露天爆破中炸药单耗对岩石破碎块度的数值模拟研究

露天爆破中岩石破碎块度是钻爆、铲装、运输及后续工艺等综合成本的主要衡量标准,炸药单耗是其主要影响因素,而炸药单耗对破碎块度的研究一般采用爆破模型试验,但其存在成本高、试验结果误差大等缺点.为了优化炸药单耗来降低爆堆的大块率、平均块度,并预测实际工程块度,在爆炸破岩理论基础上,运用基础力学测试设备对模型材料进行了单轴抗压、弹性模量、断裂韧度等测试,标定RHT本构模型参数,通过LS-DYNA数值仿真软件和粒子流算法(SPH)构建了三维露天台阶爆破数值仿真模型,首次对爆破破岩数值模拟结果实现块度精准统计,并对爆破破岩块度随炸药单耗的变化规律开展了系统研究.研究结果表明:炸药单耗在0.23~0.79 kg·m^(-3)范围内,岩块最大尺寸均小于240 mm,其变化区域分为240、220、140 mm三个最大块度相近区和240~220 mm、220~140 mm两个明显下降区;随单耗增加,均匀性指数n呈波浪式减小,分形维数D与n的变化趋势相反,平均块度尺寸呈现先快速下降后缓慢变化的趋势;炸药单耗的块度分布拟合曲线采用G–G–S函数拟合,相关系数均在0.91~0.97间,其变化规律验证了通过SPH法来模拟岩石爆破和岩石破碎块度统计方法的可行性和准确性.研究结果对爆破破碎块度分布规律的完善及块度控制工程具有一定的意义.

含孔洞炸药晶体HMX冲击响应的分子动力学模拟

动载荷下炸药晶体缺陷与热点形成的关联是当前含能材料领域的研究热点之一,理解热点形成机制及其对炸药起爆和感度的影响对于炸药安全性评估和研制安全弹药至关重要。本研究采用ReaxFF反应力场和分子动力学方法,对含圆柱形孔洞的炸药单晶奥克托金(HMX)在冲击载荷下的动态响应进行了研究,并探究了孔洞尺寸和双孔洞的影响。结果表明,冲击载荷下孔洞的塌缩过程分为3个阶段,即孔洞上游的塑性变形、上游原子向孔洞中心和下游运动形成流动原子、流动原子与下游碰撞。热点形成的主要机制是流动原子与下游碰撞使得动能转换为热能导致温度快速升高。热点的高温诱发了局部化学反应,HMX分子中N─NO2键断裂生成NO2是主要的初始反应机制。圆柱形孔洞的塌缩过程和热点形成机制与球形孔洞是相似的,但圆柱形孔洞的汇聚效应更弱、形成的流动原子速度更低,导致热点温度显著降低、化学反应更弱。此外,圆柱形孔洞在塌缩过程中在其周围形成了剪切带,这在球形孔洞中没有出现。随着孔洞尺寸的增大,流动原子的速度提高、剪切带变宽、热点温度升高且面积增大,进而引发了更剧烈的化学反应。对于沿冲击方向排布相距一个孔洞半径的双孔洞,孔洞塌缩过程与单孔洞是类似的,但由于冲击波在传过上游孔洞后压力有所降低,导致下游孔洞在塌缩过程中形成的流动原子速度更小、热点温度更低。本研究有助于深入理解晶体缺陷对炸药热点形成与起爆机理的作用,为宏观理论建模提供物理机制与规律认识。

非理想炸药水中爆炸载荷相似律数值仿真

为研究不同尺度非理想炸药水中爆炸载荷的相似性,采用LS-DYNA软件的S-ALE算法,构建了基于JWL-Miller状态方程描述的非理想炸药水中爆炸载荷数值计算模型;利用典型试验数据对计算模型参数进行了标定,匹配设置了典型RDX基非理想炸药的JWL-Miller状态方程参数;通过不同尺度炸药在不同水域环境条件下的爆炸过程模拟,分析了爆炸载荷特征参数的相似性。结果表明,影响非理想炸药水中爆炸冲击波压力峰值相似律的主要因素是其自身的非理想特性;水域环境因素(如自由面及静水压力梯度等)会对气泡脉动周期与半径的相似律产生较大影响。对于15%允许误差范围的工程仿真而言,0.53~5.30 m/kg 1/3比例距离(约10~100倍炸药半径)范围内,非理想炸药自由场水中爆炸载荷参数相似律可近似满足,与理想炸药的相似律特征基本一致,工程可用。基于JWL-Miller状态方程统一参数描述的非理想炸药默认其后燃反应是稳定且完全的。在实际中,由于水下非理想炸药受到复杂的化学反应动力学的控制,几何尺寸效应仍有可能导致非理想成分释能过程的较大差异,因此,精细化数值仿真需要针对不同比例距离或不同尺度模型来匹配不同的Miller模型参数,爆炸载荷相似律也可能在更有限的尺度范围内成立。

