蔣 俊，嚴(yán) 楠，鮑丙亮

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工業(yè)雷管輸出壓力測(cè)試及數(shù)值模擬研究

蔣 俊，嚴(yán) 楠，鮑丙亮

（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）

為定量評(píng)價(jià)工業(yè)雷管的輸出威力，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，得到了某型雷管的爆壓。針對(duì)在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的信號(hào)干擾問(wèn)題，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，獲得了較清晰的測(cè)試結(jié)果曲線。此外，通過(guò)AUTODYN軟件的JWL狀態(tài)方程來(lái)描述雷管底部裝藥的爆轟過(guò)程，將得到的輸出壓力值與試驗(yàn)值進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)值偏差為3.51%，說(shuō)明數(shù)值模擬方法可用于工業(yè)雷管爆轟成長(zhǎng)過(guò)程研究。

工業(yè)雷管；壓力；錳銅壓阻；數(shù)值模擬

雷管是工程爆破中的重要起爆元件，它的作用是將初始刺激能量轉(zhuǎn)化為爆轟能量，進(jìn)而引爆炮孔中的下一級(jí)裝藥。因此對(duì)工業(yè)雷管底部爆轟壓力的測(cè)量，是評(píng)價(jià)雷管裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的有效手段。傳統(tǒng)的測(cè)量雷管爆轟輸出威力的方法是直接法，如鉛板法、鋼凹痕法等，主要用于雷管定性的質(zhì)量檢測(cè)。在定量檢測(cè)方面，錳銅壓阻法是一種現(xiàn)行測(cè)量雷管底部爆轟輸出壓力的常用方法，它能夠定量地評(píng)估雷管的爆轟輸出威力。

國(guó)內(nèi)外運(yùn)用錳銅壓阻法對(duì)雷管底部的爆轟輸出特性進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。20世紀(jì)60年代，Keough、Voreck[1-2]先后研究了錳銅壓阻傳感器應(yīng)用于炸藥的動(dòng)高壓測(cè)量，該技術(shù)在原理上也可用于雷管輸出測(cè)量。20世紀(jì)80年代，戴實(shí)之等人[3]提出了一種用錳銅壓阻法獲得雷管底部輸出爆壓的方法，該方法根據(jù)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)到的雷管輸出爆轟波與其底部隔板介質(zhì)表面相互作用的壓力峰值，經(jīng)過(guò)一系列的理論推導(dǎo)，得到雷管本身的輸出爆壓值。1996年，王翔等人[4]分析了幾種常用的恒流供電錳銅壓阻測(cè)量方法，討論了這些測(cè)試方法的特點(diǎn)和不足，提高了壓力測(cè)量的精度，把小阻值錳銅壓力計(jì)的測(cè)量范圍向低端擴(kuò)展到0.17 GPa。1997年，伊芳等人[5]用錳銅傳感器測(cè)量了鈍感炸藥的爆壓，發(fā)現(xiàn)傳感器的現(xiàn)場(chǎng)安裝和存貯示波器的操作對(duì)測(cè)量有影響，但不影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。2000年，路光明等人[6]利用錳銅壓阻法對(duì)雷管內(nèi)部不同截面處的爆壓進(jìn)行了測(cè)量，對(duì)傳統(tǒng)的爆壓測(cè)試裝置進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，得到了雷管內(nèi)部的爆轟成長(zhǎng)。2003年，侯素娟等人[7]利用壓力傳感器測(cè)量雷管爆炸時(shí)的動(dòng)態(tài)輸出特性，以沖量、沖擊波峰值壓力等物理參數(shù)來(lái)定量表征雷管輸出威力，系統(tǒng)在測(cè)量雷管輸出過(guò)程中具有良好的穩(wěn)定性。2003年，王惠娥等人[8]對(duì)錳銅壓阻法測(cè)雷管底部輸出爆壓的原理及實(shí)驗(yàn)中要注意的事項(xiàng)進(jìn)行了分析說(shuō)明，指出如果能解決好恒流脈源與雷管作用之間的同步性匹配問(wèn)題，在動(dòng)態(tài)測(cè)量法中采用錳銅壓阻法是可取的。

