火炸药学报    2018, Vol. 41 Issue (3): 298-302   DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.03.015
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引用本文  

李健, 张勇, 吴彦卓, 梁彦, 李泽雪. AP粒度对HTPB推进剂撞击起爆影响的数值模拟[J]. 火炸药学报, 2018, 41(3): 298-302. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.03.015
LI Jian, ZHANG Yong, WU Yan-zhuo, LIANG Yan, LI Ze-xue. Numerical Simulation of Effects of AP Particle Size on Impact Initiation of HTPB Propellant[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2018, 41(3): 298-302. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.03.015

作者简介

李健(1991-), 男, 硕士, 从事导弹系统试验与鉴定。E-mail:13358838873@163.com

文章历史

收稿日期:2018-01-24
修回日期:2018-05-12
AP粒度对HTPB推进剂撞击起爆影响的数值模拟
李健1, 张勇2, 吴彦卓1, 梁彦1, 李泽雪3     
1. 92941部队, 辽宁 葫芦岛 125000;
2. 海军航空大学, 山东 烟台 264000;
3. 91404部队, 河北 秦皇岛 066000
摘要: 针对端羟基聚丁二烯(HTPB)复合固体推进剂受外力撞击爆炸问题,基于MATLAB软件开发了颗粒随机填充算法,通过在LS-DYNA平台上进行的二次开发,研究了高氯酸铵(AP)粒度对HTPB复合推进剂撞击起爆影响的数值模拟。结果表明,AP粒径为2~20 μm时,HTPB推进剂受撞击后爆炸概率最低;粒径达到330~340 μm时,受撞击后爆炸概率最高;通过细观层次研究发现,含AP颗粒的HTPB推进剂在撞击起爆前存在两次剧烈的应力应变和温度变化,通过对颗粒粒径范围在2~20 μm和330~340 μm时计算结果的比较,发现推进剂爆炸前的最大有效应变增大124%,最高温度增大13.14%;温升和应变的启动点和反应点分别加快了34.78%、10.98%和52.38%、28.57%。
关键词: AP     粒度     撞击爆炸     数值模拟     HTPB推进剂    
引言

随着中国海军战略由“近海防御”到“远海防卫”的转变,舰船值班时间不断增加,长时间的航行、训练,使得舰载和机载导弹存在安全性隐患。固体推进剂是导弹的主要能源物质,也是诱发导弹爆炸的主因。弹用复合推进剂应用广泛,其安全性十分重要,有必要对其使用安全的影响因素进行深入研究[1]

由于AP颗粒粒度直接影响复合推进剂的性能,受限于现有试验和测试条件,目前的研究主要集中在AP粒度和级配对推进剂燃速规律的影响方面,而AP粒度对推进剂撞击起爆的影响研究报道较少[2]

陈皓等[3]研究发现,成型药柱和粉状炸药、药柱高度、温度等因素都会影响其撞击感度;陈京等[4]也研究了复合改性双基推进剂降感技术和感度机理;王彩玲等[5]采用GJB772A-97标准中601.1及602.1试验方法,研究了AP粒径在27~100 μm范围内,其大小对AP撞击感度和摩擦感度的影响,发现随着粒度的减小,AP的撞击和摩擦感度升高;张小慧[6]研究了AP粒度对推进剂力学性能的影响,发现氧化剂颗粒大小会影响总的活性表面和“附加交联点”的数量,填料颗粒大小对填充体的强度和模量有明显影响;封雪松等[7]研究了AP粒度对复合推进剂低速撞击响应的影响,发现在微米级中含大粒度AP的复合推进剂更加敏感,当AP粒度低至微米级,含AP的复合推进剂对低速撞击响应更加钝感。

本研究基于MATLAB软件开发了颗粒随机填充算法,通过对商用有限元软件LS-DYNA进行二次开发,研究了AP粒度对HTPB复合推进剂撞击起爆的影响,以期为弹用复合推进剂的配方研制、生产工艺及整弹的跌落安全性分析提供参考。

1 物理模型与计算方法

本研究主要基于以下假设:

(1) 细观状态下NEPE的黏合剂、增塑剂以及各种功能助剂会形成相对均匀单一的黏合剂体系,假设将其统一视为基体,并均匀地填充在各种颗粒的缝隙之中;

(2) 假设颗粒、基体分布均匀,视其为弹塑性材料,密度、屈服强度等参数为常数;

(3) 样品中颗粒间有的相交,有的两颗粒间界限不明显,根据排斥算法,假设模型中的颗粒均处于不相交的状态;

(4) 忽略颗粒和基体界面对推进剂撞击爆炸的影响;