氢化镁型氢能炸药的试验研究

为探究氢化镁在爆炸反应不同时期的反应规律,将氢化镁与锑黑炸药按照多种比例混合,利用水下爆炸试验测试了混合炸药的爆炸性能,分析了不同密度氢化镁对冲击波峰值超压、冲量、比冲击波能和比气泡能的影响:与高能炸药混合,氢化镁在爆炸过程中的反应进程靠后,对爆炸的峰压提升有限,但对冲量、比冲击波能和比气泡能提升显著,最多分别高达31.5%、30.5%和68.1%。为解决混合炸药中氢化镁反应进程靠后、分解产物易被抛散和氧竞争的问题,设计了以氢化镁作为主装药的试验并计算出一定密度氢化镁通过爆炸反应放出的能量,密度为0.14 g/cm^(3)的氢化镁比冲击波能比RDX高90%,比气泡能比RDX高426.1%。此外,通过改变氢化镁的密度,爆炸反应前中期的性能参数提升,爆炸反应后期的参数略有下降,表明可以通过改变氢化镁的密度提高爆炸性能,优化能量结构,氢化镁型氢能炸药具有较高的能量和广阔的应用前景。

纳米铝粉在炸药中的应用研究进展及趋势

铝粉是火炸药行业中最常用的金属燃料。相比微米铝粉,纳米铝粉的比表面积、反应活性和反应完全性都高得多。因此,将纳米铝粉应用于炸药中,无疑将改善炸药的反应完全性,增加炸药威力,提高弹药的毁伤效能。本文系统综述了纳米铝粉对爆轰性能、安全性能、工艺性能等多种炸药性能的影响。就爆轰性能而言,纳米铝粉可以提高混合炸药几乎所有的爆轰参数,包括爆速、爆热、空中爆炸的冲击波超压峰值、水下爆炸的总能量、燃料空气炸药的爆炸压力峰值和爆炸压力上升速率、金属加速能力、纵火能力、作功能力及猛度等,可以全方位提高混合炸药的毁伤效果。但是,由于部分研究者选用的纳米铝粉有效铝含量差异较大,常常得出不同的结论。就安全性能而言,纳米铝粉的引入提高了混合炸药的撞击感度、摩擦感度、冲击波感度、热感度等,显著降低了炸药的点火能,并且对常用炸药(如TNT、RDX、HMX、CL-20、NG、TATB等)热分解有促进作用,导致纳米炸药的引入对混合炸药的安全性能有不利影响;就工艺性能而言,在浇注固体炸药体系中,纳米铝粉增加了浇注固体炸药体系的粘度,降低了压装炸药体系中炸药药柱的密度,纳米炸药的引入恶化了混合炸药的工艺性能。本文指出,由于纳米铝粉的比表面积大、反应活性高,从制备到储存的各个环节极易氧化,造成纳米铝粉的有效铝含量急剧降低,是部分研究者得到错误结论的一个重要原因。因此,应深入研究纳米铝粉的制备方法和存储条件,使纳米铝粉在炸药中充分发挥效能。

HMX基高聚物粘结炸药界面增强的粒径效应

为研究炸药晶体粒径对高聚物粘结炸药(PBX)力学性能及界面增强效果的影响规律,以4种不同粒径HMX(160μm,60μm,25μm和150 nm)为主体炸药,氟树脂为粘结剂,中性聚合物键合剂为界面增强剂,制备了8种HMX基PBX。采用压缩应力应变试验、巴西试验分别获得8种PBX在常温(20℃)和高温下(60℃)的压缩和拉伸力学性能,采用动态热机械分析仪的三点弯曲模式获得储能模量和力学损耗因子,采用扫描电镜对PBX断面进行表征。结果表明,PBX的压缩强度和拉伸强度随HMX粒径的减小而增大,纳米HMX在力学增强方面具有很好的效果。20℃以纳米HMX为基的PBX-nano压缩强度和拉伸强度可分别达到61.3 MPa和5.7 MPa,较以160μm HMX为基的PBX-L可分别提高73.1%和63.5%。添加中性聚合物键合剂后,不同粒径的HMX基PBX压缩力学强度和拉伸力学强度均得到提高,纳米HMX的增强效应尤其显著,PBX-nano-M在20℃和60℃下的拉伸强度分别可达10.4 MPa和5.8 MPa,较PBX-nano可分别提高82.6%和101.4%。当HMX平均粒径从百微米减小至百纳米,炸药件发生界面脱粘/损伤乃至断裂所需的断裂功越大,拉伸力学强度提升幅度越大。

