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  • ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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带隔板装药爆轰波马赫反射理论研究和数值模拟

潘建 张先锋 何勇 邓启斌

潘建, 张先锋, 何勇, 邓启斌. 带隔板装药爆轰波马赫反射理论研究和数值模拟[J]. 爆炸与冲击, 2016, 36(4): 449-456. doi: 10.11883/1001-1455(2016)04-0449-08
引用本文: 潘建, 张先锋, 何勇, 邓启斌. 带隔板装药爆轰波马赫反射理论研究和数值模拟[J]. 爆炸与冲击, 2016, 36(4): 449-456. doi: 10.11883/1001-1455(2016)04-0449-08
Pan Jian, Zhang Xianfeng, He Yong, Deng Qibin. Theoretical and numerical study on detonation wave Mach reflection in high explosive charge with waveshaper[J]. Explosion And Shock Waves, 2016, 36(4): 449-456. doi: 10.11883/1001-1455(2016)04-0449-08
Citation: Pan Jian, Zhang Xianfeng, He Yong, Deng Qibin. Theoretical and numerical study on detonation wave Mach reflection in high explosive charge with waveshaper[J]. Explosion And Shock Waves, 2016, 36(4): 449-456. doi: 10.11883/1001-1455(2016)04-0449-08

带隔板装药爆轰波马赫反射理论研究和数值模拟

doi: 10.11883/1001-1455(2016)04-0449-08
基金项目: 

中央高校基本科研业务费专项项目 30916011305

详细信息
    作者简介:

    潘建(1987—),男,博士研究生

    通讯作者:

    张先锋, lynx@mail.edu.cn

  • 中图分类号: O381

Theoretical and numerical study on detonation wave Mach reflection in high explosive charge with waveshaper

  • 摘要: 基于三波理论和Whitham方法对带隔板装药爆轰波相互作用后发生的正规反射和非正规反射进行了理论分析,给出了爆轰波发生马赫反射时临界入射角和马赫杆增长角等参数的变化规律,提出了马赫杆高度的计算模型。基于凝聚炸药爆轰Jones-Wilkins-Lee(JWL)模型和冲击起爆的Lee-Tarver模型,利用有限元计算软件对带隔板装药爆轰波的传播过程进行了数值模拟。结果表明,发生马赫反射后,随着爆轰波的传播,马赫杆的高度不断增加。数值模拟结果与理论计算结果吻合较好,说明本文中采用的理论模型和数值模拟方法能够较准确地描述带隔板装药爆轰波马赫反射的传播过程。
  • 自然界利用现有资源,在有限的环境条件下组建了轻质、坚固、坚韧的材料。例如,螳螂虾指关节的迎撞面就是这类典型的复合材料,此类虾具有在摄食过程中避免高速碰撞造成巨大伤害的能力。美国加州大学研究人员发现螳螂虾的指节包含一层由纳米颗粒紧密堆积的抗冲击涂层,这些纳米颗粒由排列整齐的小纳米晶体组成。在高应变率冲击下(约104 s−1),粒子旋转和平移,而纳米晶网络在低角度晶界处发生断裂,形成位错并发生非晶化。此外,这种材料在保持高刚度(弹性模量约为58.9 GPa)的情况下还具有较大的阻尼(损耗系数约为0.02),相互渗透的有机网状结构提供了额外的增韧和阻尼,这种罕见的刚度和阻尼组合在工程材料中并不常见,其性能也优于许多工程材料。这些新发现可为结构的高速冲击和破坏失效提供新的研究思路。

    源自:HUANG W, MEHDI S, NICOLAS G Z, et al. A natural impact-resistant bicontinuous composite nanoparticle coating [J]. Nature Materials, 2020, 19: 1236−1243.

    理解高速碰撞以及随后的高应变率材料变形和潜在的灾难性破坏,对于包括天体物理学、材料科学和航空航天工程在内的系列科学和工程学科至关重要。由于在极短时间尺度下,用实验来量化材料的演变面临着巨大挑战,相关变形和破坏机制还很不明确。美国迈阿密大学等研究人员将铜箔通过皮秒激光烧蚀实现快速变形(0.5×109 s−1),并利用30-fs超快X射线自由电子(XFEL)脉冲进行原位探测,首次定量描述了材料在高应变率条件下的失效过程。结果发现最终破坏是通过空洞成核、增长和聚合发生的,与分子动力学模拟的结果吻合较好。发展和应用具有飞秒分辨率的原位超快小角度X射线散射(SAXS)对高应变率层裂破坏进行定量表征,是对广角X射线散射(WAXS)的补充,具有重要的应用价值。

    源自:JAMES C, ANDREW H, DAVID M, et al. Femtosecond quantification of void evolution during rapid material failure [J]. Science Advances, 2020, 6(51): eabb4434.

