ywl

HNS—IV炸药JWL状态方程研究

2010年08月

火工品

INITIAT0RS&PYROTECHNICS2010年第4期

文章编号:1003.1480(2010)04.0021.04

HNS一1V炸药JWL状态方程研究

陈清畴,蒋小华,李敏,卢校军,彭其先

(1.中国工程物理研究院化工材料研究所,四川绵阳,621900;2.中国工程物理研究

院流体

力学研究所,四川绵阳,621900)

摘要:为了研究HNS.1V炸药在小尺寸下爆轰产物状态方程,采用~10mm直径小圆

筒试验研究了炸

药的做功能力,获得了圆筒壁膨胀位移,速度与时间的关系;利用非线性有限元动

力学程序Ansys/,对圆筒试

验进行了数值模拟;通过与试验结果相比较,得到了HNS—IV炸药爆轰产物JWL

状态方程参数;采用双灵敏度激光速

度干涉仪(XqSAR)测量了炸药的平面一维爆轰驱动飞片的速度历程,并

进行了数值模拟计算,从而验证了

炸药爆轰产物状态方程的有效性.

关键词:炸药;圆筒试验;JWL状态方程;VISAR;数值模拟

中图分类号:TQ564文献标识码:A

Study011JWLEOSofDetonationProductforI-INS-IV

CHENQing—chou,,LIMin,LUXiao-jun,

(uteofChemicalMaterial,CAEP,Mianyang,621900;uteofFluidPhysics,CA

EP,Mianyang,621900)

Abstract:InordertostudyequationofstateofdetonationproductsofHNS—

IVexplosiveatsmallscale,cylindertest

withdiameterlOmmwasfinishedtoidentifythepowerofHNS—

IVexplosiveat1.55gClTI"pansionandvelocity

ericalsimulationtocylindertestshasbeendo

nebynonlinearfiniteelement

dynamicprogramAnsys/Ls—tersofJwLequationofstate(EOS,forI-INS—

IVexplosivearecalculatedand

correce-

nsitivityVISARwasudto

measureflyervelocitydrivenbyHNS—idnessofparametersofJWLEOSforHNS

—IVwasconfirmedbythe

nunlericalsimulationofⅥSARtest.

Keywords:Explosive:Cylindertest;JWLEOS;VISAR;Numericalsimulation.

HNS—IV是一种安全I生满足直列式要求的新型始

发药,研究HNS—IV炸药的爆轰产物JWL方程,分析

其在强约束下的爆轰性能,对于火工品设计具有重要

指导意义.本文意在通过小圆筒试验标定HNS.Ⅳ炸

药的,L状态方程参数.圆筒试验(Cylindertest)

专门用于确定炸药爆轰产物JWL状态方程和评估炸

药做功能力,该试验首先由LLNL的Kury[q等人提出

和应用.LLNL的研究人员对炸药爆轰产物JWL状态

方程进行了~It而系统的研究,获得了大多数现有炸

药的JⅥ见状态方程参数;我国中物院化工材料研

究所于1979年建立了此试验方法,并进行了多种炸

药的圆筒试验;北京理工大学与中国工程物理研究

院的研究人员对含铝炸药JWL状态方程进行了相关

的试验与数值模拟研究【9引.

收稿日期:2010.02.04

作者简介:陈清畴(1983.),男,研究实习员,从事钝感起爆传爆序列设计和爆轰数值

模拟计算研究.

陈清畴等:HNS—IV炸药L状态方程研究4

炸药驱动金属能力是冲击片雷管设计的关注点

之一,本文利用双灵敏度激光速度干涉仪(VISAR)~9

定HNSIV炸药驱动飞片的速度历程,研究炸药驱动

金属的能力,并通过数值模拟来验证炸药

YWL状态方程的有效洼.Sandia试验室的Barker和

LANL的Hemsing[141是实现任何反射物的速度干涉仪

(VISAR)的多普勒偏移技术的先驱,这种方法可以

记录从非镜面反射的光并对速度进行连续检测,且精

度较高.

为研究炸药在小尺寸下爆轰产物的状态

方程,本研究旨在通过10mm圆筒试验和炸药驱动

飞片试验,分析其在小尺寸约束下的做功能力,确定

其JWL状态方程参数.

1试验炸药与装置

本研究以超细I-INS为主体炸药,加入适当的粘

接剂造粒并压制成药柱,试验炸药配方为:

,tm~j=97.5/2.5,HNS—IV炸药比表面大于12m2/g.

小圆筒试验装置如图l所示,由高压电雷管,传

爆药柱,被测炸药(10ram×120mm),无氧铜管

(内径10mm,外径12.5mm,长度120mm),

爆炸光源和高速扫描相机等件组成.高速扫描相机通

过金属板狭缝,记录炸药稳定爆轰段圆筒膨胀距离.

图1小圆筒试验装置示惹图

Fig.1Schematicdiagramofthesmallcylindertest

炸药爆轰驱动飞片试验装置如图2所示,试验装

置由CDF柔爆索(MDF),被测试炸药(eP5mmX

4mm),飞片(3.5mm×0.2mm)和炮筒(q53.5mm

×3mm)等构成.采用小直径柔爆索,尽量减小雷管

对被测试炸药驱动飞片的影响.

