用点火成长模型模拟凝聚炸药的起爆过程

旨在建立一个用来数值模拟凝聚炸药起爆过程的理论方法.炸药的化学反应率采用Lee-Tarver的点火成长模型,假设在化学反应区里由未反应炸药与反应产物组成的混合物质1)具有体积可加性;2)处于动力学平衡状态;3)处于热力学非平衡状态.在这三个假设基础上,Euler方程被首先使用来描述混合物质的流动,而每种物质组分的物理参量,如组分质量、组分体积份额以及组分总能量等,通过一套附加的方程来描述,并且混合物压力方程也被耦合起来.对所获得的控制方程使用高分辨率高阶精度的有限体积法离散求解.从典型的非定常爆轰算例来看,该方法能够正确预测凝聚炸药的冲击起爆及爆轰传播的关键特征,如Von Neumann尖峰和化学反应区等.此结果初步证明本文提出的数值模拟凝聚炸药起爆过程的理论方法是合理的.     

热刺激约束DNAN基不敏感熔铸炸药装药点火后反应演化调控模型

针对热刺激下熔铸炸药点火时基体炸药已处于熔融液化状态，反应产生的高温气体以气泡云形式在液态炸药中扩展和反应的物理特性，考虑燃烧气泡云尺度分布和激活发展机制，建立了熔铸炸药点火后燃烧气泡云反应演化调控模型，可较好地反映炸药本征燃烧速率、壳体约束强度、装药结构尺寸、预留空气隙体积、泄压孔面积等对装药反应演化过程和终态反应度的影响规律，并通过与实验结果对比验证了模型的适应性。结果表明：随着壳体约束强度和装药尺寸增加，装药自增强燃烧速度增长越快，装药反应烈度增大；通过泄压孔结构冲开阈值和泄压孔面积的匹配设计，实现装药反应烈度控制，在本研究装药条件下，泄压孔面积占壳体总面积达8.6‰时可控制装药反应烈度为燃烧，为装药热安全性设计和烈度评估提供理论依据。     

SCB传热模型及点火能量验证

以电容放电的方式研究了半导体桥(SCB)点火过程与药剂之问可能存在的能量作用形式.设计了不同的点火实验,有针对性地验证了等离子体对药剂的冲击作用和渗透热作用.从等离子体存在形式出发,利用等离子体传热理论,初步建立了等离子体传热模型.对斯蒂芬酸铅(LTNR)、叠氮肼镍(NHA)和硝酸肼镍(NHN)进行单颗粒球形传热模型的Fourier分析和数值模拟,并对三种药剂进行了SCB点火实验.LTNR、NHA、NHN三种药剂的最低点火电压分别为11,15,39 V.点火实验结果表明,药剂的导热系数影响SCB点火属性,导热系数小的药剂对应的最低点火电压也小.结合模拟的结果得到了SCB等离子体点火中,渗透热作用为主要能量作用形式的结论.     

BP-GA算法确定未反应炸药的JWL状态方程参数

为了确定未反应炸药的JWL状态方程参数,提出了一种利用BP神经网络?遗传算法(BP?GA算法)和冲击Hugoniot关系确定JWL参数的方法。此方法首先训练BP神经网络,使其可以拟合由不同的JWL参数组合组成的非线性系统,随后采用遗传算法搜寻适应度值最大的一组JWL参数。结果表明:已知某种炸药的初始密度、爆速、Hugoniot系数C0和S,便可利用BP?GA算法确定其JWL参数;BP?GA算法确定的8种未反应炸药的p?v曲线和由试验数据确定的p?v曲线相吻合,且8条p?v曲线的R²均不低于0.9995,证明了BP?GA算法的高精度。     

常温附近温度变化对炸药冲击起爆特征的影响（英）

为了研究常温附近温度变化对炸药冲击起爆特征的影响程度和规律,设计并建立了炸药局部加热和冷却装置,结合拉氏分析方法研究了HMX/TATB基复合高能炸药PBX-1和TATB基钝感高能炸药PBX-2在常温附近(5～75 ℃)的冲击起爆压力成长过程.基于实验结果,利用点火增长模型对两种炸药的冲击起爆过程进行了数值模拟.结果表明,随着温度升高(5～75℃),炸药的冲击起爆压力成长过程均逐渐变快,到爆轰距离变短,点火增长模型中的反应速率参数G1变大,说明两种炸药随温度的升高对冲击变得更敏感,常温附近温度变化对炸药安全性的影响不能忽略.     