(5) 忽略试验中的击柱和击套。

1.1 计算模型的建立

AP粒径为130~140 μm的细观构型、几何结构、计算模型的自动生成过程如图 1所示。细观构型由MATLAB-R2010编写的程序自动生成,其中球体代表自动生成的AP颗粒,模拟的AP颗粒实际尺寸为0.01~400 mm,颗粒尺寸散布采取正态模型下的自由散布式,计算模型尺寸根据试验实际尺寸具体而定。

图 1 AP粒径为130~140 μm下的细观有限元计算的自动生成过程 Figure 1 Automatic generation process of fine finite element calculation under AP granularity of 130-140 μm
1.2 计算原理 1.2.1 显示动力学有限元方程

采用有限元方法对固体推进剂细观模型进行撞击爆炸的模拟,原理如下[8]

根据拉格朗日坐标描述,在t时刻物体坐标如下:

$ {x_i} = {x_i}\left( {{X_j}, t} \right){\rm{ }}(i, j = 1, 2, 3) $ (1)

式中:xi为质点在固定直角坐标系中的坐标;Xj为质点的物质坐标。

动量方程如下:

$ {\sigma _{ij \cdot j}} + \rho {f_i} = \rho a $ (2)

式中: σij为柯西应力;ρ为当前密度;fi为单位质量体积力;a为质点加速度。

质量守恒方程如下:

$ \rho V = {\rho _0} $ (3)

式中:ρ0为初始密度(kg/m3);V为相对体积。

能量方程如下:

$ E = V{S_{ij}}{{\ddot \varepsilon }_{ij}} - \left( {p + q} \right)V $ (4)
$ {S_{ij}} = {\sigma _{ij}} + \left( {p + q} \right){\delta _{ij}} $ (5)
$ p = - \frac{1}{3}{\delta _{kk}} - q $ (6)
1.2.2 本构方程

有限元计算中描述推进剂基体、含能材料颗粒、金属颗粒力学性能的力学本构方程采用弹塑性模型[9]。基体与HMX屈服之前弹性行为服从广义胡克定律,屈服后的应力表示为:

$ {\sigma _y} = {\sigma _0} + {E_{\rm{h}}}{\varepsilon ^{ - p}} + (a + p{a_2}){\rm{max}}\left[ {p, 0} \right] $ (7)

式中:aa2为压力修正系数[10]Eh由弹性模量E和屈服后的切线模量Et共同决定:

$ {E_{\rm{h}}} = \frac{{{E_{\rm{t}}}E}}{{E - {E_{\rm{t}}}}} $ (8)
1.3 计算设置

计算反应速率方程选择点火增长模型,以压缩量为点火阈值,以撞击形成的压力为反应速度的重要参考[11]。状态方程选择爆炸力学中常用的JWL状态方程:

含能材料JWL状态方程形式为:

$ \begin{array}{*{20}{c}} {{P_{\rm{e}}} = {A_{\rm{e}}}\left( {1 - \frac{{{\omega _{\rm{e}}}}}{{{R_1}_{\rm{e}}V}}} \right){\rm{exp}}( - {R_1}_{\rm{e}}V) + {B_{\rm{e}}}\left( {1 - \frac{{{\omega _{\rm{e}}}}}{{{R_2}_{\rm{e}}V}}} \right)}\\ {{\rm{exp}}( - {R_2}_{\rm{e}}V) + {\rm{ }}\frac{{{\omega _{\rm{e}}}{E_{\rm{e}}}}}{V}} \end{array} $ (9)

产物的JWL状态方程形式如下:

$ \begin{array}{*{20}{c}} {{P_{\rm{p}}} = {A_{\rm{p}}}\left( {1 - \frac{{{\omega _{\rm{p}}}}}{{{R_1}_{\rm{p}}V}}} \right){\rm{exp}}( - {R_1}_{\rm{p}}V) + {B_{\rm{p}}}\left( {1 - \frac{{{\omega _{\rm{p}}}}}{{{R_2}_{\rm{p}}V}}} \right)}\\ {{\rm{exp}}( - {R_2}_{\rm{p}}V) + {\rm{ }}\frac{{{\omega _{\rm{p}}}{E_{\rm{p}}}}}{V}} \end{array} $ (10)

