的活化能和指前因子分别为180.2 kJ·mol-1和2.1674 s-1; 分别对3.3 K·h-1,1 K·min-1,3 K·min-1和10 K·min-1四种不同升温速率下固黑铝炸药烤燃过程进行了数值模拟计算分析.结果表明,升温速率对炸药点火时间和点火位置有很大影响.升温速率增大,炸药点火时间缩短,点火位置从炸药内部移向炸药边缘.升温速率对炸药点火温度影响很小,但慢速烤燃下炸药点火时的环境温度比快速烤燃低.     

DNAN炸药烤燃特征

熔铸炸药在烤燃过程中会发生炸药熔化,影响炸药热反应过程。本文采用烤燃弹法,对熔铸载体炸药2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)进行了烤燃实验,测量了炸药中心温度变化,分析了炸药熔化和反应情况。建立了熔铸炸药热反应计算模型。采用焓-孔隙率方法,计算分析了炸药熔化过程。考虑了炸药自热反应、热传导、熔化后的对流传热和空气的辐射传热。对炸药烤燃实验进行了数值模拟计算。通过与实验结果的比较,验证了计算的正确性。确定了DNAN炸药的活化能和指前因子分别为172 kJ·mol~(-1)和1.20×1011s~(-1)。计算分析了3.3 K·h~(-1)、0.3 K·min~(-1)、1.0 K·min~(-1)、3.0 K·min~(-1)、10 K·min~(-1)和60 K·min~(-1)六种不同加热速率下DNAN炸药的烤燃特征。在慢速烤燃下炸药完全熔化后才点火,而相对快速烤燃下炸药边缘点火,这时炸药内部还未完全熔化。得到了点火时刻的温度分布和液相分数分布。结果表明,在熔铸炸药烤燃中,加热速率对炸药点火前的状态影响很大,从而会影响炸药反应的激烈程度。     

黑索今基含铝炸药烤燃实验和数值模拟

含铝（Al）炸药在烤燃过程中,Al粉会改变炸药内部传热机制从而影响炸药热反应,因此需要研究含Al炸药热反应特征。采用多点测温烤燃法,对压装黑索今（RDX）/石蜡（WAX）（96/4）炸药进行了烤燃实验,获得了炸药内部不同位置处温度变化;结合数值模拟计算,标定了RDX炸药反应动力学模型参数;分别采用多点测温烤燃法和烤燃弹法,对压装RDX/Al/Binder（60/31/9）和熔铸梯恩梯（TNT）/RDX/Al（60/24/16）两种含Al炸药进行了烤燃实验,获得了炸药内部温度变化及点火时间。建立含Al炸药热反应计算模型,计算分析了炸药热反应特征。对RDX/Al/Binder考虑了Al粉的吸热和热传导;对TNT/RDX/Al考虑了相变及多步热分解反应,并采用多组元网格单元计算法同时考虑Al粉的吸热;对炸药烤燃实验进行了数值模拟计算,通过与实验结果比较验证了计算结果的准确性。研究结果表明：Al粉的加入会加快压装RDX/Al/Binder（60/31/9）含Al炸药内部的传热速率,缩短其点火时间,降低炸药热安全性;Al粉的加入对铸装TNT/RDX/Al（60/24/16）含Al炸药的传热过程没有显著影响。     

某引信及其等效构件的慢速烤燃研究

为研究引信传爆序列的烤燃特性,建立简化的等效模型,以装填1,1-二氨基-2,2-二硝基乙 烯（FOX-7）导爆药和传爆药的某引信为研究对象,进行升温速率为3.3 ℃/h的烤燃试验。设计两种等效方案,对两种等效构件进行相同的烤燃试验。在试验基础上建立等效构件的烤燃模型,通过数值模拟研究了传爆序列的点火顺序。运用传热学理论分析点火机理,解释了传爆药先点火的原因。结果表明：外壁底部温度为177.1 ℃时发生点火;两种等效构件响应结果与全引信响应结果相同,均为爆燃反应,且破片状态基本一致,等效方案可行;点火点在传爆药中心,传爆药燃烧引起导爆药发生爆燃反应;当导爆药与传爆药为同一炸药时,引信烤燃过程中一般为传爆药先点火。     