炸药模拟裂纹宽度的CT检测与测量分析

炸药作为武器系统的核心部件,其内部结构质量直接关系到武器系统的可靠性,目前CT技术已被用于炸药试件的内部质量检测与评价研究,特别用于炸药试件内部裂纹的定性与定量分析中。然而选择不同的检测工艺参数会造成CT图像质量的变化,直接影响到后续定量表征的精度。通过在炸药试件表面加工不同宽度的标准尺寸线槽,再将其与相同规格的炸药试件对粘,以实现在炸药试件内部预制标准尺寸裂纹的目的。然后,改变检测参数与工艺条件,得到不同检测参数对试件裂纹宽度测量精度的影响规律,分析讨论了CT测量炸药试件(如尺寸小于10 mm的始发药等)裂纹宽度的最佳检测工艺条件。

退役单基药制备工业粉状炸药的研究

为了充分再利用退役单基药,通过浸水、粉碎和烘干将9/7型单基药颗粒制备成单基药粉,并采用乳化石蜡对其进行降感处理,获得了一种工业粉状钝感炸药,测试了单基药粉含水量、单基药粉粒度和乳化石蜡含量对工业粉状炸药机械感度和起爆性能的影响。结果表明:该炸药的撞击感度(h50)为141.2 cm,摩擦感度为20%~24%,爆速为3763~6200 m·s^(-1)(装药密度为0.85~1.38 g·cm^(-3)),殉爆距离为7 cm,七日吸湿量为0.3%~1.6%,其综合性能优于2号岩石铵梯炸药;炸药含水量宜控制在5%~7%;单基药粉粒度在40目以上、乳化石蜡含量在5.0%以下时,炸药才能完全爆轰;3批工业粉状炸药的性能数据偏差都在工业炸药允许的偏差范围之内,表明其生产工艺稳定性较好。

升温速率对JEO炸药烤燃响应特性的影响

为研究JEO炸药(3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)/奥克托今(HMX)/添加剂)的烤燃响应特性,设计了炸药烤燃多点测温-测压实验系统,开展了5℃·min^(-1)和2℃·min^(-1)2种升温速率下的JEO炸药烤燃实验,获得了点火时间、点火温度、不同位置处炸药的温度历程和装置内部的压力历程,分析了升温速率对JEO炸药烤燃温度、压力变化和反应剧烈程度的影响。在实验研究的基础上,采用考虑压力对炸药热分解反应影响的炸药烤燃多相流物质输送模型,使用Fluent软件对不同升温速率下JEO炸药的烤燃热分解过程进行了数值模拟研究。研究结果表明,JEO炸药热分解反应在相变前较为缓慢,相变后反应速率加快,炸药温度升高加快、压力呈指数增长,直至点火,JEO炸药的点火温度约为220℃,在本实验的约束条件下响应等级为爆燃,具有良好的热安全性;随着升温速率的降低,JEO炸药的点火时间变长,点火位置由装药边缘移向中心,反应剧烈程度增加;点火前的热分解过程中只有少部分炸药发生了反应,大部分炸药在点火后的燃烧阶段发生反应。

气流对飞秒激光加工炸药装药过程的热安全性影响分析

由于炸药具有热传导系数小、对温度极其敏感的特点,在使用多脉冲飞秒激光对其进行持续加工时,极有可能在炸药内形成热累积,从而导致点火、燃烧等危险事件的发生。为了降低激光加工材料过程中的热效应,人们普遍采取在材料加工表面施加气流的方法。为了研究加载气流条件下,炸药装药在飞秒激光作用下产生的烧蚀产物的运动规律以及炸药装药内部的温度变化,建立了加载气流条件下飞秒激光加工炸药装药过程的二维流固耦合计算模型,对在单侧、双侧不同入射角度的亚音速气流作用下,飞秒激光加工奥克托今(HMX)炸药装药的过程进行了数值模拟计算。计算结果表明:单侧气流会在炸药加工表面形成漩涡流,导致烧蚀气体产物在炸药表面做旋转运动,加重了烧蚀产物对炸药的热影响;双侧气流会在远离炸药加工表面的地方形成较大的漩涡流,从而使烧蚀气体产物迅速离开炸药加工表面,有效降低了炸药的温度,提高了飞秒激光加工炸药装药过程的安全性。