方程中的参数由Hugoniot数据、CJ数据和von Nemann条件共同确定。AP和基体的化学动力学参数如表 1所示。

表1 AP和基体材料的化学动力学参数 Table 1 Chemical kinetic parameters of AP and matrix material

撞击体的速度统一设置为20 m/s,撞击时间10 μs。约束体底边设置位移边界条件为0,计算中物质的接触均采用“侵入接触”,网格划分选用自适应网格划分。

按照QJ1271-87《复合固体推进剂撞击感度测定方法》要求,撞击推进剂切片选择厚度为1.0~1.1 mm,直径(8.0±0.1 mm)的药片。几何模型经过反复试算,选择边长为0.3 mm的正方体。

选择粒径分别为330~340(球形)、230~240(球形)、130~140(球形)、2~20 μm(针状)的AP颗粒。在计算粒径2~20 μm的针状AP时,用当量直径的球形AP替代进行模拟,对结果影响小,且能简化计算和有效对比。

2 结果与讨论 2.1 不同AP粒径的几何模型

通过对LS-DYNA的二次开发,结合AP粒度数据,随机生成了4种不同AP粒径范围下的几何模型,结果见图 2

图 2 4种不同AP粒径范围下生成的几何模型 Figure 2 Four geometric models generated from different AP particle size ranges
2.2 计算结果与分析

不同粒径AP在基体包覆下受撞击过程的数值模拟结果如图 3图 4图 5所示。

图 3 不同粒径AP最大有效应变-时刻分布图 Figure 3 Maximum effective strain-time distribution maps of AP with different particle sizes
图 4 不同粒径AP最高温度-时刻分布图 Figure 4 Maximum temperature-time distribution maps of AP with different particle sizes
图 5 不同粒径AP最大有效应变与最高温度单元变化历程曲线 Figure 5 Maximum effective strain and maximum temperature unit change history curves of AP with different particle sizes

选取推进剂受撞击爆炸前达到最大有效应变和最高温度单元的全历程参数变化进行研究,比较AP粒度对推进剂爆炸前有效应变和温度的影响,结果见表 2

表2 不同粒径AP下推进剂的应变和温度计算结果 Table 2 Calculated results of strain and temperature of propellant with different particle sizes of AP

图 3图 4图 5表 2可见,在材料和颗粒含量一致的条件下,AP粒径对推进剂的撞击起爆产生以下影响:

(1) AP颗粒爆炸是局部反应,AP的温升和应变在不同位置、不同时刻差异大,最大有效应变和最高温度的单元所在区域产生“热点”的概率大,区域内温升快、应变大,爆炸机率大,颗粒受力破碎明显;

(2) 最大有效应变和最高温度全历程变化总体趋势一致,有效应变和温度存在关联性,但细小AP颗粒的应变一致性和温度升高的关联性比大颗粒AP的关联性好,这与小颗粒的均匀性和包覆情况较好有一定的关系。AP在撞击作用下变形越集中,温升越明显,最大有效应变和最高温度越高,但因AP粒度不同存在差异;

(3) 全历程有两次较大的应变和温升变化,分别对应颗粒接触受力变形升温和颗粒开始反应。AP粒径为2~20 μm时和330~340 μm时,最大有效应变值、最高温度值、最快温升变形启动点和最快反应启动点依次为:0.25、312℃、3.1 μs、9.0 μs和0.56、353℃、2.1 μs、7.0 μs,AP粒度越大,温升和应变启动点和反应点越早,应变率和温升速率越大。

3 结论

(1) 4种典型AP粒度范围下,随着AP粒度增大,推进剂感度越高;AP粒径为2~20 μm时,受撞击后爆炸概率最低;粒度为330~340 μm时,受撞击后爆炸概率最高。

(2) 4种不同粒径AP的最大有效应变和最高温度的变化趋势一致,且存在关联性,在最大有效应变和最高温度的单元所在区域发生爆炸的概率大,但其在不同位置、不同时刻差异大。

(3) 在细观层面上,撞击后发生爆炸的区域经历了两次较大的应变变化和温升;第一次是与撞击体接触后的变形升温;第二次为颗粒发生化学反应。AP粒度越大,温升和应变启动点和反应点越早,应变率和温升速率越大。


