楊小玉, 李燕華, 張鄭偉, 王亞東, 溫玉全, 謝佳良

(1. 北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081; 2. 國(guó)營(yíng)第五二四廠, 吉林 吉林 132021; 3. 北方特種能源集團(tuán)西安慶華公司, 陜西 西安 710025)

1 引 言

爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)是由具有邏輯運(yùn)算功能的爆炸元件構(gòu)成,通過爆轟信號(hào)傳遞指令,實(shí)現(xiàn)可選擇性輸出,在引信和戰(zhàn)斗部以及航空航天等諸多系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用前景[1]。爆炸零門是構(gòu)成爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)元件,其通過切斷或破壞爆炸通道裝藥來阻斷爆轟傳遞以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)邏輯功能,對(duì)爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)的可靠性起決定性作用。爆炸零門按結(jié)構(gòu)不同可分為三種類型: 拐角零門、接觸零門和間隙零門[2]。拐角零門是由兩個(gè)裝藥尺寸相同且相互垂直的溝槽通道組成,利用小尺寸裝藥爆轟波傳播的拐角效應(yīng),實(shí)現(xiàn)爆轟波只能直線傳播而不能繞過直角傳播,溝槽尺寸是這種零門的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。接觸零門在控制通道與信號(hào)通道交叉處設(shè)置一段比正常尺寸小的通道,使控制通道的爆轟波在接觸點(diǎn)附近變?nèi)跸ū?利用熄爆后的沖擊波將信號(hào)通道的裝藥破壞,進(jìn)而切斷信號(hào)通道爆轟波的傳播通道,因此弱爆轟通道的尺寸是關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。間隙零門是在交叉處設(shè)置一段非爆炸性材料的間隙,利用控制通道爆轟波在間隙中產(chǎn)生的沖擊波將信號(hào)通道的裝藥破壞,切斷信號(hào)通道爆轟波的傳播通道,一般將間隙厚度作為設(shè)計(jì)參數(shù)[3]。以上幾種零門,其作用機(jī)理都是利用控制通道的爆轟波(沖擊波)切斷信息通道的溝槽裝藥,從而阻斷爆轟波在信息通道的傳播路徑。只有提高零門設(shè)計(jì)參數(shù)的可靠性窗口,才能避免因機(jī)械加工工藝、裝藥工藝、炸藥性能參數(shù)變化等因素對(duì)爆炸零門作用的影響,保證零門可靠作用。為此,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)此開展了研究,并取得了一定效果[4-6]。間隙零門因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)獲得廣泛研究,但其可靠性窗口較窄。2000年,溫玉全[7]針對(duì)傳統(tǒng)間隙零門作用可靠性差的問題,提出了一種改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法,即在間隙零門的通道交叉點(diǎn)前增加一個(gè)4 mm×2 mm的長(zhǎng)方形泄爆槽,在一定程度上縮短了零門的關(guān)閉時(shí)間,提高了零門的作用可靠性。2006年,黃海龍[8]結(jié)合LS-DYNA的仿真結(jié)果,對(duì)該間隙零門做了進(jìn)一步改進(jìn),在零門間隙處增加一個(gè)空氣隙進(jìn)一步縮短了零門關(guān)閉的時(shí)間,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其性能更為優(yōu)異。2016年,李燕華等[9]利用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬分析表明,增設(shè)圓形空氣隙弱化了間隙強(qiáng)度從而有助于沖擊波的衰減和零門間隙的打開,并得到了裝藥尺寸為0.8 mm×0.8 mm爆炸零門的間隙厚度窗口,但未考慮其可靠性的時(shí)間窗口問題。

在實(shí)際工程應(yīng)用中,爆炸零門可靠作用存在一個(gè)時(shí)間窗口,在這個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)零門才能夠正常作用,它是衡量爆炸邏輯零門可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)。以往的研究多通過試驗(yàn)的方式,但由于含圓形空氣間隙間隙零門可靠性的影響因素眾多,需進(jìn)行大量的試驗(yàn)。近年來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值算法的發(fā)展,數(shù)值模擬技術(shù)能夠解決爆炸沖擊中高應(yīng)變大變形等問題,為爆炸零門的研究提供了一個(gè)可行的研究途徑。