爆炸冲击波作用下黑索今基含铝炸药的冲击点火反应速率模型

为分析黑索今（RDX）基含铝炸药中铝粉的颗粒尺寸对炸药冲击点火的影响,以及建立该含铝炸药冲击点火的细观反应速率模型,开展了含铝炸药冲击起爆的实验和数值模拟研究。设计5 μm、 16 μm、40 μm和100 μm不同铝粉粒径,具有相同组分配比和RDX颗粒尺寸的4种炸药配方,对4种RDX基含铝炸药进行了冲击点火起爆实验;通过合理假设,提出RDX基含铝炸药的细观点火模型,并在考虑点火增长的基础上,完善细观反应速率模型,利用细观反应速率模型和含铝炸药的I&G模型对上述实验进行了数值模拟。实验和数值模拟结果表明：对于100 μm、 40 μm、 16 μm和 5 μm粒径铝粉含铝炸药,铝粉在CJ面前的反应度分别为0.80%、2.45%、3.20%和4.15%;随着RDX基含铝炸药中的铝粉尺寸减小,铝粉在CJ面前的反应速率增快,炸药中的前导冲击波传播速度变快且压力峰值增高,压力峰值的出现时间与前导冲击波到达时间的间隔减短,炸药的冲击感度提高;与I&G模型相比,细观反应速率模型计算的压力历史与实验结果更为吻合;细观模型能较好地模拟较大尺寸颗粒铝粉（铝粉尺寸大于炸药颗粒尺寸的1/10）的反应特征,对于100 μm和40 μm铝粉粒径含铝炸药,模拟计算每个拉格朗日位置的前导冲击波到达时间、压力峰值时间和压力峰值等参量与实验结果相差不超过10%。     

高聚物粘结炸药冲击起爆统计热点反应速率模型

为深入探索非均质固体炸药冲击起爆热点机制,重点关注炸药孔洞尺寸分布及热点点火临界条件,建立高聚物粘结炸药(PBX)冲击起爆统计热点反应速率模型,描述热点形成、形核或消亡、点火后燃烧反应演化直至快速转为爆轰的全过程。奥克托今（HMX）基PBX9501和三氨基三硝基甲苯（TATB）基LX-17炸药冲击起爆过程的数值模拟结果显示,反应流场中波到达时间的计算值与实验值偏差小于3.7%,初步验证了统计热点反应速率模型的合理性,且相比文献［21-24］的统计模型适应性更强。研究结果表明：孔洞尺寸分布对非均质固体炸药冲击起爆感度影响显著;HMX基PBX炸药冲击起爆爆轰成长过程呈加速反应特性,而TATB基PBX炸药表现为稳定反应特性,进一步提高了对HMX/TATB混合基钝感高能炸药冲击起爆机理的认识。     

基于Mushroom试验的炸药爆轰反应速率方程参数校验

为了更准确的校验炸药爆轰反应速率方程参数,以HMX/TATB混合炸药PBX-1为研究对象,采用Mushroom试验方法,研究了炸药在不同传爆直径下的拐角传爆特性,并采用LS-DYNA程序利用拉式试验标定的三项式点火增长模型参数对Mushroom试验进行了数值模拟,通过观察爆轰波的成长和传播历程以及拐角参量的对比,校验已标定反应速率模型参数的准确性.对比试验结果和数值模拟结果发现,Mushroom试验可以反映出爆轰波沿不同方向上爆轰成长过程的差异,进而证明了通过Mushroom试验校验炸药的反应速率模型参数是可行的.     