引信内部装药对烤燃试验响应的影响

针对引信内部装药对引信不敏感性影响不清晰的问题,通过有限元分析不同装药下引信在烤燃条件下的响应过程和规律。采用ABAQUS软件仿真,应用炸药多步热分解反应数学模型模拟炸药热分解过程,研究了快速烤燃与慢速烤燃两种情况下,装药中钝感剂的比例以及装药种类对引信不敏感性的影响。研究结果表明,钝感剂的比例从2.5%上升到15%,点火温度、壳体温度和点火时间的变化都在0.4%以内,几乎没有影响。当使用TATB作为传爆药时,相较于原引信的钝化黑索今,慢速烤燃试验条件下点火温度和壳体温度提升了80 K左右,点火时间延长了55.4%,快速烤燃试验条件下,点火温度和壳体温度提升了超过100 K,点火时间延长了50.3%,显著提高了引信的热安全性。同时当升温速率由3.3 K/h提升至0.05 K/s时,点火位置由导爆药处变为传爆药柱顶部。慢速烤燃和快速烤燃试验条件下,均无需考虑钝感剂/粘合剂的占比影响。换用更为钝感的炸药时,为了适应点火位置的变化,也可能要对引信结构进行改进。     

烤燃弹热点火的LS-DYNA数值模拟研究

为了提高弹箭武器的可靠性,必须对其在一定热条件下的安全性进行评估。文中针对研究含能材料热安定性的烤燃试验,建立了烤燃弹的数值计算模型,利用LS-DYNA3D有限元程序中的热力耦合分析功能对烤燃弹在不同升温速率下的内部传热及炸药和壳体热膨胀的准静态过程进行了数值模拟,得到了炸药的点火时间、点火温度、点火位置以及炸药点火前壳体及炸药热膨胀的幅度、烤燃弹中的压力分布、等效应力及等效应变云图。结果表明,随着升温速率的提高,炸药的点火时间是逐渐缩短的,点火时壳体的温度是逐渐上升的;炸药的点火位置同时也是点火前装置中压力的最高点,装置中等效应力和等效应变的最大值出现在炸药中,与壳体相邻的圆柱环形区域。     

升温速率对限定条件下烤燃弹热起爆临界温度的影响

为研究升温速率与限定条件下烤燃弹热起爆临界温度之间的关系,利用自行设计的烤燃试验装置,以1℃·min~(-1)的升温速率对装有RDX基高能炸药的烤燃弹进行加热,并使壳体外壁温度分别恒定在160,170,180,185,195℃,50 min后观察烤燃弹的响应情况。用FLUENT软件对不同升温速率下烤燃弹的热起爆临界温度进行了数值模拟。结果表明,炸药置于恒定高温环境中比慢速加热更加危险,其发生反应的环境温度更低,响应更剧烈;升温速率为1℃·min~(-1)时,烤燃弹的热起爆临界温度为194.8℃。且随升温速率的提高,烤燃弹的热起爆临界温度缓慢升高,当升温速率大于10℃·min~(-1)时,其热起爆临界温度均为197℃。在给定的条件下,升温速率对烤燃弹点火点的位置无影响,均为中心点火。     

熔铸炸药热爆炸临界工艺温度的计算方法

为评估熔铸炸药装药工艺的热安全性,提出一种热爆炸临界工艺温度的计算方法。以纯DNTF炸药的性能数据,计算不同工艺温度下的热爆炸延滞期,并将其与实际工艺处理时间进行比较,从而确定其热安全水平以及发生热爆炸的临界工艺温度值。计算结果表明：在常规工艺条件下,处理DNTF炸药不会发生热爆炸反应;但随着工艺处理量的增加,发生热爆炸的危险性也会不断增加。该计算方法对于熔铸工艺参数的制定具有重要意义。     

TNT基熔铸炸药冷却过程温度场变化规律研究

利用多通道数据采集仪对几种熔铸炸药冷却过程温度场进行测试,发现熔铸炸药冷却过程特别是相变发生的瞬间,温度曲线发生较大的拐点变化,通过对实验数据的分析,探讨了相变发生机理,得到了几种熔铸炸药的相变温度,随着熔铸炸药固相含量的增加,相变温度有下降趋势。所探讨的的两种熔铸炸药的相变温度在76～77℃内,均低于TNT的熔点。     

