炸药爆轰及驱动性能的连续电阻测试方法研究

发布时间：2020-04-11 14:47

【摘要】：爆炸测试技术是推动爆炸力学学科发展的重要驱动力,尤其是近年来随着电子仪器和光学仪器的迅速发展,爆炸测试技术也随之得到了长足的进步。目前限制爆炸冲击信号高频采样的主要因素是传感器自身与信号调理模拟电路的频率响应,连续电阻丝测量方法理论上具有足够高的动态频响,测试结果在大尺度装药下相对精度较高,加之试验无需复杂的光路、电路,因此非常适合工业炸药野外大药量的爆炸参数测试。另一方面,随着爆破技术“精细化”和“数字化”理念的不断普及,亟需研发一套经济可靠的工业炸药爆轰与驱动性能测试方法,以期建立工程爆破的“大数据平台”。与此同时,学者们也越来越多地使用计算机来解决爆炸冲击问题,如军事目标的爆炸防护与毁伤、武器终端爆炸效应、工程爆破与安全、爆炸加工等,炸药状态方程与参数的选取成为了限制计算精度的首要问题,对于具有典型非理想爆轰特性的工业炸药更是如此。因此,发展一套简便经济的炸药产物状态方程参数的测定方法刻不容缓。为了解决上述问题,本文研制了一种新型的压导式连续电阻探针,该探针具备良好的测试稳定性、可靠性和抗干扰能力,可以连续记录炸药的爆轰波、介质中的冲击波以及金属元件碰撞点等的时程数据。基于新型探针开展了工业炸药爆轰性能、水下爆炸近场冲击波以及滑移爆轰驱动下二维平板和圆管飞行姿态等的测试研究,并进一步对炸药爆轰产物状态方程参数进行了测定,同时对材料的高压冲击绝热数据测试做了探索性试验。具体工作和成果如下:(1)研制了一种压致导通的新型连续电阻探针及其测试系统。通过对产生杂波干扰的内外因素(外界电磁波、气穴射流、内部金属射流、“管道效应”以及弯曲波等)进行分析,改进得到了新型的压导式连续电阻探针,并利用水下爆炸试验对改进连续电阻探针的测试效果进行了对比;同时采用Ls-dyna有限元程序和压力试验对改进探针的导通压力进行了初步标定,最终选取了综合性能最优的螺纹丝-金属箔型探针作为本文开展炸药爆轰与驱动性能研究的测试用探针,并研制了与之配套的DVP-Ⅰ型连续电阻爆速仪作为信号采集设备。(2)基于压导式连续电阻探针设计了一系列炸药爆轰性能(爆速、临界直径、殉爆距离、爆压等)的测试方法,对工业炸药的主要性能参数进行了测量。利用压导式连续电阻探针分别设计了柱形和平面ANFO装药、模拟深水环境乳化炸药的爆速测量装置,探讨了装药密度对于柱形装药、矿粉含量对于平面装药以及静水压力对于乳化炸药爆速的影响;利用装配有新型探针的锥形装药和楔形装药分别测量了 ANFO炸药的临界直径和临界厚度,并分析了工业炸药的直径效应;设计了基于连续探针的殉爆判定装置,可依次记录主发装药和被发装药爆轰波的发展过程,并给出了三种不同类型的爆轰波-冲击波时程曲线从而实现了炸药殉爆的定量判定;利用水和有机玻璃作为标准材料,根据阻抗匹配原理设计了基于压导式连续电阻探针的改进水箱法及其简化装置,测量得到了ANFO炸药的爆压,并进一步设计石蜡型探针进行了炮孔内炸药爆压的现场测量。(3)利用压导式连续电阻探针分别设计了球形装药和柱形装药的水下爆炸测试系统,并开展了炸药爆轰产物JWL状态方程的反演研究。将压导式连续电阻探针与球形炸药装配,设计了球形装药水下爆炸系统,获得了 RDX药球的爆轰波和水下爆炸近场冲击波时程曲线,根据炸药-水之间的阻抗匹配求解得到了炸药爆压,以球形装药水下爆炸数据确定了待测炸药的多方状态方程,并拟合得到了水中冲击波峰压的衰减系数。将压导式连续电阻探针与柱形装药装配,利用药柱内探针获得炸药爆速,利用水中斜拉探针可记录水中斜冲击波传播轨迹,从而设计了柱形装药水下爆炸测试系统,获得了待测炸药的斜冲击波波阵面形状,并在二维定常流场斜冲击波模型和Prandtl-Meyer绕流理论的基础上求解得到了炸药的爆压、绝热指数,以及水气界面夹角等参数。以球形装药水中冲击波峰压衰减规律和柱形装药斜冲击波波阵面形状作为比较对象,通过调整Autodyn程序中JWL方程的6个系数,使模拟结果和实验结果的最大误差小于允许值,最终测定了各试验中待测炸药爆轰产物的JWL状态方程参数。(4)研制了梯形支架连续电阻探针,实现了对滑移爆轰驱动下二维平板和圆管飞行姿态的测试。设计了一种压致导通的梯形支架连续电阻探针,并基于此分别设计了复板和铜管飞行姿态的测量装置,利用探针的平行段数据可获得炸药爆速,利用倾斜段数据可得到平板和圆管的飞行轨迹。通过爆炸焊接试验获得了复板的飞行姿态曲线,以及弯折角和飞行速度的变化规律,并与Richter公式计算得到的理论曲线比较,确定了炸药的多方状态方程,最后与数值模拟进行了对比,三者吻合良好。利用基于梯形支架探针的改进圆筒试验获得了铜管的膨胀轨迹,然后以铜管径向膨胀位移和膨胀速度的模拟结果与实验拟合曲线作为比较对象,确定了圆筒试验中待测炸药爆轰产物的JWL状态方程参数,并结合能量分析计算得到了炸药的Gurney能以及铜管的破片初速度。此外,以有机玻璃作为标准材料,利用压导式连续探针连续记录有机玻璃和水中的冲击波参数,基于阻抗匹配技术和图解法获得了水的部分冲击Hugoniot数据。
【图文】：

