炸药慢烤热点火起爆数值模拟及试验研究

开发了炸药烤燃热起爆仿真计算程序，烤燃求解器采用交替方向隐格式，起爆求解器采用5阶WENO格式进行计算，实现了炸药受热升温到起爆演化全过程数值仿真计算.使用的交替方向隐格式具有无条件稳定、受网格限制小、求解效率高的特点，烤燃计算中引入液相率β对炸药相变进行描述.以TNT炸药为研究对象开展慢烤热起爆数值模拟研究，得到了炸药局部温度演化和临界点火阈值，并给出相变对烤燃过程的影响规律.同时开展TNT慢烤实验，通过嵌入式热电偶传感器对程序进行了验证，仿真得到的温升曲线及相变平台与实验结果对比良好，证实了计算的可靠性.通过力-热-化耦合的模拟计算，给出了炸药受热后点火区域和演化规律，发现反应初始阶段由温度主导，随着反应进程发展转变为压力主导.     

二硝基茴香醚的可视化烤燃试验

为更深入地了解熔铸炸药在慢速烤燃过程的反应现象,以可视化烤燃装置开展了二硝基茴香醚(DNAN)的慢速烤燃试验。试验观察到DNAN的烤燃过程主要经历4个阶段,分别为固液相变阶段、慢速分解阶段、气体快速溢出和药液喷发及点火阶段。测试和计算了DNAN在270℃下的点火延滞期,结果表明空气对流解热方式会延长点火延滞期。相比于DSC测试方法,本试验方法可以避免因样本量少而导致的结果失真,同时能够获得更多的热分解反应的细节信息,对于研究含能材料的热分解及热爆炸过程具有重要意义。     

多元混合PBX炸药孔隙塌缩热点模型

为能模拟不同炸药配比的多元混合PBX炸药冲击起爆过程,在弹黏塑性双球壳孔隙塌缩热点模型的基础上,考虑混合炸药中各炸药组分之间的耦合机制,建立了一个多元混合PBX炸药孔隙塌缩热点模型,并根据该模型给出了新的热点反应速率的理论表达式. 运用该模型计算了不同炸药配比的HMX/TATB二元混合PBX炸药在冲击起爆点火阶段的反应度. 计算结果表明,该模型可以较好地描述炸药配比对多元混合PBX炸药点火过程的影响.      

温升对水雷主装药安全性影响的数值模拟

以水雷主装药的热刺激安全性因素为研究对象,选用RDX基PBX炸药作为主装药,通过Fluent软件进行仿真计算,着重分析烤燃过程中温升和装药尺寸对炸药热爆炸的影响规律,为提高水雷主装药安全性能提供了有效的依据。研究结果表明:恒温烤燃时随着温度的上升,炸药的爆炸延滞期呈指数形式下降;炸药装药的点火温度与升温速率无关,随升温速率的提高,炸药爆炸延滞期呈现非线性下降趋势;不同升温速率下,随着装药尺寸的变大,点火位置逐渐从中心移动到药柱边缘处,随着升温速率的增加,点火时间逐渐降低,且装药直径对点火时间基本无影响,点火温度先降低后升高,装药直径与点火温度为非线性关系。     

BIC实验的数值模拟研究

为研究低速撞击作用下炸药点火机理,采用非线性动力学LS-DYNA程序和Visco-SCRAM本构模型数值模拟弹道撞击室实验. 计算得到了5.35 m/s初始撞击条件下炸药发生点火反应,与文献中的实验结果比较吻合. 计算结果表明,炸药整体温升并不能导致其点火反应,而裂纹面摩擦生热形成热点能使炸药发生点火反应,计算结果可为低速撞击条件下炸药装药发生非冲击点火反应机理提供新的依据和支撑.      