為了提高雷管爆壓測(cè)試的可靠性，本文在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將錳銅壓阻法應(yīng)用于工業(yè)8#雷管的測(cè)量當(dāng)中，對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)；并通過(guò)AUTODYN 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對(duì)雷管底部的爆轟輸出壓力進(jìn)行了精確測(cè)定，提高了測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性，以滿(mǎn)足工業(yè)雷管的測(cè)試需求，為相關(guān)研究人員提供了有價(jià)值的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)原理與測(cè)試裝置改進(jìn)

1.1 試驗(yàn)原理

錳銅箔受壓時(shí)，電阻隨所受壓力的增加而增大。將錳銅箔制作的錳銅壓力計(jì)置于被測(cè)試樣與保護(hù)介質(zhì)中間，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中錳銅壓力計(jì)受爆轟波壓力的沖擊作用引起的電阻變化，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理求出試樣的爆壓。電阻變化是通過(guò)對(duì)錳銅壓力計(jì)通以恒流，然后測(cè)試其電壓變化而得到的[9]。

在北京理工大學(xué)黃正平老師所設(shè)計(jì)的壓力測(cè)試系統(tǒng)[10]的基礎(chǔ)上，本文所用的工業(yè)8#雷管底部爆轟壓力測(cè)試系統(tǒng)由以下幾部分組成：MH4E型4通道高速同步脈沖恒流源、小型爆炸容器、TDS7104數(shù)字存儲(chǔ)示波器、兩頭帶Q9插頭阻抗為50Ω的同軸電纜、三通、50Ω的匹配電阻、雷管套筒、有機(jī)玻璃保護(hù)片、有機(jī)玻璃承壓塊和H型錳銅壓阻傳感器。測(cè)試系統(tǒng)的裝配示意圖如圖1所示。

圖1 爆炸測(cè)試裝置裝配示意圖

H型錳銅壓阻傳感器如圖2所示，傳感器敏感部分面積為0.5mm×1mm，厚度為10μm，絕緣膜封裝；恒流源電流恒定度：不低于1%；電壓測(cè)量精度：高于10mV時(shí)相對(duì)誤差不大于2.5%；埋入有機(jī)玻璃中的響應(yīng)時(shí)間：10ns。其標(biāo)定曲線是：

式（1）~（2）中：P只是經(jīng)過(guò)保護(hù)介質(zhì)衰減后的壓力，再根據(jù)沖擊波在有機(jī)玻璃中的衰減規(guī)律就可以得到保護(hù)介質(zhì)表面處的入射壓力。

沖擊波在有機(jī)玻璃中的衰減規(guī)律[11]：

式（3）中：為有機(jī)玻璃片的厚度，mm；為入射有機(jī)玻璃片深度處的沖擊波壓力峰值，GPa；P為沖擊波在有機(jī)玻璃表面處的入射壓力峰值，即雷管底部的爆轟壓力，GPa；為雷管中的猛炸藥裝藥直徑，mm。

GJB 772A-97的方法704.2指出[12]：在測(cè)量固體炸藥爆壓時(shí)，脈沖恒流源的輸出電流大于8A，在10μs內(nèi)，電流的不恒定度小于1%，脈沖寬度不大于200 μs，恒流建立時(shí)間不大于2 μs，內(nèi)阻50 Ω；示波器帶寬1 GHz，采樣速率不低于1×108bit/s，記錄時(shí)間大于10 μs。因此在進(jìn)行雷管的輸出測(cè)量時(shí)，根據(jù)國(guó)軍標(biāo)的要求，選用國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利產(chǎn)品MH4E高速同步脈沖恒流源為錳銅傳感器的供電裝置。它的最大恒流值為9A，10μs內(nèi)恒流值的變化不大于1%，脈沖寬度不大于200 μs，恒流建立時(shí)間不大于2 μs，內(nèi)阻50 Ω，滿(mǎn)足國(guó)軍標(biāo)的要求。另外，它有4個(gè)輸出通道，可以同時(shí)給多個(gè)錳銅傳感器供電；從觸發(fā)信號(hào)輸入到輸出電流達(dá)到恒定的時(shí)間僅為0.4μs，有利于捕獲需要微秒級(jí)或亞微秒級(jí)快速同步的壓力模擬信號(hào)。