界面图,炸药,起爆过程,爆轰气体

这是几乎所有炸药普遍存在的现象，区别在于临界直径和极限直径的值各不逡逑相同，工程应用中炸药临界直径的测定对于指导炸药的安全高效使用具有重要意义。逡逑长柱形药包的起爆过程如图１．２所示，雷管在药柱左侧起爆激起炸药的爆轰反应，逡逑爆轰波开始自左向右传播，起爆初期，，一方面爆轰气体产物形成的膨胀波沿药柱向前传逡逑播，但其速度小于爆轰波速度，因此，爆轰波以超前尾部膨胀波向前传播。与此同时，逡逑－３－逡逑

爆速,炸药,导爆索

图１．３道特里奇法测量炸药爆速逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ邋ｖｅｌｏｃｉｔｙ邋ｂｙ邋Ｄａｕｔｒｉｃｈｅ邋ｍｅｔｈｏｄ逡逑导爆索法的测量示意图如图１．３所示，在一定装药直径的药柱中间部位预先开设两逡逑个小孔Ａ和Ｂ邋（Ａ点离起爆端足够远，保证所测爆速己达到稳定），ＡＢ距离应准确测逡逑定，然后将一根爆速已知的导爆索的首尾两端插入小孔固定，导爆索的中间部分则固定逡逑在一块铅板或者铝板上，并在金属板上标记导爆索的中点Ｍ邋（确保ＡＭ＝ＢＭ），当炸药逡逑起爆后，爆轰波沿药柱轴向传播，依次在Ａ点和Ｂ点引爆导爆索端部，导爆索上的两逡逑路爆轰波相向传播并最终在金属板某一位置相遇，金属板上因为爆轰波的碰撞留下一明逡逑显印记（图中Ｓ点），ＡＢ间的时间差使得Ｍ点和Ｓ点不会重合，通过测量ＭＳ的距离逡逑ＡＬ，并结合ＡＢ的长度Ｚａｂ和导爆索爆速Ｄｃ，就可以计算得到待测炸药爆速，即逡逑Ｄ邋ＤＪＬ＾＿逦（１．３）逡逑＂２ＡＬ逡逑道特里奇法不需要复杂的仪器设备
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O384;TQ560.1

【参考文献】