参考文献
[1]
范士锋, 董平, 李鑫, 等. 国外海军弹药安全性研究进展[J]. 火炸药学报, 2017, 40(2): 101–106.
FAN Shi-feng, DONG Ping, LI Xin, et al. Research progress in the safety of foreign naval ammunition[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2017, 40(2): 101–106.
[2]
纵春黎, 王宇, 刘凯, 等. 高能固体火箭发动机冲击起爆的数值模拟及试验研究[C]//第五届固体推进剂安全技术研讨会. 襄阳: 般天工业固体推进剂安全技术研究中心, 2015: 125-132.
ZONG Chun-li, WANG Yu, LIU Kai, et al. Numerical simulation and experimental study on impact initiation of high energy solid rocket motor[C]//The Fifth Symposium on Safe Technology for Solid Propellant. Xiangyang: Aerospace Industry Solid Propellant Safety Technology Research Center, 2015: 125-132.
[3]
陈皓, 徐洪涛, 邹洪辉, 等. 典型炸药药柱撞击感度的试验研究[J]. 火炸药学报, 2018, 41(2): 127–136.
CHEN Hao, XU Hong-tao, ZOU Hong-hui, et al. Experimental study on impact sensitivity of typical explosive grain[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2018, 41(2): 127–136.
[4]
陈京, 王晗, 刘萌, 等. 复合改性双基推进剂降感技术及感度机理研究进展[J]. 火炸药学报, 2017, 40(6): 7–16.
CHEN Jing, WANG Han, LIU Meng, et al. Progress of study on desensitization techniques and sensitivity mechanisms of composite modified doubl-base propellants[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2017, 40(6): 7–16.
[5]
王彩玲, 赵省向. 不同粒度AP的机械感度[J]. 火炸药学报, 2006, 29(12): 27–29.
WANG Cai-ling, ZHAO Sheng-xiang. Mechanical sensitivity of AP with different particle size[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2006, 29(12): 27–29.
[6]
张小慧. 退役复合固体推进剂中的AP回收与粒度控制研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2014.
ZHANG Xiao-hui. Study on the recycling and particle size controlling of AP from retired composite propellant[D]. Nanjing: Nanjing University of Science & Technology, 2014. http://industry.wanfangdata.com.cn/dl/Detail/Thesis?id=Thesis_Y2520776
[7]
封雪松, 徐洪涛. AP粒度对复合推进剂低速撞击响应影响的研究[J]. 山西化工, 2014, 34(4): 7–9.
FENG Xue-song, XU Hong-tao. The effect of AP grain-size on the low-velocity impact response of composite propellent[J]. Shanxi Chemical Industry, 2014, 34(4): 7–9.
[8]
吴留仁. 颗粒填充高分子复合材料的力学性能[J]. 固体火箭技术, 1990, 13(3): 58–62.
WU Liu-ren. The mechanical properties of particles filled with polymer composites[J]. Solid Rocket Technology, 1990, 13(3): 58–62.
[9]
曹明川. 固体推进剂撞撞击响应实验与数值模拟研究[D]. 烟台: 海军航空工程学院, 2014.
CAO Ming-chuan. Experimental and Numerical Simulation of Solid Propellant Collision Response[D]. Yantai: Naval Aeronautical Engineering Institute, 2014.
[10]
王哲君, 强洪夫, 陈广, 等. 固体推进剂力学性能和本构模型的研究进展[J]. 含能材料, 2016, 254(4): 403–416.
WANG Zhe-jun, QIANG Hong-fu, CHEN Guang, et al. Review on the mechanical properties and constitutive models of solid propellants[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2016, 254(4): 403–416. DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2016.04.016
[11]
Clive Woodley. On the use of accurate ignition and combustion models in internal ballistics gun codes[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2018, 41(2): 117–121.
Numerical Simulation of Effects of AP Particle Size on Impact Initiation of HTPB Propellant
LI Jian1, ZHANG Yong2, WU Yan-zhuo1, LIANG Yan1, LI Ze-xue3     
1. Unit 92941, Huludao Liaoning 125000, China;
2. Naval Aviation University, Yantai Shandong 264000, China;
3. Unit 91404, Qinhuangdao Hebei 066000, China
Abstract: Aiming at the impact explosion problem of hydroxyl terminated polybutadiene(HTPB) composite solid propellant induced by the external force, the particle random filling algorithm was developed based on MATLAB software, the numerical simulation of the effect of ammonium perchlorate (AP) particle size on the impact initiation of HTPB propellant was studied through the second development performed on the LS-DYNA platform. The results show that when AP particle size is 2-20 μm, the explosion probability of HTPB propellant induced by impact is the lowest. When AP particle size reaches 330-340 μm, the explosion probability induced by impact is the highest.Through the meso level study, it is found that the HTPB propellant containing AP particles has two severe stress-strain and temperature change before impact initiation. Through comparing the calculated results when the particle size range is 2-20 μm and 330-340 μm, it is found that the maximum effective strain before explosion increases by 124% and the maximum temperature increases by 13.14%, the starting point and reaction point of temperature rise and strain accelerate by 34.78%, 10.98% and 52.38%, 28.57%, respectively.
Key words: AP     particle size     impact explosion     numerical simulation     HTPB propellant