為了探究間隙厚度對(duì)零門可靠性時(shí)間窗口的影響,本研究借助LS-DYNA軟件,對(duì)含圓形空氣隙改進(jìn)間隙零門進(jìn)行三維數(shù)值模擬,計(jì)算了不同間隙厚度下間隙零門的可靠作用的時(shí)間窗口,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 爆炸零門作用原理及關(guān)鍵因素解析

含圓形空氣隙改進(jìn)間隙零門(以下簡(jiǎn)稱“零門”)是一個(gè)五特征參數(shù)零門,特征參量為溝槽尺寸d、間隙厚度L、方槽與裝藥溝槽間距l(xiāng)、方槽尺寸m×n×d、圓孔空氣隙尺寸Ф,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。5個(gè)特征參量共同決定著零門的切口寬度和關(guān)閉時(shí)間,其中切口寬度主要影響零門關(guān)閉的可靠性,而關(guān)閉時(shí)間則制約著爆炸網(wǎng)絡(luò)的作用時(shí)序與小型化。

圖1含圓形空氣隙改進(jìn)間隙零門的結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1The schematic diagram of improved gap null gate configuration with round air groove

為了研究該爆炸零門可靠作用的時(shí)間窗口,設(shè)計(jì)一種自鎖的網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)件,如圖2所示。該試驗(yàn)件包含輸入端I、輸出端O和零門N以及傳爆通道,爆轟信號(hào)從輸入端導(dǎo)入后,起爆溝槽裝藥產(chǎn)生自持的爆轟波,并在三通結(jié)構(gòu)T進(jìn)行分束,一路繼續(xù)沿直線傳播,率先抵達(dá)爆炸零門N并通過破壞附近溝槽裝藥實(shí)現(xiàn)零門關(guān)閉,該線路為控制通道C。另一路沿T的側(cè)向進(jìn)行傳播,該線路命名為信息通道S。

圖2改進(jìn)零門關(guān)閉時(shí)間的研究裝置示意圖

Fig.2The schematic diagram of device to study the improved null gate closing time

其最終能否通過N實(shí)現(xiàn)對(duì)外輸出,則取決于S與C的長(zhǎng)度差及C路爆轟波關(guān)閉零門的速度。其估算公式為:

信息通道的傳爆時(shí)間:t1=LTABN/D

控制通道的傳爆時(shí)間:t2=LTCN/D

線路時(shí)差: Δt=t1-t2

零門關(guān)閉的時(shí)間:tc

零門成功關(guān)閉的判據(jù): Δt>tc

式中,D為固定裝藥尺寸和裝藥工藝條件下的爆速。Δt可通過爆炸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)得到控制,而tc由于受5個(gè)特征參量的共同影響,目前無法進(jìn)行精確計(jì)算,只能采用實(shí)測(cè)值。由于結(jié)構(gòu)尺寸以及裝藥的工藝偏差,實(shí)際爆炸零門關(guān)閉時(shí)間不是一個(gè)確定值,其可靠性時(shí)間窗口可用圖3表示。圖3中,p-t曲線為零門關(guān)閉的概率曲線;t1為不能關(guān)閉零門的最大時(shí)間間隔;t2為高概率能關(guān)閉零門的最小時(shí)間間隔;R為關(guān)閉零門的概率。當(dāng)Δtt2時(shí),來自控制通道的沖擊波高概率能切斷信息通道的爆轟波傳播,即零門一定能關(guān)閉。根據(jù)以上的分析可以得到,只要零門時(shí)間間隔在[t2,∞)區(qū)間內(nèi),來自控制通道的沖擊波就能高概率切斷信息通道的爆轟波傳播,即零門能高概率關(guān)閉,所以區(qū)間[t2,∞)即為零門可靠性時(shí)間窗口。

為了預(yù)估t2,為設(shè)計(jì)微小型快速響應(yīng)爆炸零門提供技術(shù)支撐,采用單一因素分析法進(jìn)行初步探討,即通過重要度篩選確定間隙厚度為重點(diǎn)研究對(duì)象,并將其他特征參量進(jìn)行固化,通過仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的手段獲得間隙厚度對(duì)零門關(guān)閉時(shí)間的影響規(guī)律。