DMF对FOX-7热分解的影响

FOX-7作为一种新型高能钝感炸药被广泛研究,其结晶、重结晶等过程均在DMF中进行。为研究FOX-7在DMF中的热安全性,首先使用差示扫描量热-热重(DSC-TG)同步热分析仪研究FOX-7的热分解过程,分别测得升温速率为5℃/min,10℃/min,15℃/min,20℃/min的DSC和热重-微商热重法(TG-DTG)曲线;并得出其分解过程包括一个吸热转晶峰(116℃左右)和两个分解放热峰(226℃和294℃左右)。然后,使用自行设计的临界爆炸温度测试装置,通过小容量法测定FOX-7、DMF以及FOX-7溶液的临界爆炸温度。结果表明,在试验条件下,FOX-7溶液的临界爆炸温度低于纯FOX-7的临界爆炸温度,说明DMF溶液促进了FOX-7的热分解反应。当FOX-7溶液质量分数为5%时,临界爆炸温度最高,热安全性最好。     

炸药烤燃特性的隔热层效应研究

为研究炸药烤燃特性的隔热层效应,以钝化RDX炸药为对象,选用硅橡胶腻子GPS-2和耐烧蚀涂料T-09作为隔热材料,对不同厚度隔热层的烤燃试样进行了1℃/min的慢烤实验;并用Fluent软件对各升温速率下不同厚度的烤燃模型进行了数值模拟。结果表明,无隔热层时的炸药烤燃响应剧烈程度比有隔热层时强,而有隔热层时,随隔热层厚度的增加,响应剧烈程度会逐渐增强;且隔热层材料不同,也会使响应剧烈程度不同。隔热层对炸药烤燃响应时间和响应温度的影响存在临界厚度效应,即响应时间和响应温度随隔热层厚度的增加会出现先减小后增大现象;且与隔热层材料、炸药种类、装药尺寸直接相关。随升温速率的增大,临界厚度逐渐减小,临界厚度效应逐渐减弱,升温速率较大时,增大隔热层厚度能有效提高炸药耐热性。     

火炸药粉尘云最小点火能的实验研究

为了了解HMX粉尘与FOX-7粉尘的燃爆特性,评价其潜在危险性,利用1.2 L哈特曼管式粉尘云爆炸装置,分别对粉尘浓度、粒度、环境湿度对两种物质最小点火能(E_(min))的影响进行了研究与分析。研究结果表明:2类HMX、5类HMX与FOX-7三种粉尘着火的最敏感浓度分别为916.66 g·m~(-3)、833.33 g·m-3与833.33 g·m-3;所对应的Emin分别为12.45 m J、15.75 m J、19.01 m J。粉尘浓度、环境湿度对两种物质的最小点火能均有显著影响;最小点火能随粒度的减小而降低。     

火炸药粉尘云最小点火能实验研究

为了了解HMX粉尘与FOX-7粉尘的燃爆特性,评价其潜在危险性,利用1.2 L哈特曼管式粉尘云爆炸装置,分别对粉尘浓度、粒度、环境湿度对两种物质最小点火能(E_(min))的影响进行了研究与分析。研究结果表明:2类HMX、5类HMX与FOX-7三种粉尘着火的最敏感浓度分别为916.66 g·m~(-3)、833.33 g·m-3与833.33 g·m-3;所对应的Emin分别为12.45 m J、15.75 m J、19.01 m J。粉尘浓度、环境湿度对两种物质的最小点火能均有显著影响;最小点火能随粒度的减小而降低。     

改性双基推进剂粉末自着火行为实验研究

为降低推进剂意外着火带来的危害,需要对典型改性双基推进剂的自着火行为及热安全性开展研究。使用快速压缩机实验平台,结合高速成像及动态压力采集技术,发展并验证了超快热刺激方法,开展了改性双基推进剂在快速热加载环境(加热速率大于10⁴ K/s)下的响应实验,获得了含环三亚甲基三硝胺(RDX)改性双基推进剂典型自着火行为,以及含环四亚甲基四硝胺(HMX)和1,1-二氨基2,2-二硝基乙烯(FOX-7)改性双基推进剂的着火临界条件。结果表明：在1.0 MPa、901.2 K时,含HMX改性双基推进剂未发生着火,而压力升高至3.0 MPa,推进剂样品发生明显的着火现象;对于含HMX和FOX-7改性双基推进剂,其着火临界温度均随压力的增加而降低;在相同压力下,含FOX-7改性双基推进剂的临界着火温度低于含HMX改性双基推进剂的临界着火温度。     