1.2 測(cè)試裝置的改進(jìn)

3.觀察內(nèi)容。觀察撈子內(nèi)蝦苗數(shù)量，根據(jù)多次捕撈的情況判斷蝦苗數(shù)量的多少。觀察蝦苗的規(guī)格、體型、體色、活力等，判斷蝦苗的生長(zhǎng)情況。

與前人不同，本研究的測(cè)試裝置所用套筒為特制的硬鋁材料，其高度與雷管內(nèi)猛炸藥裝藥高度相同，觸發(fā)探針采用Φ0.1~0.2mm的高強(qiáng)度漆包線，插在雷管和套筒之間，麻花結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度與套筒高度相同，這樣能較好地避免傳感器在雷管內(nèi)部猛炸藥形成穩(wěn)定爆轟之前誤觸發(fā)。爆炸容器最下方粘有1個(gè)Φ25~35mm、厚10mm有機(jī)玻璃承壓塊，上方粘有錳銅壓阻傳感器，傳感器上粘有1個(gè)與承壓塊直徑相同、厚1mm的有機(jī)玻璃墊片作為保護(hù)介質(zhì)，以減少?zèng)_擊波通過(guò)不同介質(zhì)時(shí)的反射現(xiàn)象，使所測(cè)壓力值更加接近實(shí)際情況[11]。

對(duì)恒流源脈沖寬度進(jìn)行調(diào)整，給H型錳銅傳感器供電的通道，脈沖寬度應(yīng)該選用200μs的位，太小會(huì)捕捉不到有效的壓力信號(hào)，太大則會(huì)對(duì)傳感器的敏感區(qū)造成損壞。給雷管供電的通道應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)品的發(fā)火參數(shù)選擇一個(gè)可靠發(fā)火的脈寬。恒流源的觸發(fā)方式選擇，可以根據(jù)被測(cè)元件作用時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)選擇不同的方式觸發(fā)恒流源，給出供電信號(hào)。若作用時(shí)間短，在50μs以?xún)?nèi)，可以選用同步觸發(fā)的方式給傳感器和發(fā)火元件供電。本研究中所測(cè)雷管為工業(yè)基礎(chǔ)8#雷管，作用時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，必須通過(guò)一個(gè)外部的觸發(fā)信號(hào)（即探針）接入恒流源的觸發(fā)輸入端，來(lái)控制給傳感器供電的時(shí)刻。

當(dāng)待測(cè)雷管發(fā)火斷橋后，恒流源仍然在給雷管兩端供電，恒流源內(nèi)電壓全部加載在雷管兩端。因此，雷管引爆后的反應(yīng)區(qū)物質(zhì)在高壓電場(chǎng)作用下發(fā)生振蕩式導(dǎo)通，使脈沖點(diǎn)火電信號(hào)上疊加一個(gè)大幅度的電壓振蕩信號(hào)，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈電磁場(chǎng)輻射。當(dāng)這樣強(qiáng)的電磁信號(hào)疊加在壓力信號(hào)上時(shí)，必然會(huì)對(duì)壓力信號(hào)造成干擾。針對(duì)這種干擾機(jī)理，以減小發(fā)火電壓為改進(jìn)原則，對(duì)發(fā)火電源部分進(jìn)行了改進(jìn)，既在原系統(tǒng)發(fā)火通路中雷管兩端并聯(lián)1個(gè)5Ω左右的電阻，如圖3所示。電路中雷管電阻約為2Ω，當(dāng)同步脈沖恒流源觸發(fā)，雷管發(fā)火斷橋后，電橋電阻為∞，由于電橋線路兩端并聯(lián)了一個(gè)電阻，減小了雷管兩端的電壓，從而減小了雷管通路的電壓信號(hào)波動(dòng)，避免了發(fā)火通路對(duì)傳感器采集通路的影響，保證了傳感器信號(hào)的無(wú)干擾。測(cè)試系統(tǒng)連接實(shí)物圖如圖4所示。