    超塑性描述的是材料以拉伸延伸的形式将大塑性变形维持到其原始长度400%以上的能力,但通常只能在低应变率(约10−4 s−1)下观察到,这使得加工时间大大增加,由于经济原因导致不适合大规模生产。而超过10−2 s−1应变率下的超塑性,通常只能在低强度的镁和铝合金中才能出现。韩国浦项科技大学等研究人员通过高压扭转试验,发现了Al9(CoCrFeMnNi)91高熵合金纳米材料在应变率5×10−2 s−1下的超塑性,其伸长率达到了原始长度的2000%。多相合金中的高压扭转诱导晶粒细化与热塑性变形过程中的有限晶粒增长相结合,通过位错活动调节晶界滑移,实现了高应变率下的超塑性。

    源自:NGUYEN N T C, ASGHARI-RAD P, SATHIYAMOORTHI P, et al. Ultrahigh high-strain-rate superplasticity in a nanostructured high-entropy alloy [J]. Nature Communications, 2020, 11: 2736.

    佛罗里达大学、佛罗里达理工学院以及洛斯阿拉莫斯国家实验室等科学家合作开发了一种耦合微观尺度空洞坍塌动力学到介观尺度模拟中的多尺度方法,可以描述微观结构在起爆中发挥的重要作用。第一步,作者进行空隙塌陷模拟,并收集点火时间和总输出功率与冲击压力和空隙直径的关系;第二步,通过将功率沉积项添加到能量方程,将第一步的信息反馈给介观尺度模拟。该研究通过使用单独的反应物和产物状态方程,并在反应区中定义了混合规则,可以获得与实验数据更好的一致性。由于没有HMX单晶数据,因此用PBX9501替代(即含95%HMX),优势是PBX9501数据比较全面。另一个改进是介观尺度上的动力学建模。作者采用了基于压力的幂定律,针对实验的Pop-plot数据和CJ点附近爆轰曲线斜率进行了校准。以前的校准过程是在连续范围内进行的,没有考虑微观结构的细节;该论文是研究空洞塌陷而引起的起爆,因此包括了微观结构的细节。

    源自:THOMAS J L, ZHANG J, SHORT M. Multiscale approach to shock to detonation transition in energetic materials [J]. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2020, 45: 316−329.

    中物院化工材料研究所与美国爱达荷大学研究人员近期利用分子间氢键和偶极-偶极协同相互作用,联合研究制备出一种新的含能材料NAPTO。该物质不仅含有稠环母体结构,还具有超平的二维层状堆积结构,分子中所有原子处于同一平面内,二面角均为0°或180°。其平面性优于常见的二维层状单质炸药如TATB、FOX-7等,成为首个具有类石墨烯结构的稠环单质炸药,且层间距仅为2.855×10−10 m。该新型化合物能量高(爆速为9.12 km/s,爆压为35.1 GPa)、外部刺激敏感度优异(撞击感度为18 J,摩擦感度为325 N,静电放电感度为0.32 J)、热分解温度高(203.2 ℃),因此具有高能量和低机械感度双重优点。

    源自:FENG Y A, DENG M C, SONG S W,et al. Construction of an unusual two-dimensional layered structure for fused-ring energetic materials with high energy and good stability [J]. Engineering, 2020, 6(9): 1006−1012.

    (敬霖 编译)

  • 图  1  带隔板柱形装药结构及爆轰波示意图

    Figure  1.  Schematic diagram for cylindrical charge with waveshaper and detonation wave

    图  2  爆轰波马赫反射流场

    Figure  2.  Flow setup used to describe Mach reflection

    图  3  马赫反射临界入射角随多方指数的变化

    Figure  3.  Critical incident angle for the onset of Mach reflection varying with polytropic exponent

    图  4  马赫反射后爆轰波形位置与其垂直射线的关系简图

    Figure  4.  Relationship of detonation wave and its vertical line after Mach reflection

    图  5  马赫杆高度随入射角变化的计算结果

    Figure  5.  Calculated variation of Mach stem height with incident angle

    图  6  带隔板装药数值模拟的有限元模型

    Figure  6.  A finite element model for numerical simulation on charge with waveshaper

    图  7  采用不同的炸药状态方程模拟得到的爆轰波波形

    Figure  7.  Detonation waveform of explosive simulated by different equations of state

    图  8  不同时刻爆轰波的传播

    Figure  8.  Propagation of detonation wave at different times

    图  9  马赫反射发生后,随着爆轰波的传播,在轴线不同位置处压力的变化

    Figure  9.  Pressure at different positions of the axis after Mach reflection

    图  10  马赫反射发生后,随着爆轰波的传播,在轴线不同位置处密度的变化

    Figure  10.  Density at different positions of the axis after Mach reflection

    图  11  炸药Comp B中的马赫杆高度

    Figure  11.  Mach stem height in Comp B explosive

    图  12  炸药PBX9404中的马赫杆高度

    Figure  12.  Mach stem height in PBX9404 explosive

    图  13  炸药TNT中的马赫杆高度

    Figure  13.  Mach stem height in TNT explosive

    表  1  不同炸药装药中发生马赫反射时临界入射角的计算值与实验结果

    Table  1.   Calculated and experimental results of critical incident angles corresponding to Mach reflection in different explosive charges