直列式爆炸箔点火及相关技术研究进展

从直列式点火系统构成、许用点火药硼-硝酸钾（Boron-Potassium Nitrate,BPN）的燃烧机理和新制备工艺以及国内外直列式爆炸箔点火相关标准三个方面,综述了直列式爆炸箔点火及相关技术的发展现状及应用。直列式点火系统有多功能多任务需求,因此作为控制模块的电子安全与解除安保装置呈现出编程寻址、多点协同的发展趋势,系统中各元件通过小型化和低能化减少系统装置所占空间。BPN通过新制备工艺进行组分粒度微纳米化,生成核壳结构,优化BPN燃烧性能、吸湿性和安定性等。总结并对比了国内外直列式爆炸箔点火相关标准。分析了直列式爆炸箔点火尚需研究的问题：冲击片直接点火BPN机理和BPN组分粒度对冲击点火感度的影响;BPN隔板点火的影响因素和规律;多种隔板点火结构的性能比较;BPN新制备方法及其对性能的优化。     

强约束固体炸药燃烧裂纹网络反应演化模型

为表征受约束装药非冲击点火后的反应演化行为,建立了燃烧裂纹网络反应演化理论模型。该模型量化了反应烈度,通过与实验结果对比验证了模型的适应性。结果表明：壳体约束越强,高温产物气体自增强燃烧越迅速,装药反应越剧烈,壳体破坏时装药反应度越大;装药结构尺寸越大,炸药反应初期高温产物气体流动和表面燃烧导致裂纹增压扩展过程的时间越长,但后期反应越剧烈,壳体破坏时装药反应度越大;点火阈值压力对装药最终的反应烈度影响不明显。炸药燃烧裂纹网络反应演化模型可较好地反映炸药本征燃烧速率、约束强度、装药结构尺寸等对反应演化的影响规律,为弹药在意外刺激下的安全性设计和烈度量化评估提供了理论基础。     

炸药冲塞点火的数值模拟

为研究和评价炸药在机械撞击作用下的安全性,采用节点约束-分离的数值计算方法,联合热弹塑性材料本构方程和化学动力学方程,对PBX-2炸药的冲塞点火过程进行了数值模拟。探讨了网格尺寸对炸药冲塞温升的影响,获得了炸药冲塞过程中的力学破坏物理图像和局部温度时间曲线,计算得到了PBX-2炸药冲塞点火的临界跌落撞击速度。结果与实验值吻合较好,表明该方法可以有效地描述炸药冲塞破坏和热-力-化耦合作用下的点火反应。     

用一种改进的Euler方法模拟凝聚炸药的爆轰

建立了一种改进的Eu ler方法来数值模拟凝聚炸药的爆轰,化学反应率采用Lee-Tarver的点火成长模型。由该化学反应模型的假设推导出物质组分的能量方程,这样可以避免通过定义混合物质的状态方程带来的非物理振荡。Eu ler方程被用来描述混合物质的流动,每种物质组分的物理参量,如组分质量、组分体积份额以及组分总能量等,通过一套附加的方程来描述,并且混合物压力方程也被耦合起来。对所获得的控制方程使用高分辨率、高阶精度的有限体积法离散求解。从典型爆轰算例来看,该方法能够正确预测凝聚炸药爆轰的起爆及传播过程中的关键特征,如Von Neum ann尖峰和化学反应区等。     

HNS炸药爆燃特性研究

试验探索和研究了在小尺寸装药条件下和在硼/硝酸钾钝感点火药的点火能量作用下HNS炸药的爆燃特性，进一步分析了HNS炸药发生爆燃的影响因素，对HNS炸药的点火机理进行了分析和探讨。     