ANN在一次引爆FAE爆炸威力评价中的应用

在系统分析燃料空气炸药(FAE)爆炸威力主要影响因素的基础上，应用人工神经网络(ANN)理论及方法，建立了一次引爆FAE爆炸威力评价ANN模型，并利用该模型对不同配比环氧丙烷／铝粉混合燃料的爆轰参数及爆炸威力进行了模拟。结果表明，ANN模拟结果与一维多相爆轰模型计算值相当吻合，当铝粉含量处于50％～70％范围时，爆炸威力较为理想，当铝粉含量为65％时，爆炸威力指数达到最大。这一研究可为一次引爆FAE配方及战斗部设计与优化提供有益参考。     

FOX-7研究新进展

综述了国内外研究者对1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)性能、合成新方法、晶体结构特性、热化学特性及其在火炸药中应用的最新研究进展。研究结果表明,FOX-7感度低于RDX,其具有较好的能量性能、爆轰性能和金属加速性能等,分析并提出了FOX-7应用于武器系统中的研究内容。     

接触爆炸和近距离爆炸比冲量数值仿真研究

对于接触爆炸和近距离爆炸的情况,炸药形状、起爆点位置和产物喷射均会造成载荷空间分布复杂,给理论分析和工程应用带来困难。分别采用流固耦合方法和PBM方法对Nansteel近距离爆炸子弹抛掷实验进行数值仿真,结果表明PBM模型仿真结果和实验结果吻合较好,而流固耦合模型仿真结果仅为实验值的70%左右.对于高度为3～10 cm的等长径比TNT药柱接触爆炸仿真结果表明,中心点比冲量随药柱高度线性变化.对640 g和1 250 g等长径比TNT药柱仿真结果表明,爆心距的变化主要影响靶板中心点6 cm半径内的比冲量,基于量纲分析推导出了比冲量的经验公式.      

某轻型车辆底部结构爆炸仿真与试验研究

以某轻型车辆为研究对象,在爆炸冲击作用下车身底部结构响应进行仿真与试验研究。采用任意拉格朗日—欧拉算法(arbitrary Lagrange-Euler,ALE)对爆炸冲击作用下的板壳结构响应进行仿真计算分析。通过对比分析仿真结果与理论结果,验证了算法的准确性。根据某轻型车辆建立试验样车有限元模型,进行了爆炸仿真分析,研究其在爆炸冲击作用下车身底部结构损伤与车身底板结构响应。研究了试验样车爆炸试验方法进行了样车的实爆试验,验证了样车仿真的准确性,根据车身及底部结构损伤形态为后续整车车身设计提供合理建议。     

微米和纳米钛粉尘层着火蔓延特性研究

为了解微细钛粉的层火灾危险性,采用标准热板测试装置和自制的粉尘层火蔓延实验装置,研究了微米和纳米钛粉尘层最低着火温度和火蔓延速率变化规律,并验证了热爆炸理论模型和粉尘层火蔓延速率模型的适用性.结果表明:钛粉尘层最低着火温度随粒径减小而降低,33μm钛粉和60~80nm钛粉的粉尘层最小着火温度分别为>400℃和230℃,与Thomas模型计算结果基本吻合;钛粉的层火灾危险性受粒径影响较大,实验测得微米和纳米钛粉的粉尘层火蔓延速率分别为13.60和500.57mm/s,均大于理论模型计算结果.研究结果对微细钛粉的层火灾安全评价和工业防火防爆设计具有参考价值.