爆炸二极管的作用机理与应用研究

摘要

工程爆破是经济建设一项关键技术，广泛应用于交通、水利、煤炭、冶金等诸多国民经济领域。然而高温、火区环境等恶劣环境下的爆破却很有可能由于炸药的早爆、误爆带来极大的人员财产损失。国内外，就高温火区环境提出了不少解决方案，如火区灭火降温、耐高温炸药、耐高温爆破器材。但是较少人研究当早爆发生时如何降低早爆损失。课题组结合军用爆炸逻辑网络，设计一种工业用的起爆逻辑网路，其核心是使用课题组设计的一种爆炸二极管。
　　本文设计并优化了的爆炸二极管是一种能够实现稳定传递从主起爆网路而来的正向爆轰信号顺利起爆炮孔装药，可靠阻断从个别炮孔意外早爆反向传递而来的反向爆轰信号保护主起爆网路功能的单向传爆元件。该爆炸二极管利用传火元件作为隔爆器件这一核心设计思想，以延期体作为正向中传火元件，反向中隔爆元件，延期体是一种内含延期药铅柱。在正向传爆中，利用延期体点燃激发药，产生高速飞片撞击传爆药，完成正向爆轰信号传递;反向隔爆中，传爆药爆轰撞击飞片，激发药爆轰，然后被阻隔在延期体处。
　　本文除了设计该爆炸二极管，还对其进行了参数优化，通过正反对称装药结构，设计激发药极限药量实验，给出100％传爆率下的激发药极限药量20mg;设计延期体临界尺寸实验，给出100％隔爆率下的延期体临界尺寸4.2mm。通过进行传爆药药量实验，得到传爆药药量决定于激发药的药量的结论。
　　在实验和爆轰波基本原理结合非均质炸药冲击起爆机理基础上，进行了爆炸二极管的机理研究，提出了正向传爆数学模型和反向隔爆数学模型。将正向传爆分为3个阶段，给出了激发药药量和飞片速度定量关系，通过定义正向传爆稳定系数，给出了激发药药量和稳定系数间的定量关系，实验和计算结果都显示在激发药药量在20mg之上时，都能保证近100％的稳定性;将反向隔爆分为3个阶段，通过定义反向隔爆可靠系数，给出了延期体长度与可靠系数间的定量关系，实验和计算结果都显示在延期体长度在4.20mm之上时，都能保证近100％的可靠性。通过建立上述两个数学模型，给出了爆炸二极管机理分析，证明爆炸二极管整体的稳定传爆性和可靠隔爆性，为其在工业上的运用和推广提供了可靠的理论依据。
　　考虑到理论是一维的，采用燃烧增长模型结合LS-DYNA软件，进行了爆炸二极管的三维正向传爆和反向隔爆数值模拟，获得更多的细节。特别是针对正向传爆中激发药药量和反向隔爆中延期体的长度进行了细致的探讨，补充第四章理论计算细节展现上的不足，展现传爆药和导爆索中的爆轰发展过程。激发药药量决定了正向传爆的稳定性，药量越大，飞片速度也就越大，同时进入传爆药的初始撞击压力也越大，自然容易正向起爆。结果显示激发药药量低于10mg，正向传爆必然失败，高于20mg，传爆药才能在终面达到临界压力，传爆成功。延期体长度决定了反向隔爆的可靠性，长度越长，冲击波衰减程度越大，在导爆索中产生的撞击压力越小，越容易反向隔爆成功。结果显示延期体长度低于4mm，反向隔爆必然失败，高于5mm，隔爆必然成功。进行了飞片测速实验，飞片速度实验值和模拟值在低药量较为一致，实验值和理论值在高药量差距较大的原因是理论没有考虑飞片破损以及侧向爆轰气体溢出的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 恶劣环境中早爆、误爆问题

1．1．2 传统高温爆破安全性问题

1．2 国内外研究现状

1．2．1 高温火区解决方案研究现状

1．2．2 起爆网路的研究现状

1．2．3 冲击起爆的研究现状

1．3 研究意义

1．3．1 学术意义

1．3．2 应用前景

1．4 本文主要研究内容

参考文献

第2章 爆轰波与冲击起爆理论

2．1 引言

2．2 爆轰波理论

2．2．1 C-J理论

2．2．2 Z-N-D理论

2．3 冲击起爆理论

2．3．1 经典热起爆理论

2．3．2 凝聚相均质炸药冲击起爆理论

2．3．3 凝聚相非均质炸药的冲击起爆理论

2．4 本章小结

参考文献

第3章 爆炸二极管的设计和优化

3．1 引言

3．2 爆炸二极管的探索研究

3．2．1 技术初探

3．2．2 正反对称装药结构

3．2．3 爆炸二极管的初步设计

3．3 爆炸二极管的结构优化

3．4 爆炸二极管的参数优化

3．4．1 激发药的极限药量

3．4．2 延期体的临界尺寸

3．4．3 传爆药的传爆长度

3．5 本章小结

参考文献

第4章 爆炸二极管的机理研究

4．1 引言

4．2 波阻抗匹配技术

4．3 正向传爆数学模型

4．3．1 激发药爆轰阶段

4．3．2 飞片撞击传爆药阶段

4．3．3 传爆药冲击起爆阶段

4．3．4 结果与讨论

4．4 反向隔爆数学模型

4．4．1 传爆药撞击铅柱

4．4．2 铅柱中冲击波衰减阶段

4．4．3 铅柱撞击PETN阶段

4．4．4 结果和讨论

4．5 本章小结

参考文献

附录

第5章 爆炸二极管的数值模拟

5．1 引言

5．2 燃烧增长模型

5．3 正向传爆的数值模拟

5．2．1 模型与参数

5．2．2 模拟过程效果图

5．2．3 模拟结果与讨论

5．2．4 小结

5．4 反向隔爆数值模拟

5．4．1 模型和参数

5．4．2 模拟过程效果图

5．4．3 模拟结果与讨论

5．4．4 小结

5．5 飞片测速实验

5．6 本章小结

参考文献

第6章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 主要创新点

6．3 几点说明

6．4 存在的问题及工作展望

6．4．1 存在的问题

6．4．2 未来工作展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果