圖3含圓形空氣隙改進(jìn)間隙零門關(guān)閉時(shí)間間隔的可靠性窗口曲線

Fig.3Reliability window curve of closing time interval of improved gap null gate with round air groove

3 數(shù)值仿真研究

3.1 仿真模型建立

利用LS-DYNA軟件針對(duì)不同間隙厚度L零門的可靠性窗口進(jìn)行分析,其變量范圍是0.6～1.1 mm; 溝槽尺寸為0.6 mm×0.6 mm; 方槽與裝藥溝槽間距為0.1 mm,泄爆方槽的尺寸為4 mm×2 mm×0.6 mm; 圓形空氣隙尺寸為Ф0.6 mm×0.6 mm。采用上節(jié)的方法研究零門的關(guān)閉時(shí)間,同時(shí)為了縮減有限元模型,將兩通道的爆轟波由共輸入改為單獨(dú)輸入,并將通道的長(zhǎng)度差直接換算成起爆時(shí)差,如圖4所示。

圖4改進(jìn)間隙零門基板模型(unit: mm)

Fig.4The physical model of improved gap null gate(unit: mm)

具體建模過程: 將控制通道和信息通道均分為兩段,第一段(長(zhǎng)度均為5 mm)采用高能炸藥燃燒材料模型和JWL狀態(tài)方程,用來代替起爆裝藥; 第二段(信息通道長(zhǎng)度為16 mm,控制通道長(zhǎng)度為10 mm)均采用點(diǎn)火增長(zhǎng)模型模擬裝藥非理想爆轟,且信息通道第二段被起爆端面到間隙中心的距離為10 mm,具體尺寸分布如圖4所示。此結(jié)構(gòu)中信息通道和控制通道的有效路徑差為零,因此,需要人為設(shè)置不同的起爆時(shí)序來獲得不同的時(shí)間間隔Δt。通過仿真不同起爆時(shí)間間隔下零門作用的成功性,達(dá)到研究零門可靠性時(shí)間窗口的目的。

在數(shù)值模擬過程中,采用Lagrange算法,并利用關(guān)鍵字*INITIAL_DETONATION設(shè)置起爆參數(shù),起爆點(diǎn)分別設(shè)置在控制通道和信息通道裝藥端面,有限元模型如圖5所示。

圖5改進(jìn)間隙零門有限元模型

Fig.5The finite element model of improved gap null gate

3.2 材料模型及參數(shù)

3.2.1 炸藥材料模型及參數(shù)

控制通道裝藥和信息通道裝藥前段等效起爆裝藥采用高能炸藥燃燒材料模型和JWL狀態(tài)方程[10],后段裝藥采用點(diǎn)火增長(zhǎng)模型來描述小尺寸裝藥的非理想爆轟狀態(tài)。點(diǎn)火增長(zhǎng)模型除利用JWL狀態(tài)方程來描述未反應(yīng)炸藥和反應(yīng)產(chǎn)物的狀態(tài)外,還引入了一個(gè)描述炸藥受沖擊反應(yīng)的反應(yīng)速率方程:

0

(1)

式中,F是炸藥的反應(yīng)度(F=0表示沒有反應(yīng),F=1表示反應(yīng)完成),t為反應(yīng)時(shí)間,μs;p為壓力,GPa;ρ為裝藥任意時(shí)刻密度,ρ0為裝藥初始密度,g·cm-3;I、x、b為控制點(diǎn)火起爆程度的參量,I單位為μs-1,b和x無量綱; 參數(shù)a是阻止點(diǎn)火的臨界壓縮度,無量綱,僅當(dāng)壓縮度ρ/ρ0>1+a時(shí),裝藥才被點(diǎn)火;G1、c、d和y控制點(diǎn)火后反應(yīng)的早期增長(zhǎng),G1單位為Mbars-z·μs-1,c、d和y無量綱;G2、e、g和z確定高壓反應(yīng)速率,G2單位為Mbars-zμs-1,e、g和z無量綱;Figmax、FG1max和FG2min用以控制反應(yīng)速率三項(xiàng)的打開和關(guān)閉,當(dāng)反應(yīng)度F>Figmax時(shí),關(guān)閉點(diǎn)火項(xiàng); 當(dāng)反應(yīng)度F>FG1max時(shí),關(guān)閉點(diǎn)火增長(zhǎng)項(xiàng); 當(dāng)反應(yīng)度F>FG2min時(shí),打開高壓反應(yīng)速率項(xiàng);F、Figmax、FG1max和FG2min均為無量綱量。