多级柱面炸药内爆磁通量压缩技术研究

柱面内爆磁通量压缩发生器是利用炸药内爆压缩其内部磁通量至轴线附近小体积内从而实现超高磁场,传统的单级装置因受到金属套筒内爆失稳等影响性能指标受限。开展了多级内爆磁压缩技术研究,突破多项关键技术,包括研制特殊结构的密绕螺线管、脉冲功率源及大电流放电开关等,具备在直径135 mm套筒空间内实现20 T以上初始磁场产生能力,并建立了动态磁光测量系统。利用磁流体力学编码SSS-MHD开展多级装置设计,计算显示,设计的多级装置能够将约42%的初始磁通量压缩至轴线附近直径7 mm的空间内。最终研制成功多级内爆磁压缩装置CJ-150,在亚立方厘米以上空间实现轴向峰值磁场强度906 T,数据不确定度5.35%。10余发动态考核实验显示,CJ-150装置工作稳定,能够满足物理实验需要。利用经实验验证的磁流体模型计算显示,CJ-150具备1000 T以上超强磁场产生能力,能够对大尺寸样品实现500 GPa以上的准等熵加载。

PBX炸药缝隙挤压加载下的破裂模式及点火响应

武器装药服役过程中内部容易产生缝隙等结构弱环。针对圆形缝隙开展PBX-3炸药及其模拟材料缝隙挤压加载实验。通过结构设计,使样品内部的宏观裂纹在实验结束后的拆卸过程中不发生破坏,保留裂纹原始形貌以便于观测分析。采用45°镜反射成像结合高速摄影,记录样品缝隙挤压的动态全过程。采用欧拉-拉格朗日耦合方法对炸药缝隙挤压过程进行仿真计算,用未点火情况下的实验数据进行模型参数校核,使用校核后的模型对点火情况进行再计算。基于做功和加热增加物体内能的等效性,对主导点火机制和点火时间进行分析。研究结果表明:缝隙挤压加载下样品内部形成滑移区和死区,两区分界面为锥面;对于φ0.8 mm直径的缝隙,强围压下挤压速度仅4.2 m/s即可导致点火,点火后的燃烧反应烈度随缝隙尺寸的减小而增加;数值模拟得到的挤压应力、速度及破裂模式与实验结果符合较好,滑移区与死区之间的挤压摩擦功率高达数千W/cm^(2),点火时间为百μs量级,引发点火的重要机制是滑移区-死区界面的挤压摩擦温升。

多脉冲飞秒激光切割加工炸药装药过程的热响应

为分析多脉冲飞秒激光切割加工炸药过程的安全性,建立多脉冲飞秒激光切割加工炸药装药的二维数值计算模型,对飞秒激光切割加工HMX、TATB、RDX和TNT 4种炸药装药的情况进行数值计算,获得不同加工状况下炸药装药的热响应规律。实验结果表明:飞秒激光切割加工炸药装药过程中,当激光光斑的移动速度为80~300 mm/min时,4种炸药均未发生点火,反应光斑移动速度越慢,热累积效应越明显,且HMX相比其他3种炸药,动态分析区内HMX的热累积效应最明显;当激光重复频率和能量分别为0.1~200 kHz和50~200μJ/pulse时,提高飞秒激光的重复频率和能量对切割速率提升效果呈先上升后降低趋势;飞秒激光对炸药装药的切割加工速率和安全性,会受到炸药的性能参数的影响,切割速率与炸药的激光吸收系数呈正相关,切割安全性与炸药的热感度呈负相关。

3种典型炸药水中爆炸初始冲击波的近场参数测试

为了探索水中爆炸初始冲击波近场的传播特性和衰减差异,扩展水箱法测爆压试验的研究范围,采用高速摄影狭缝扫描测试方法,对3种典型的柱状炸药(TNT、JH-14、JO-9159)水中爆炸过程进行了测试研究,测量获得了一维正平面水中初始冲击波传播的时间历程演化曲线;由此拟合计算出柱状炸药的水中初始冲击波传播速度随时间的变化曲线,进一步由水的冲击雨果尼奥方程和冲击波动量方程、界面上压力和质点速度连续的条件及声学近似理论,计算得到了水中爆炸初始冲击波阵面压力的衰减曲线和炸药试样的爆压、多方指数等爆轰参数。结果表明,水中爆炸初始冲击波阵面压力近似以指数形式衰减,初始阶段衰减极快;当炸药爆压为20~37 GPa时,水中冲击波初始速度处于5.66~6.81 km/s的范围,波阵面初始压力与炸药的爆压近似成线性关系;虽然JO-9159的爆速和爆压均高于JH-14和TNT,但其水中初始冲击波传播仅在7μs后,其冲击波速度与波阵面压力下降至最低,说明以HMX为基的理想炸药水中爆炸初始冲击波速度和波阵面压力的衰减率要高于以RDX为基的理想炸药和TNT,高爆速、高爆压类理想炸药在水中初始冲击波性能方面优势不显著。

