铝纤维炸药爆炸性能与力学性能研究

摘要

传统含铝炸药中的铝通常以粉末形式加入到炸药中，以提高含铝炸药的爆炸威力，但同时也提高了炸药的机械感度，降低了炸药的安全性。铝粉的粒径要求在微米或纳米量级，加工工艺较为复杂，而且粉尘对环境的污染严重，还存在粉尘爆炸的危险，同时铝粉比表面积较大，其活性随着储存时间增加而降低。另外炸药在运输、存储和使用过程中受到各种机械形式作用，炸药在各种机械作用下的力学行为变得日益重要。针对上述问题，将传统含铝炸药(RDX/Al)中的铝粉用铝纤维替代，得到新型铝纤维炸药。与传统含铝炸药相比，铝纤维的加入能改善含铝炸药的成型性，同时增强了含铝炸药的力学性能并提高含铝炸药的安全性。本文通过对铝纤维炸药的研究，有利于加深对含铝炸药爆炸性能认识，具体研究内容如下:
　　通过铝纤维炸药与传统含铝炸药的空中爆炸实验，得到压力时程曲线，并对曲线进行小波分析。小波分析表明信号去噪后的信噪比主要与分解的层数有关，而小波基的选择对信噪比影响相对较小。通过对信噪比、均方根误差与去噪效果综合判断，文中最终采用Daubechies小波系中的db4对空中冲击波压力时程曲线信号进行处理。通过小波分析可以获得冲击波信号在各频带的细节信息，d4对应的频带(781 kHz～1562 kHz)上存在周期性干扰信号，d9与d12对应的频带上明显存在三处突变信号，分别为入射冲击波、二次击波与反射冲击波。空中爆炸的冲击波能量分布主要处于0～8E5 Hz频率范围内，该频率范围也为滤波的截断频率提供参考。铝纤维炸药的二次击波超压幅值和到达时间与铝粉炸药相近，而铝纤维炸药的二次击波到达时间早于基体炸药(RDX)，说明二次击波的超压幅值与到达时间与炸药类型有关。使用压制铝纤维的铝纤维炸药冲击波冲量与传统含铝炸药相当，其相对于RDX提高了18％。
　　将含有不同铝纤维含量的铝纤维炸药与含有不同铝形态的含铝炸药进行水下爆炸实验，得到冲击波压力时程曲线与脉动压力时程曲线，并对这些曲线进行分析计算。使用压制铝纤维的铝纤维炸药(20％)压力峰值、比冲击波能、冲量略低于传统含铝炸药或与传统含铝炸药相当，但铝纤维炸药的爆速与比气泡能略高于传统含铝炸药的爆速。铝纤维炸药(20％)的冲量相对于RDX提高了14％～21％。铝纤维炸药的第一次气泡脉动周期时间略高于传统含铝炸药，但铝纤维炸药的气泡脉动压力峰值与压力冲量都低于传统含铝炸药，其原因需要进一步研究。低含量铝纤维对铝纤维炸药的压力峰值影响较小，高含量铝纤维对铝纤维炸药的压力峰值影响较大。铝纤维炸药的爆速随着铝纤维的含量增加而减小，与铝纤维二次反应放出的能量未能支持爆轰波阵面的传播有关。铝纤维炸药的第一次脉动周期时间与比气泡能随着铝纤维含量的增加而增大，铝纤维炸药的脉动压力峰值与脉动压力冲量随着铝纤维含量的增加而减小。铝纤维炸药的比冲击波能随着铝纤维含量的增加而先增大后减小，即铝纤维含量为20％时，铝纤维炸药比冲击波能最大。
　　将含有不同铝纤维含量的铝纤维炸药进行力学实验，通过对实验结果进行分析，结果表明铝纤维炸药的压缩极限应力与残余强度随着铝纤维含量增加而增加。对不同含量的铝纤维炸药弹性模量进行拟合计算，得到铝纤维的增强系数为8.19，说明铝纤维显著增强铝纤维炸药力学性能。SHPB实验采用波形整形技术对入射波进行整形，延长其加载时间，使试样在破坏前达到应力平衡，同时实现常应变率加载，另外可以获得比较光滑的入射波，降低应力波的弥散效应，消除高频振荡，明显改善加载波的质量。SHPB实验表明:铝纤维炸药的压缩极限应力具有应变率效应，随着铝纤维含量增加，铝纤维炸药的压缩极限应力的应变率效应开始减弱。采用正态分布函数对不同含量的铝纤维炸药在准静态下的应力应变曲线进行拟合，拟合效果较好。低于20％含量的铝纤维炸药在SHPB实验后都已粉碎，高于20％含量的铝纤维炸药在SHPB实验后还能保持较好的完整性，说明高含量的铝纤维炸药具有一定的抗过载能力。
　　SPH-FEM耦合方法克服了网格畸变问题又能保证计算效率，文中通过MATLAB与LS-DYNA程序生成水下爆炸的SPH-FEM模型并进行模拟计算。在建模过程中，SPH粒子区域最终采用球形，为了保证球体区域上的最外围的一层粒子都严格落在球面上，即在最外层球面上生成的SPH粒子坐标与ANSYS生成的有限元网格坐标能很好地对应上，从而使SPH粒子与有限元网格进行良好接触耦合，SPH粒子将采用新方法生成，并成功解决粒子穿透有限元单元以及接触面部分网格畸变问题。通过对铝纤维炸药水下爆炸过程进行模拟，将模拟计算得到的远场压力时程曲线与实验得到的压力时程曲线进行比较，结果表明数值模拟得到的压力峰值与实验得到相应位置的压力峰值高度一致，说明文中采用SPH-FEM耦合方法对铝纤维炸药水下爆炸模拟具有一定的可靠性、优越性和精确性，从而进一步获取铝纤维炸药近场的冲击波压力时程曲线。另外将离铝纤维炸药不同距离的压力峰值按指数衰减函数进行拟合，其拟合效果良好。