由于所用網(wǎng)絡(luò)裝藥為以HMX為基的某型標(biāo)準(zhǔn)傳爆藥,其組分與LX-10接近,故參數(shù)選取參考文獻(xiàn)[11],具體參數(shù)見表1。

表1網(wǎng)絡(luò)裝藥的點(diǎn)火增長(zhǎng)模型參數(shù)[11](裝藥密度ρ=1.77 g·cm-3)

Table1Ignition and growth model parameter of network charge (ρ=1.77 g·cm-3)

unreactedJWLEOSproductJWLEOSreactionrateparametersA=952200GPaA=722．4GPaI=7．43×1011μs-1B=-5．944GPaB=9．02GPaa=0．0R1=14．1R1=4．6b=0．222R2=1．41R2=1．3x=4．0w=0．8867w=0．38Figmax=0．3Cv=2．7813×10-3GPa/KCv=1×10-3GPa/KG1=0．0Mbars-zμs-1T0=298KE0=10．2GPac=0．0shearmodulus=5．0GPad=0．0yieldstrength=0．2GPay=0．0FG1max=0．3G2=2432．0Mbars-zμs-1e=0．222z=2．0g=0．667FG2min=0．0

3.2.2 約束材料的本構(gòu)模型及參數(shù)

爆炸零門的約束材料為L(zhǎng)Y-12鋁合金,為描述其在爆轟動(dòng)態(tài)加載下高應(yīng)變率塑性變形行為,選用Johnson-Cook模型[12]。Johnson-Cook模型是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性的粘塑性本構(gòu)模型,其能較好地描述材料的加工硬化效應(yīng)、應(yīng)變率效應(yīng)和溫度軟化效應(yīng)[12]。Johnson-Cook模型將屈服應(yīng)力表示為:

(2)

此外,為了描述LY-12鋁合金的破壞失效行為,引入Johnson-Cook失效準(zhǔn)則[12],其失效應(yīng)變定義為:

εf=D1+D2exp(D3σ*)(1+D4lnε*)(1+D5T*)

(3)

(4)

式中,Δε為加載過程中的等效塑性應(yīng)變?cè)隽?s-1;σ*為平均應(yīng)力與等效應(yīng)力的比值,無量綱;D1、D2、D3、D4、D5為常數(shù),無量綱。當(dāng)D達(dá)到1.0時(shí),材料失效。LY-12鋁合金的相關(guān)模型參數(shù)[12]如表2所示。

表2LY-12鋁合金的相關(guān)模型參數(shù)

Table2The correlation model parameters of LY-12 aluminum alloy

ρ/g·cm-3A/MPaB/MPaCnmD1D2D3D4D52．83696840．00830．731．70．130．13-1．50．0110

3.3 數(shù)值仿真結(jié)果

3.3.1 零門關(guān)閉時(shí)間

間隙厚度1.0 mm,起爆的時(shí)間差Δt=3 μs時(shí),零門的作用過程如圖6所示。t=0 μs時(shí),控制通道裝藥被起爆(圖6a);t=2.2 μs左右時(shí),信息通道爆轟波達(dá)到零門,開始切割零門(圖6b);t=3.0 μs時(shí),信息通道裝藥被起爆(圖6c);t=4.1 μs左右時(shí),信息通道爆轟波傳播,此時(shí)零門已被破壞(圖6d);t=6.0 μs,從信息通道傳過來的爆轟波已經(jīng)熄爆(圖6e); 說明間隙零門可實(shí)現(xiàn)功能。