圖3 改進(jìn)的測(cè)試系統(tǒng)連接示意圖

圖4 測(cè)試系統(tǒng)連接實(shí)物圖

在測(cè)試過(guò)程中，記錄傳感器波形并分析，發(fā)現(xiàn)壓力下降沿信號(hào)會(huì)被干擾甚至被覆蓋。其原因主要是雷管兩端有較高的電壓瞬變，它產(chǎn)生電磁輻射，并作用在附近的傳感器回路上，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)疊加在動(dòng)態(tài)高壓信號(hào)上。因此，在傳感器與示波器中串聯(lián)1個(gè)50Ω的電阻，以消除感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響，從而消除雜波干擾。圖5是典型的測(cè)試信號(hào)。圖5中△即是爆轟波壓力作用在傳感器上因電阻變化而引起的電壓變化。當(dāng)爆轟波傳至傳感器上時(shí)，傳感器首先出現(xiàn)一個(gè)接近直線的電壓躍變，這就是壓阻信號(hào)；根據(jù)△和的值，由傳感器的標(biāo)定公式即可得到?jīng)_擊波壓力。圖6為實(shí)驗(yàn)得到的——曲線，其中曲線1為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較強(qiáng)時(shí)雜波干擾較大的曲線，其余為消除感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)影響后的曲線。

圖5 錳銅傳感器輸出的典型記錄波形

圖6 雷管輸出壓力測(cè)試U——t曲線

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

ANSYS AUTODYN是一種顯式非線性動(dòng)力分析軟件，可以對(duì)固體、流體和氣體的動(dòng)態(tài)特性及它們之間相互所用進(jìn)行分析，非常適用于爆炸與沖擊問(wèn)題的計(jì)算[13]。本文采用AUTODYN軟件中的流固耦合算法來(lái)模擬雷管底部RDX炸藥的爆轟成長(zhǎng)與能量傳遞過(guò)程。計(jì)算中采用二維軸對(duì)稱(chēng)模型，在雷管底部管殼中心位置上設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，記錄沖擊波壓力并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。

圖7 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 材料模型

本研究中涉及的材料包括RDX炸藥、約束殼體、有機(jī)玻璃、聚酰亞胺薄膜、空氣。試驗(yàn)中直接測(cè)量的是經(jīng)過(guò)保護(hù)介質(zhì)（有機(jī)玻璃、聚酰亞胺薄膜）衰減后的壓力，根據(jù)沖擊波在有機(jī)玻璃中的衰減規(guī)律可以推算出保護(hù)介質(zhì)表面處的入射壓力。因此，為了簡(jiǎn)化材料模型，只需選取RDX炸藥、約束殼體，得到殼體底部中心位置的壓力，并與試驗(yàn)所得的保護(hù)介質(zhì)表面處的入射壓力進(jìn)行對(duì)比。

2.2.1 雷管主裝藥

試驗(yàn)中所用的工業(yè)8#雷管輸出藥為RDX裝藥，在計(jì)算中以JWL狀態(tài)方程來(lái)描述其描述產(chǎn)物的膨脹過(guò)程：

式（4）中：為爆轟產(chǎn)物的壓力；為相對(duì)體積；為比熱力學(xué)能；A，B，R1，R2和ω是用圓筒實(shí)驗(yàn)的擬合常數(shù)。取值見(jiàn)AUTODYN材料庫(kù)[13]。

