飞秒激光烧蚀炸药的冲击压力数值模拟
发布时间：2021-08-26 10:05
飞秒激光能够在极短时间内烧蚀炸药产生高温高压等离子体,飞秒激光烧蚀炸药技术可用于精密加工炸药元件和安全处理废旧弹药.为深入探讨飞秒激光烧蚀炸药作用规律,采用非线性有限元计算方法,建立了飞秒激光烧蚀炸药过程的起爆计算模型,对飞秒激光烧蚀LX-17和LX-10两种炸药过程进行了数值模拟计算,获得了不同飞秒激光能量作用下等离子体和炸药中的压力分布规律.计算结果表明,在飞秒激光烧蚀炸药的过程中,烧蚀产物等离子体和激光作用区外附近炸药的初始压力较高,但是由于激光烧蚀区域极小,炸药内冲击波压力迅速衰减,没有发生起爆现象.
【文章来源】：北京理工大学学报. 2020,40(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
计算模型示意图
图3 等离子体压力变化曲线(LX-17)图5和图6分别为800 μJ和1 mJ激光能量作用下,炸药内不同深度处的压力变化曲线. 由图可知,当激光作用后,在高温高压等离子体膨胀压缩作用下,未烧蚀炸药内产生了冲击波,入射冲击波压力较高,达到GPa量级,但压力迅速减小,大约在3 μs后,压力波传至炸药边界,由于稀疏波作用,炸药中压力开始在MPa量级震荡变化. 由此可知,尽管当激光能量较高时,在炸药中产生的入射冲击波压力较高,特别是1 mJ的情况,但是由于激光烧蚀区域极小,产生冲击波很快就衰减了,不能引发炸药冲击起爆. 这表明,对于飞秒激光加工炸药时,由于烧蚀区域极小,对于激光作用区域外未烧蚀炸药的压力影响较小,可以忽略. 这与Franklin Roeske Jr.等[6]对飞秒激光加工炸药实验中产生的冲击波太短暂不会引起任何显着反应的结论相一致.
图2为1 mJ激光能量作用下计算域中不同时刻的压力分布云图. 由图2(a)可知,0时刻,等离子体中压力达到了14.43 GPa,也即是激光能量沉积到等离子体中产生的初始压力. 由于等离子体膨胀会压缩炸药介质,并在其中产生冲击压力. 为了研究飞秒激光烧蚀炸药产生的高温高压等离子体,对激光作用区域外炸药产生的冲击作用,下面只对炸药计算域中压力分布规律进行分析. 由图2可知,在9.9 ns时,可以观察到在等离子体压缩作用下,等离子体附近的炸药中产生了压力,压力开始以等离子体中心为圆心,向外呈半球形扩散,此时炸药中最大压力达到了1.29 GPa. 在69 ns时刻,随着压力传播,炸药中最大压力衰减到了0.10 GPa,且由于时间非常短,最大压力仍在等离子体与炸药交界面处. 在300 ns时,炸药中压力非常小,峰值为0.11 GPa,表明炸药中没有发生冲击起爆现象,随着时间增加压力不断衰减.表2为LX-17在不同激光能量作用下计算域中的最大压力峰值. 由表可知,在0 ns初始时刻,最大压力峰值出现在等离子体中,等离子体最大压力峰值随激光能量增加而增加,且压力增加倍数与作用激光能量增加倍数一致. 随着时间增加,压力迅速衰减,在9.9 ns时最大压力出现在未烧蚀固体炸药中. 激光能量越高,在相同时间内压力衰减程度越大. 在69 ns后,4种不同激光能量作用下,炸药最大压峰值趋近于一致. 可以看出,在300 ns后的压力均处于震荡变化状态.