图2炸药驱动飞片试验装置

Fig.2Schematicdiagramofthedrivingtest

通过VISAR测试系统测量炸药的平面

一

维爆轰驱动飞片的速度历史.VISAR测试系统由

光源,激光发射与接受系统,两个独立干涉腔及对应

的光电转换和记录系统组成.其测试原理【l5J是利用人

射激光在运动物体表面反射产生多普勒效应,再由激

光干涉与光电外差检测的方法测出激光的多普勒频

移,进而得到被测点或物体的速度.

2试验结果

采用装药直径为①10mm的小圆筒进行试验,装

7%,这对于价格昂贵的HNS.

Ⅳ炸药状态方程研究具有重要意义.一些试验证明,

当用10mm的小圆筒对理想炸药进行试验时,其结

果可与内径为25mm的标准铜管一致[81.

圆筒试验数据一般被拟合成以下的形式:

t---4+一R0)+Cle一no)(1)

式(1)中:t为圆筒壁膨胀的时间,gs;(R—

Ro)为圆筒壁膨胀的距离,mm;A,B,C,为根据

试验数据而得到的拟合系数.炸药小圆筒试

验系数,,C,D见表1.

表1ItNS-IV炸药10mdx圆筒试验结果

Tab.1The~10mmcylindertestresultsforHNS-IV

3ttNS—IV爆轰产物JWL状态方程

3.1圆筒试验数值模拟

炸药爆轰产物状态方程是描述炸药爆轰CJ状态

之后的爆轰产物系统各物理量之间的关系式.1965

年,Lee等在Jones和Wilkins的工作基础上,提出了

2010年08月

JWL(s—Lee)状态方程【l6J,它不显含化学

反应,能精确描述爆轰产物的等熵膨胀过程,其形式

为:

(卜)e-R'v+B(卜e-~v+等(2)

式(2)中:只为爆轰产物的压力;V为爆轰产

物的相对比容;,层,月,R,∞和为6个待定

参数,由圆筒试验确定.

采用非线性有限元动力学程序Ansys/Ls—Dyna对

小圆筒试验进行数值模拟,通过比较圆筒膨胀过程中

筒壁速度与位移的试验值与计算值,经过多次反复计

算,不断修正状态方程参数,直到计算膨胀距离时间

曲线与试验曲线间的误差小于l%,符合JWL状态方

程参数确定的要求,可标定出JwL状态方程参数.

依圆筒试验建立轴对称结构计算模型.对HNS

Ⅳ炸药采用高能炸药燃烧模型和JWL状态方程,初

始参数使用由VLw热力学程序计算所得数据;紫铜

采用各向同性弹塑性流体动力学模型和Gr~ein状

态方程.表2为确定的HNS一1V炸药爆轰产物状

态方程参数.

表2HNS-N炸药爆轰产物JWL状态方程参数

Tab.2ThecoefficientsofJWLE0SofHNS.Ⅳ

图3是HNS.Ⅳ炸药小圆筒试验圆筒壁膨胀距离

——

时间曲线计算值与试验值的比较;图4是HNS一

Ⅳ炸药小圆筒圆筒壁膨胀速度——时间曲线计算值

与试验值的比较,在主要膨胀阶段计算值与试验值保

持在规定的误差范围内.

图3HNS—IV炸药圆筒壁位移试验值与计算值比较

Fig.3Comparisonofthecalculationandexperimentresultof

thedisplacementofcylinderwall

图4HNS-Ⅳ炸药圆筒壁速试验值与计算值比较

Fig.4Comparisonofthecalculationandexperimentresultof

thevelocityofcylinderwall

采用cp10mm铜管时,R-Ro=3mm和7.5mm上的

壁速甜,第1峰值速度(Jump-offVe1)和比动能分

别与标准圆筒试验中.=5mm和19n1rI1上的数据

相对应.本文对比了LLNL的HNS炸药在两种相近

密度下标准圆筒试验数据,见表3,结果基本一致.

表3小圆筒试验与标准圆筒试验特征量对比

Tab~3Thetypicalcomparisonofthesmallcylindertestresult

andthestandardcylindertestresult

3.2HNS-Ⅳ炸药驱动飞片试验数值模拟

采用显式动力分析有限元程序Ansys/进

行数值模拟,采用轴对称结构,依试验装置建立计算

模型.对HNS.Ⅳ炸药采用高能炸药燃烧模型和JWL

状态方程,状态方程参数使用由小圆筒试验标定的数

据;不锈钢飞片采用Johnson-Cook力学模型【l7J和Gr

tinein状态方程.

图5为HNS一Ⅳ炸药驱动飞片速度试验值与计算

值的比较,结果表明计算值与试验值基本符合,验证

了小圆筒试验标定爆轰产物JWL状态方程的有效

性.

图5HNS—IV炸药驱动飞片速度试验值与计算值比较

Fig.5Comparisonofthecalculationandexperimentresultof

thevelocityofflyer

24陈清畴等:炸药JWL状态方程研究2010年第4

4结论

本文进行了HNS.1V炸药的10mm装药直径的

小圆筒试验,研究了I-INS—IV炸药的径向做功能力,

试验表明小圆筒试验结果与标准圆筒试验相当;通过

对小圆筒试验的数值模拟,确定了HNS.Ⅳ炸药爆轰

产物的JWL状态方程参数;利用双灵敏度激光速度

干涉仪(VISAR)进行了HNS.Ⅳ炸药驱动飞片试验;

通过对炸药驱动飞片试验的数值模拟,研究

了炸药的轴向做功能力,并验证了小圆筒试

验标定炸药爆轰产物的JVCL状态方程参数

的有效性.

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