2.2.2 約束殼體

為了準(zhǔn)確描述材料在高壓狀態(tài)下的狀態(tài)，采用沖擊狀態(tài)方程來(lái)描述材料的狀態(tài)方程：

式（5）中：u和u分別為固體介質(zhì)沖擊波速度和波陣面上的粒子速度；0為介質(zhì)彈性波速；s為實(shí)驗(yàn)常數(shù)。對(duì)于約束殼體硬鋁來(lái)說(shuō)，0為0.532 8cm·μs-1，s為1.338[14]。已知材料的雨貢紐參數(shù)，則可借助沖擊波的質(zhì)量和動(dòng)量關(guān)系得到相應(yīng)的狀態(tài)方程[14]。

2.2.3 空氣

歐拉網(wǎng)格中填充的空氣用理想氣體狀態(tài)方程描述為：

（6）

式（6）中：為絕熱指數(shù)，對(duì)于理想氣體，=1.4；為密度，空氣的初始密度為0.001 225g·cm-3，初始?jí)毫?×105Pa；g為氣體比內(nèi)能。

3 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

利用H型錳銅壓阻傳感器，測(cè)試了隨機(jī)抽取的8發(fā)同一批次8#雷管底部沖擊波壓力，得到了沖擊波經(jīng)過(guò)1mm有機(jī)玻璃板后的壓力值，根據(jù)衰減公式計(jì)算出保護(hù)介質(zhì)表面處，即雷管底部中心處的壓力。通過(guò)AUTODYN軟件模擬了8#雷管底部的爆轟成長(zhǎng)過(guò)程。圖8是設(shè)置的觀測(cè)點(diǎn)得到的典型壓力曲線，可得峰值點(diǎn)的壓力值為19.74GPa。表1是數(shù)值模擬和試驗(yàn)值的對(duì)比結(jié)果，從表1中可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)值偏差較小，為3.51%，說(shuō)明采用數(shù)值模擬方法來(lái)計(jì)算雷管底部裝藥的爆轟成長(zhǎng)過(guò)程是可靠的。

表1 數(shù)值模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較

圖8 數(shù)值模擬典型壓力曲線

4 結(jié)論

本研究在前人錳銅壓阻感器法的基礎(chǔ)上，對(duì)試驗(yàn)裝置的搭建進(jìn)行了補(bǔ)充優(yōu)化，分析了測(cè)量過(guò)程中易出現(xiàn)的干擾信號(hào)問(wèn)題，提供了簡(jiǎn)單易行的解決方案，較好地解決了恒流脈源與雷管作用之間的同步性匹配問(wèn)題。此外，通過(guò)AUTODYN軟件對(duì)雷管底部爆轟過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了雷管底部中心位置的壓力變化曲線和峰值壓力，并與試驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值偏差為3.51%，說(shuō)明采用數(shù)值模擬方法計(jì)算工業(yè)雷管底部的爆轟成長(zhǎng)過(guò)程是可靠的，對(duì)工業(yè)雷管輸出威力的定量評(píng)價(jià)有實(shí)際意義。

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Experiment and Numerical Simulation Research on Measuring the Detonation Pressure of Industrial Detonator

JIANG Jun，YAN Nan，BAO Bing-liang

(State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing,100081)

In order to quantitatively evaluate the output power of industrial detonator, a combination of experiment and numerical simulation method was used to get the detonation pressure of industrial detonator. In view of the signal interference in the process of testing, the test system has been improved so as to get clear curves of the measurement. The commercial software AUTODYN was employed to simulate the detonation process which was described by JWL equation of state. The obtained pressure was compared with that from experimental data. The results show that the deviation of the numerical simulation results with the experimental values ??is 3.51%, indicating that the numerical simulation method can be used to study detonation growth process of industrial detonator.

Industrial detonator；Pressure；Manganin piezo-resistance method；Numerical simulation

1003-1480（2017）02-0001-05

TJ450.6

A

2016-11-15

蔣?。?991 -），男，在讀碩士研究生，主要從事工業(yè)雷管發(fā)火模塊起爆性能研究。