間隙厚度1.0 mm,起爆時(shí)間差Δt=0.7 μs時(shí),零門的作用過程如圖7所示。t=0 μs時(shí),控制通道裝藥被起爆(圖7a);t=0.7 μs左右時(shí),信息通道裝藥被起爆(圖7b);t=2.2 μs時(shí),信息通道爆轟波達(dá)到零門,開始切割零門(圖7c);t=2.6 μs左右時(shí),信息通道爆轟波達(dá)到零門(圖7d);t=3.9μs左右時(shí),信息通道裝藥的爆轟波已通過零門達(dá)到裝藥末端(圖7e); 說明間隙零門未實(shí)現(xiàn)功能。

采用相同的數(shù)值模擬方法,計(jì)算了不同間隙厚度下零門實(shí)現(xiàn)功能的時(shí)間差Δt,結(jié)果如圖8所示。

從圖8可看出,在實(shí)線左上區(qū)域?yàn)槌晒^(qū)域,零門功能均能實(shí)現(xiàn),而右下區(qū)域?yàn)槭^(qū)域,零門功能均不能實(shí)現(xiàn),實(shí)線所在位置即為零門實(shí)現(xiàn)功能的分界線,即: 當(dāng)間隙厚度確定時(shí),其縱坐標(biāo)值為零門實(shí)現(xiàn)功能的最小時(shí)間差Δt; 當(dāng)零門實(shí)現(xiàn)功能的最小時(shí)間差Δt確定時(shí),其橫坐標(biāo)值為零門實(shí)現(xiàn)功能的最大間隙厚度。

a.t=0.0 μsb.t=2.2 μsc.t=3.0 μs

d.t=4.1 μse.t=6.0 μs

圖6含圓形空氣隙改進(jìn)間隙零門實(shí)現(xiàn)功能的作用過程

Fig.6The action process of improved gap null gate with round air groove to achieve the function

a.t=0.0 μsb.t=0.7 μsc.t=2.2 μs

d.t=2.6 μse.t=3.9 μs

圖7含圓形空氣隙改進(jìn)間隙零門未實(shí)現(xiàn)功能的作用過程

Fig.7The action process of improved gap null gate with round air groove not to achieve the function

圖8含圓形空氣隙改進(jìn)零門的數(shù)值模擬結(jié)果

Fig.8Numerical simulation results of improved null gate with round air groove

此外,特別注意到,零門實(shí)現(xiàn)功能的最小時(shí)間差Δt(零門關(guān)閉時(shí)間)并不是隨著間隙厚度的增加線性增加,而是在間隙厚度1.1 mm時(shí)有一個(gè)大的跳躍,分析原因: 本設(shè)計(jì)的改進(jìn)零門的臨界間隙厚度在此間隙厚度附近,即當(dāng)零門間隙厚度L≥1.1 mm,無論起爆時(shí)間差多大,零門功能均不能實(shí)現(xiàn)。

3.3.2 零門間隙破壞程度及沖擊波壓力

對(duì)于爆炸邏輯零門而言,在固化裝藥工藝的前提下,間隙的厚度直接影響零門的破壞程度,從而決定著零門能否實(shí)現(xiàn)其關(guān)閉功能。不同間隙厚度下的零門破壞程度可通過三維數(shù)值模擬來呈現(xiàn),如圖9所示,仿真中提取5 μs時(shí)的破壞情況,此時(shí)爆轟沖擊過程已結(jié)束,零門不再繼續(xù)被破壞。

a.H=1.0 mmb.H=0.9 mmc.H=0.8 mm

d.H=0.7 mme.H=0.6 mm

圖9含圓形空氣隙改進(jìn)間隙零門破壞程度

Fig.9Damage degree of improved gap null gate with round air groove

從圖9可看出,間隙厚度越小,零門破壞程度越大。其因有二: 一方面,間隙厚度越小,零門的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越弱,易被破壞; 另一方面,間隙厚度減小,降低了對(duì)沖擊波的衰減作用,致使通過零門達(dá)到信息通道的沖擊壓力偏大,破壞作用增強(qiáng)。但從零門結(jié)構(gòu)的破壞程度來看,間隙厚度越小,越有利于零門關(guān)閉,然而,衰減后的殘余沖擊波是否會(huì)導(dǎo)致信息通道被殉爆,也是決定零門是否成功關(guān)閉的因素之一。