探针式圆筒试验方法及TNT炸药爆轰产物JWL状态方程参数标定

圆筒试验是目前标定炸药爆轰产物状态方程参数最常用的试验之一,为了确定炸药爆轰产物JWL状态方程参数,设计并搭建了探针式圆筒试验平台。采用一组具有径向位移差的镀金探针和20 ns高精度脉冲测时仪记录圆筒膨胀过程中的多个离散点,当圆筒在爆轰产物驱动下膨胀到探针头部形成回路时,脉冲测时仪记录下时间,据此可获得圆筒壁的位移时程曲线。研究开展了两组TNT炸药的探针式圆筒试验,得到了圆筒膨胀位移离散点,试验结果显示两组试验曲线相差较小,表明探针式圆筒试验具有较好的重复性。采用BP-GA算法确定了TNT炸药的爆轰产物JWL状态方程参数,将确定的JWL参数代入有限元软件进行数值检验,结果显示仿真得到的位移曲线相对试验曲线的决定系数R2为0.9997,表明JWL参数具有较高的精度。     

两种含铝炸药作功能力与JWL状态方程研究

采用圆筒试验方法研究了ROTL-905、TRAL含铝炸药的作功能力，并将试验结果与JOB-9003、TATB炸药进行了比较。利用圆筒试验数据计算了含铝炸药JWL状态方程参数。研究结果表明：与JOB-9003、以TATB为基的PBX炸药相比，ROTL-905、TRAL含铝炸药由于含有铝粉等慢反应成分，初始加速度小、衰减慢、后续作功能力强，圆筒膨胀到距离为6．5mm和9．9mm时，其加速能力已超过JOB-9003炸药。     

基于Jones-Wilkins-Lee状态方程的爆轰波相互作用参数理论分析

基于Jones-Wilkins-Lee(JWL)状态方程,利用三波理论和Whitham方法对凝聚炸药爆轰波相互作用后发生的正规斜反射和马赫反射进行了理论分析。推导了基于JWL状态方程的爆轰波正规斜反射和马赫反射压力及马赫杆高度的计算模型;提出了改进Whitham方法中的慢变函数k(ξ) 的理论计算方法。使用PBX 9501炸药和JH-2炸药的试验结果对计算模型进行验证,理论计算结果与试验结果吻合较好。试验结果表明,基于JWL状态方程建立的理论计算模型,对于凝聚炸药爆轰波相互作用后发生的正规斜反射和马赫反射,能够较准确地描述其爆轰参数分布和传播规律。     

PBX-9404炸药冲击起爆细观反应速率模型

针对非均质炸药的冲击起爆过程,选择以微孔洞弹粘塑性塌缩形成的热点为主的热点形成机制,建立了PBX-9404炸药在冲击波作用下的细观化学反应动力学模型:由于空穴塌缩而发生点火,增长阶段是从内向外的表层燃烧和从外向内的颗粒燃烧。将得到的反应速率模型加入到一维流体动力学程序SSS中,采用遗传算法,建立非线性优化模型,确定了PBX-9404炸药反应速率方程中的参数。利用SSS程序模拟了一维情况下PBX-9404的冲击起爆行为。     

一种CL-20基压装混合炸药JWL状态方程参数研究

对六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)基压装混合炸药爆轰产物JWL状态方程参数进行了研究。采用直径25mm标准圆筒试验研究了CL-20基压装炸药(C-1,CL-20/钝感粘结剂(质量比)=94.5/5.5)的驱动做功能力,获得了圆筒壁膨胀速度、位移与时间的关系;应用考虑与爆轰参数封闭的炸药JWL状态方程参数数据处理方法得到该炸药的JWL状态方程参数,应用参数进行圆筒模型数值模拟,与试验结果对比,发现速度误差低于2%,位移误差低于1%;对比了本研究参数与国外类似炸药参数在做功能力上的差异,结果表明,LX-19和PBXC-19的格尼速度比C-1炸药分别高2.02%和2.20%。