基于断裂相场的高分子黏结炸药裂纹演化及其力学性能退化分析

为了解高分子黏结炸药裂纹演化过程及其力学行为,综合考虑弹性、黏性以及热特性的影响及作用机制,提出了该材料热黏弹性断裂相场模型。基于断裂相场,建立了热黏弹性体的单一单元模型,对不同温度和应变率进行参数分析。然后,针对高分子黏结炸药开展该材料断裂相场的模拟及其模型参数校准。从而基于断裂相场在细观层面上阐明不同应变率、不同环境温度作用下高分子黏结炸药材料的裂纹演化及其力学性能退化的规律。结果表明,驱动断裂的能量和抗压强度随着应变率降低和温度的升高而呈现出减小的趋势,因此裂纹出现的时间越晚,扩展速度越慢。

关于废弃火炸药处理的几点思考

1废弃火炸药的概念和内涵火炸药在达到其贮存或使用寿命后,其可靠性、稳定性和安全性会发生变化,不宜继续贮存或使用。此外,火炸药生产过程中也会产生一些废品和不良品。军方报废弹药、国库退役弹药以及相关生产厂家的不良或报废品构成了废弃火炸药的主要来源。广义来说,被火炸药严重污染的水、溶剂、土壤及包装物等也可归结为废弃火炸药的范畴。

含铝炸药深水爆炸能量输出特性高精度数值模拟研究

在深水条件下含铝炸药爆炸不同于理想炸药,高静水压力会影响铝粉参与二次燃烧反应的速率,进而影响能量的释放过程.采用3阶MUSCL有限体积方法结合含铝炸药Miller能量释放模型,研究CL-20基含铝炸药在100~3 000 m水深梯度范围下随水深变化的爆炸能量输出特性.结果表明:爆炸冲击波能会随着水深的增加而不断减小;当水深超过200 m后,CL-20基含铝炸药中铝粉二次反应时间超过气泡周期,在第一个脉动周期内铝粉反应释放能量不充分导致根据气泡周期公式得到的气泡能偏小,气泡能也随着水深增加而减小,爆炸总能量不为定值.

TATB对熔铸炸药烤燃过程传热及响应特性的影响研究

为提高弹药安全性,研究TATB组分含量对熔铸炸药烤燃过程传热及响应特性的影响规律。采用3D-Fluent软件对熔铸炸药烤燃过程开展仿真计算,预测不同TATB含量熔铸炸药烤燃过程的响应时间及温度,结合烤燃试验验证仿真预测炸药反应的准确性。结果表明,烤燃过程中炸药内部梯度化温度及应特性与介质的传热系数密切相关。TATB含量的增大能够通过改变烤燃条件下的响应温度和时间来提高炸药的热安全性,且通过仿真计算方法预测炸药响应温度和时间可靠性较好。

火炸药工艺安全性的研究方法

工艺安全是火炸药产品实现工业制造的前提。随着新材料、新工艺的不断涌现,长期积累的老经验不再完全适用和可靠,传统的试错型工艺研究方法又不再可行,如何实现和保障工艺安全,成为我们当前需要突破的一个重大“瓶颈”。由于工艺安全工作涉及到方方面面,是一个复杂的系统工程,自然会引起各方的高度重视和积极作为。但是,在这个复杂系统中,如何抓住最基础、最核心的要素,如何协同各方形成合力和取得实效,需要我们从认识论和方法论的高度进行系统思考。

基于可爆性分区方法的露天矿炸药单耗预测模型

露天矿山爆破作业要求矿岩爆破块度均匀,对岩体可爆性进行评价与应用是优化爆破设计、改善爆破效果的重要依据。在总结分析岩体可爆性主要影响因素的基础上,对司家营铁矿15个爆区矿岩物理力学参数和节理裂隙参数进行了聚类分析和相关分析。结果表明:可以采用抗拉强度、岩石密度、岩体完整性系数和平均节理间距4个指标对岩体可爆性进行评价;同时用蚁群算法优化BP神经网络对评价指标进行赋权,提出了基于加权聚类分析的露天矿岩体可爆性分区方法;然后结合钻孔信息与地质模型,使用距离幂次反比法插值得到矿岩可爆性分区块体模型;利用多元回归分析方法,建立了基于可爆性分区指标的炸药单耗预测数学模型,可为后续类似工况爆区矿岩爆破设计提供参考,对优化爆破设计工作具有指导意义。