為此,以間隙厚度H=1.0 mm為例,分析間隙對(duì)控制通道沖擊波的衰減效應(yīng),提取爆轟波傳播路徑上中心單元的壓力歷程曲線,如圖10所示。從圖10可看出,控制通道裝藥形成穩(wěn)定爆轟波傳播到零門間隙,首先受到金屬鋁阻擋開始衰減,單元A、B、C的壓力峰值依次降低,再經(jīng)過空氣隙大幅衰減到達(dá)單元D,再次經(jīng)過金屬鋁的衰減,單元D、E、F的壓力峰值依次降低,最終達(dá)到信息通道裝藥單元G的沖擊波壓力為1.26 GPa,遠(yuǎn)小于溝槽裝藥的沖擊波起爆閾值6.45 GPa[9]。

通過一系列仿真,提取不同間隙厚度下,到達(dá)信息通道裝藥的G單元沖擊波的峰值,見表3。

從表3可看出,間隙厚度越小,通過間隙到達(dá)信息通道裝藥的沖擊波強(qiáng)度越大,但均低于網(wǎng)絡(luò)用藥的起爆閾值6.45GPa。由表中數(shù)據(jù)還可以預(yù)見,當(dāng)間隙厚度繼續(xù)減小時(shí),沖擊波強(qiáng)度勢(shì)必超過起爆閾值并產(chǎn)生殉爆,因此,間隙厚度并非越小越可靠,合理控制間隙厚度是決定零門能夠成功關(guān)閉的必由之路。

圖10含圓形空氣隙改進(jìn)間隙零門爆轟波傳播路徑上單元的壓力曲線

Fig.10Pressure curves of several elements in detonation wave propagation path of improved null gate with round air groove

表3到達(dá)信息通道裝藥時(shí)的沖擊波強(qiáng)度

Table3Shock wave intensity at the arrival of signal channel charge

H/mm1．00．90．80．70．6pmax/GPa1．262．443．264．615．89

Note:His the gap thickness;pmaxis the peak of shock wave pressure arrived at signal charge.

3.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及研究

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果,設(shè)計(jì)了如圖11所示的五組網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)件,每組試驗(yàn)件20個(gè),間隙厚度分別為0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1 mm,裝藥尺寸均為0.6 mm×0.6 mm,空氣隙的尺寸為Ф0.6 mm×0.6 mm; 結(jié)合爆炸網(wǎng)絡(luò)安全間距,約為10 mm[13],設(shè)計(jì)控制通道的長(zhǎng)度為10 mm。為提高單發(fā)測(cè)試元件實(shí)驗(yàn)的信息量,在每塊網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)件上設(shè)計(jì)了5個(gè)零門,通過固定控制通道長(zhǎng)度,調(diào)整信息通道長(zhǎng)度來控制信息通道與控制通道的傳爆時(shí)間差。綜合考慮網(wǎng)絡(luò)安全間距、裝藥工藝和約束螺釘?shù)认拗茥l件,設(shè)計(jì)信息通道的長(zhǎng)度分別為30,35,40,45,50 mm,根據(jù)裝藥爆速估計(jì)信息通道與控制通道時(shí)間差分別為2.5,3.0,3.5,4.0,4.5 μs。

圖11含圓形空氣隙改進(jìn)零門的爆炸網(wǎng)絡(luò)元件裝藥圖

Fig.11Charge photo of explosive network component of improved null gate with round air groove

對(duì)所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)件進(jìn)行發(fā)火試驗(yàn),零門正常作用下的爆炸效果圖如圖12所示。圖12中各信息通道零門輸出段(紅色框線內(nèi))溝槽未擴(kuò)展,僅由于爆轟振動(dòng)造成裝藥飛濺,說明信息通道爆轟傳播被阻斷,所有零門均實(shí)現(xiàn)功能。不同間隙厚度的改進(jìn)零門的試驗(yàn)結(jié)果見表4。