【参考文献】：
期刊论文
[1]爆炸冲击波与防弹衣相互作用的数值模拟[J]. 徐斌,王成,臧立伟,高瞳,刘亚军. 北京理工大学学报. 2019(02)
[2]近爆场下固支铝合金圆板的动态响应研究[J]. 解江,姜超,周书婷,李翰,冯振宇. 北京理工大学学报. 2018(12)
[3]CL-20基混合炸药的冲击起爆特征[J]. 皮铮迪,陈朗,刘丹阳,伍俊英. 爆炸与冲击. 2017(06)
[4]定向断裂爆破在综放工作面初采切巷的应用[J]. 张胜利,张昌锁,王银涛,王晨龙. 北京理工大学学报. 2017(02)
[5]FOX-7和RDX基含铝炸药的冲击起爆特性[J]. 赵娟,冯晓军,徐洪涛,田轩,冯博. 火炸药学报. 2016(04)
[6]飞秒激光精细加工含能材料[J]. 王文亭,胡冰,王明伟. 物理学报. 2013(06)
[7]飞秒激光微加工技术的评述与展望[J]. 黄佑香,张庆茂,廖健宏,周永恒. 金属热处理. 2008(06)
[8]飞秒激光在含能材料加工中的应用[J]. 陈明华,卢斌,李成国,刘海涛. 火工品. 2005(05)
[9]飞秒激光超精细“冷”加工技术及其应用（I）[J]. 杨建军. 激光与光电子学进展. 2004(03)
本文编号：3364040
【文章来源】：北京理工大学学报. 2020,40(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
计算模型示意图
图3 等离子体压力变化曲线(LX-17)图5和图6分别为800 μJ和1 mJ激光能量作用下,炸药内不同深度处的压力变化曲线. 由图可知,当激光作用后,在高温高压等离子体膨胀压缩作用下,未烧蚀炸药内产生了冲击波,入射冲击波压力较高,达到GPa量级,但压力迅速减小,大约在3 μs后,压力波传至炸药边界,由于稀疏波作用,炸药中压力开始在MPa量级震荡变化. 由此可知,尽管当激光能量较高时,在炸药中产生的入射冲击波压力较高,特别是1 mJ的情况,但是由于激光烧蚀区域极小,产生冲击波很快就衰减了,不能引发炸药冲击起爆. 这表明,对于飞秒激光加工炸药时,由于烧蚀区域极小,对于激光作用区域外未烧蚀炸药的压力影响较小,可以忽略. 这与Franklin Roeske Jr.等[6]对飞秒激光加工炸药实验中产生的冲击波太短暂不会引起任何显着反应的结论相一致.
图2为1 mJ激光能量作用下计算域中不同时刻的压力分布云图. 由图2(a)可知,0时刻,等离子体中压力达到了14.43 GPa,也即是激光能量沉积到等离子体中产生的初始压力. 由于等离子体膨胀会压缩炸药介质,并在其中产生冲击压力. 为了研究飞秒激光烧蚀炸药产生的高温高压等离子体,对激光作用区域外炸药产生的冲击作用,下面只对炸药计算域中压力分布规律进行分析. 由图2可知,在9.9 ns时,可以观察到在等离子体压缩作用下,等离子体附近的炸药中产生了压力,压力开始以等离子体中心为圆心,向外呈半球形扩散,此时炸药中最大压力达到了1.29 GPa. 在69 ns时刻,随着压力传播,炸药中最大压力衰减到了0.10 GPa,且由于时间非常短,最大压力仍在等离子体与炸药交界面处. 在300 ns时,炸药中压力非常小,峰值为0.11 GPa,表明炸药中没有发生冲击起爆现象,随着时间增加压力不断衰减.表2为LX-17在不同激光能量作用下计算域中的最大压力峰值. 由表可知,在0 ns初始时刻,最大压力峰值出现在等离子体中,等离子体最大压力峰值随激光能量增加而增加,且压力增加倍数与作用激光能量增加倍数一致. 随着时间增加,压力迅速衰减,在9.9 ns时最大压力出现在未烧蚀固体炸药中. 激光能量越高,在相同时间内压力衰减程度越大. 在69 ns后,4种不同激光能量作用下,炸药最大压峰值趋近于一致. 可以看出,在300 ns后的压力均处于震荡变化状态.
【参考文献】：
期刊论文
[1]爆炸冲击波与防弹衣相互作用的数值模拟[J]. 徐斌,王成,臧立伟,高瞳,刘亚军. 北京理工大学学报. 2019(02)
[2]近爆场下固支铝合金圆板的动态响应研究[J]. 解江,姜超,周书婷,李翰,冯振宇. 北京理工大学学报. 2018(12)
[3]CL-20基混合炸药的冲击起爆特征[J]. 皮铮迪,陈朗,刘丹阳,伍俊英. 爆炸与冲击. 2017(06)
[4]定向断裂爆破在综放工作面初采切巷的应用[J]. 张胜利,张昌锁,王银涛,王晨龙. 北京理工大学学报. 2017(02)
[5]FOX-7和RDX基含铝炸药的冲击起爆特性[J]. 赵娟,冯晓军,徐洪涛,田轩,冯博. 火炸药学报. 2016(04)
[6]飞秒激光精细加工含能材料[J]. 王文亭,胡冰,王明伟. 物理学报. 2013(06)
[7]飞秒激光微加工技术的评述与展望[J]. 黄佑香,张庆茂,廖健宏,周永恒. 金属热处理. 2008(06)
[8]飞秒激光在含能材料加工中的应用[J]. 陈明华,卢斌,李成国,刘海涛. 火工品. 2005(05)
[9]飞秒激光超精细“冷”加工技术及其应用（I）[J]. 杨建军. 激光与光电子学进展. 2004(03)
本文编号：3364040
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