2，4-二硝基苯甲醚基熔铸炸药宏细观烤燃响应特性数值分析

2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)/奥克托今(HMX)熔铸炸药在烤燃过程中会发生DNAN熔化、HMX晶型转变等特征现象。为研究其烤燃响应特性,发展了DNAN熔化-化学反应动力学模型,结合HMX四步化学反应动力学模型,从宏观和细观尺度研究了DNAN基熔铸炸药的熔化、晶型转变及点火响应。宏观计算结果表明：DNAN在约377.00 K熔化,HMX在约450.00 K晶型转变,点火温度为531.34 K,点火位置位于装药上下端面与侧面夹角处环形区域,计算点火时间与实验结果误差为0.5%。基于宏观点火区域进行细观计算,发现点火位置位于HMX炸药晶粒,并得到DNAN熔化、HMX晶型转变等细观分布演化规律,即不同时刻,液相DNAN统计分布呈U形分布,δ-HMX近似正态分布。表明DNAN基熔铸炸药烤燃宏细观数值计算对深入理解含能材料的热点火机理具有重要意义。     

一种HMX基PBX炸药在热与落锤撞击复合作用下的响应特性

为了研究炸药在热与撞击复合作用下的安全性,采用自行设计的试验装置,对Φ20mm×8mm的HMX基PBX进行了20~170℃范围内不同温度下50kg落锤撞击试验。试验中利用压力传感器测试撞击过程中炸药受力变化。利用高速摄影系统拍摄炸药撞击点火过程。获得了PBX炸药在不同温度下的撞击响应特性。结果表明,成型PBX炸药的撞击安全性与温度密切相关,其中82℃时撞击安全性提高,170℃时撞击安全性明显变差。在20~170℃范围内,随温度升高,PBX炸药的撞击感度先降低而后逐渐提高,这与PBX炸药在高温下的力学性能发生变化、热膨胀、热分解导致的损伤以及HMX发生晶型转变等因素有关。     

TNAZ/ANTA最低共熔物的制备与性能

为寻求可替代梯恩梯用于熔铸炸药的液相载体,研究绘制了1,3,3-三硝基氮杂环丁烷(TNAZ)与3-氨基-2,4,6-三硝基苯甲醚(ANTA)混合物的二元相图,并测定了最低共熔物的感度、热安定性、爆轰性能。结果表明,当TNAZ与ANTA质量比为60/40时为最低共熔物,共熔点为84℃;最低共熔物热分解温度高、热安定性好、撞击感度、摩擦感度和静电火花感度与TNT相当,做功能力相当于148%TNT和114% Comp.B;70℃恒温放置6h不渗油,是一种具有潜力的可替代TNT的熔铸炸药。     

基于三维打印技术的纳米奥克托今与梯恩梯熔铸炸药制备及性能研究

为解决传统熔铸炸药缺陷多、密度低、力学性能差等问题,将三维(3D)打印技术应用到熔铸炸药的成型制备中。采用自主研发的熔铸炸药3D打印成型原理样机,通过筛选熔铸炸药配方、优化工艺参数,成功打印出含纳米奥克托今和梯恩梯的熔铸炸药药柱。对打印的药柱以及传统浇铸的药柱进行了微观结构、密度和均一性、抗压强度以及爆速等性能表征对比。结果表明：3D打印成型的药柱结构密实,密度为1.65 g/cm³,提高2.0%;抗压强度为5.56 MPa,提高273%;爆速为7 184 m/s,提高2.1%;综合性能明显优于传统浇铸成型的药柱。     

DNAN基高品质药块制备研究

为提高DNAN基熔铸炸药药块品质,以质量比DNAN/RDX/AI/AP: 25/10/31/34的熔铸炸药为研究对象,采用2种不同制备工艺进行对比试验,并对药块的内外部疵病、药块密度及其分布均匀性进行分析。结果表明,与常规药块制备工艺相比,采用改进工艺技术制备的药块,制备产能提升了5倍,工艺安全性得到了改进,药块疵病大幅减少,药块密度分布均匀性得到明显改善。