圖12爆炸零門實(shí)驗(yàn)基板作用效果圖

Fig.12Experimental basilar plate effect photo of explosive null gate

表4含圓形空氣隙改進(jìn)間隙零門試驗(yàn)結(jié)果

Table4Experimental results of improved gap null gate with round air groove

signaltimedifference/μsgapthicknessH/mm0．60．70．80．91．01．12．5202020201403．0202020201633．5202020201974．0202020202084．520202020208

參照仿真結(jié)果可將表4中的數(shù)據(jù)分為三部分: (1)成功區(qū)域,即間隙厚度L≤0.9 mm,信息通道與控制通道時(shí)間差Δt≥2.5 μs時(shí),零門均作用成功,符合仿真結(jié)果中間隙厚度L≤0.9 mm時(shí)零門關(guān)閉時(shí)間不超過0.9 μs的結(jié)論; (2)臨界區(qū)域,即以1.0 mm為臨界點(diǎn)構(gòu)成的過渡區(qū)域,信息通道與控制通道時(shí)間差Δt≤4.0 μs時(shí),開始出現(xiàn)部分失效,表明處于間隙厚度的臨界狀態(tài)時(shí)零門的關(guān)閉時(shí)間會(huì)快速增加,當(dāng)兩通道的設(shè)計(jì)時(shí)差不夠大時(shí)即會(huì)導(dǎo)致關(guān)閉失敗; (3)失效區(qū)域,間隙厚度超過1.1 mm時(shí),關(guān)閉時(shí)間的大幅延長(zhǎng)和沖擊波的過度衰減會(huì)明顯增加零門關(guān)閉失敗的概率。此外,對(duì)比仿真與試驗(yàn)結(jié)果還可以看出,間隙厚度為1.0 mm、Δt≥0.9 μs時(shí),仿真零門均成功作用,而實(shí)驗(yàn)中卻發(fā)生部分失效; 間隙厚度為1.1 mm、Δt≤3.0 μs時(shí),仿真零門均不能作用,而試驗(yàn)中卻有部分成功。究其原因,主要是因?yàn)樵跀?shù)值模擬中裝藥尺寸、裝藥密度以及零門其它特征參量是一個(gè)確定值,而實(shí)際機(jī)械加工和裝藥工藝不可避免地存在一定的散差,因此在臨界區(qū)域呈現(xiàn)出一定的差異性。因此,進(jìn)行爆炸零門設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇在成功區(qū)域,并盡量遠(yuǎn)離臨界點(diǎn),同時(shí)可以通過增加信息通道與控制通道的時(shí)間差,適度提高零門成功關(guān)閉的概率。

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)裝藥尺寸0.6 mm×0.6 mm、圓形空氣隙尺寸Ф0.6 mm×0.6 mm的爆炸改進(jìn)零門進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析表明: 間隙厚度越小,到達(dá)信息通道裝藥的沖擊波壓力越大,零門結(jié)構(gòu)破壞程度越高。在不超過網(wǎng)絡(luò)裝藥臨界起爆閾值的前提下,較小的間隙厚度有利于實(shí)現(xiàn)零門關(guān)閉功能。間隙厚度為0.6,0.7,0.8,0.9,1.0 mm時(shí),零門的關(guān)閉時(shí)間分別為0.5,0.5,0.6,0.7,0.9 μs。間隙厚度為1.1 mm,零門不能實(shí)現(xiàn)其功能。

(2)參照仿真結(jié)果進(jìn)行了部分試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果與仿真均符合較為一致的規(guī)律。當(dāng)間隙厚度小于1.0 mm,信息通道與控制通道傳播時(shí)間差Δt≥2.5 μs時(shí),零門均能夠?qū)崿F(xiàn)功能,通過加大試驗(yàn)量,可進(jìn)一步獲得零門關(guān)閉的最小時(shí)差。當(dāng)間隙厚度為1.0 mm時(shí),零門的可靠性時(shí)間窗口為[4.0 μs,+∞); 當(dāng)間隙厚度為1.1 mm時(shí),即使信息通道與控制通道傳播時(shí)間差大于4.0 μs,,零門的成功率依然較低。