    装药 ρ0/(g·cm-3) DCJ/(km·s-1) γ φⅠ, c/(°)
    实验 计算
    RDX 1.80 8.754 2.980 (44.5±2)[5] 44.70
    TNT 1.63 6.930 3.120 45.6[8] 44.12
    8321 1.70 8.212 2.838 43.72[3] 44.60
    PBX9501 1.83 8.802 2.097 56[6] 48.13
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    表  2  马赫参数的计算值与实验结果[7]的比较

    Table  2.   Calculated Mach parameters compared with experimental results[7]

    φ/(°) DCJ/(km·s-1) DM, exp/(km·s-1) DM, cal/(km·s-1) DM,expDM,calDM,exp/% z χexp/(°) χcal/(°) χexpχcalχexp/%
    46.5 4.14 5.89 5.86 0.5 3.42 1.5 1.55 -3.2
    48.5 4.20 5.77 5.79 -0.3 3.22 2.27 2.13 6.6
    49.5 4.48 6.07 6.11 -0.7 3.13 2.80 2.45 14.3
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  • [1] Dowker J S. Quantum mechanics on group space and Huygens' principle[J]. Annals of Physics, 1971, 62(2):361-382. doi: 10.1016/0003-4916(71)90096-0
    [2] 汤明钧, 杨全中, 阎秀华.破甲弹中爆轰波相互作用的初步研究[J].南京理工大学学报:自然科学版, 1979(1):145-156. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NJLG197901008.htm

    Tang Mingjun, Yang Quanzhong, Yan Xiuhua. Preliminary study of detonation wave interaction in HEAT[J]. Journal of Nanjing University of Science Technology:Nature Science, 1979(1):145-156. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NJLG197901008.htm
    [3] 杨全中, 范宝春, 杨崇惠.带隔板装药中爆轰波的相互作用[J].南京理工大学学报:然科学版, 1982(2):23-30. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BZCJ201604003.htm

    Yang Quanzhong, Fan Baochun, Yang Chonghui. Interaction of the detonation waves in the explosive charge with the inserter[J]. Journal of Nanjing University of Science Technology:Nature Science, 1982(2):23-30. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BZCJ201604003.htm
    [4] Whitham G B. A new approach to problems of shock dynamics:Part Ⅰ:Two-dimension problem[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1957, 2(2):145-171. doi: 10.1017/S002211205700004X
    [5] Dunne B B. Mach reflection of detonation waves in condensed high explosives:Ⅰ[J]. Physics of Fluids, 1961, 4(7):918-933. doi: 10.1063/1.1706425
    [6] Hull L M. Mach reflection of spherical detonation waves[C]//Short J M. Proceedings of the 10th International Symposium on Detonationm. Boston: Plenum Publishing Corporation, 1993: 12-16.
    [7] 张俊秀, 恽寿榕.凝聚炸药中爆轰波马赫反射的实验研究[J].爆炸与冲击, 1986, 6(3):208-213. http://www.bzycj.cn/article/id/11076

    Zhang Junxiu, Yun Shourong. Experimental investigations of the Mach relection in a condensed explosive[J]. Explosion and Shock Waves, 1986, 6(3):208-213. http://www.bzycj.cn/article/id/11076
    [8] Zhang Xianfeng, Huang Zhengxiang, Qiao Liang. Detonation wave propagation in double-layer cylindrical high explosive charge[J]. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2011, 36(3):210-218. doi: 10.1002/prep.v36.3
    [9] 张先锋, 丁建宝, 赵晓宁.夹层装药作用过程的数字模拟[J].爆炸与冲击, 2009, 29(6):617-624. doi: 10.3321/j.issn:1001-1455.2009.06.011

    Zhang Xianfeng, Ding Jianbao, Zhao Xiaoning. Numberical simulation of duble layer shaped charge[J]. Explosion and Shock Waves, 2009, 29(6):617-624. doi: 10.3321/j.issn:1001-1455.2009.06.011
    [10] Murphy M J, Lee E L, Weston A M. Modeling shock initiation in composition B[C]//Short J M. Proceedings of the 10th International Symposium on Detonationm. Boston: Plenum Publishing Corporation, 1992: 965-970.
    [11] Grasso F, Paoli R. An analytical study of mach reflection in nonequilibrium steady flows[J]. Physics of Fluids, 1999, 11(10):3150-3167. doi: 10.1063/1.870172
    [12] Sternberg H M, Piacesi D. Interaction of oblique detonation waves with iron[J]. Physics of Fluids, 1966, 9(7):1307-1315. doi: 10.1063/1.1761845
    [13] Whithan G B. Liner and nonlinear waves[M]. New York:John Wiley & Sons Press, 1974:263-274.
    [14] Lambourn B D, Wright P W.Mach interaction of two plane detonation waves[C]//Proceeding of the Fourth International Symposium on Detonation. 1965: 142-152.
    [15] Lee E, Finger M, Collins W. JWL equation of state coefficients for high explosives[R]. Livermore: Lawrence Livermore Laboratory, 1973.
    [16] Davison L, Horie Y, Shahinpoor M. High-pressure shock compression of solids[M]. Springer Science & Business Media, 2012:123-143.
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出版历程
  • 收稿日期:  2014-11-17
  • 修回日期:  2015-03-09
  • 刊出日期:  2016-07-25

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