(3)數(shù)值仿真能夠?yàn)楦倪M(jìn)零門的機(jī)理分析和參數(shù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo),但由于機(jī)械加工存在偏差等因素,確定性分析的數(shù)值仿真不能夠完全代替試驗(yàn),需進(jìn)一步優(yōu)化模型,開展零門關(guān)鍵參數(shù)隨機(jī)性的仿真分析研究。

參考文獻(xiàn):

[1] 周世罡, 李國(guó)新. 爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)起爆控制系統(tǒng)研究[J]. 火工品,1999(1): 19.

ZHOU Shi-gang, LI Guo-xin. Study on initiation control system of explosive logic network[J].Initiators&Pyrotechnics,1999(1): 19.

[2] 溫玉全. 剛性爆炸網(wǎng)絡(luò)若剛應(yīng)用研究[D]. 北京理工大學(xué)博士學(xué)位論文, 2000.

WEN Yu-quan. Study on several applications of explosive logic circuit[D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2000.

[3] 李翔宇,范國(guó)慶,王馬法,等. 一種基于拐角效應(yīng)的新型爆炸零門試驗(yàn)研究[C]∥第六屆全國(guó)爆炸力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 2010: 162-165.

LI Xian-yu, FANG Guo-qing, WANG Ma-fa, et al. Experimental study on a new explosive null gate base on corer effect[C] ∥ The ninth national academic symposium on experimental technology of explosive mechanics. 2010: 162-165.

[4] Meyers W H. On the design of explosive logic element[R]. LA-UR-84-392: 1984.

[5] Courser D L. Explosive means: USA, 3095812[P]. 1963.

[6] 羅華平, 黃亨建, 吳奎先, 等. 一種新型爆炸零門設(shè)計(jì)研究[J]. 含能材料, 2005, 13(增刊): 36-38.

LUO Hua-ping, HUANG Heng-jian, WU Kui-xian, et al. Study on a new explosive logic null gate [J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2005, 13(Suppl.): 36-38.

[7] 溫玉全, 盧斌, 焦清介. 改進(jìn)間隙式爆炸零門的設(shè)計(jì)及可靠性研究[J]. 火工品, 2001(4): 6-8.

WEN Yu-quan, LU Bing, JIAO Qing-jie. The design of improving gap null gate and its reliability study[J].Initiators&Pyrotechnics, 2001(4): 410-413.

[8] 黃海龍. 六分位爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及可靠性分析[D]. 北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2006.

HUANG Hai-long. The design and reliability analysis of six partite explosive logic circuit[D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2006.

[9] 李燕華, 李元, 李曉剛, 等. 一種間隙弱化爆炸零門的仿真和試驗(yàn)[J].含能材料, 2016, 24(10): 1005-1010.

LI Yan-hua, LI Yuan, LI Xiao-gang, et al. Numerical simulation and experiment studies on weak gap explosive null gate[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2016, 24(10): 1005-1010.

[10] 楊秀敏. 爆炸沖擊現(xiàn)象數(shù)值模擬[M]. 合肥: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社, 2010.

YANG Xiu-min. Numerical simulation of explosion shock[M]. Hefei: China University of Science and Technology Press, 2010.

[11] Tarver C M, Urtiew P A, Chidester S K, ea.tl. Shock compression and initiation of LX-10[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics, 1993(18): 117-127.

[12] 朱志武, 寧建國(guó). Johnson-Cook沖擊動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型研究[C]∥2011年全國(guó)塑性力學(xué)會(huì)議論文集, 2011: 71-72.

ZHU Zhi-wu,NING Jian-guo. Study on Johnson-Cook impact dynamic constitutive model[C]∥The 2011 National Academic Symposium on Plastic Mechanics, 2011: 71-72.

[13] 李曉剛. 定向起爆用爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的若干研究[D]. 北京理工大學(xué)博士學(xué)位論文, 2008.

LI Xiao-gang. Study on explosive logic network technology for directional initiation[D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2008.