飞片参数及冲击角度对能量激发的影响研究_王云鹏.pdf

火工品INITIATORS&PYROTECHNICS文章编号：1003-1480（2023）01-0022-06飞片参数及冲击角度对能量激发的影响研究王云鹏1，郭晋2，李帅1，王庆华3，王斌4，王端1（1.中北大学,山西 太原，030051；2.西安机电信息技术研究所，陕西 西安，710065；3.驻太原地区第三军代室，山西 太原，030018；4.山西北方兴安化学工业有限公司，山西 太原，030003）摘要：为研究飞片参数及冲击角度对冲击片雷管作用性能的影响，采用 Solidworks和LS-DYNA软件对飞片剪切过程和不同角度冲击炸药的起爆效果进行了仿真，并通过仿真和试验验证飞片厚度和直径对其冲击速度的影响。结果表明：加速膛硬度越高，飞片成形状况越好；飞片最大速度与飞片直径、厚度呈负相关，但飞片厚度过小时易发生破碎现象；入射角度为 0，30，60，90的飞片冲击 HNS 药柱均能达到稳定爆轰，以0入射角冲击时爆轰效果最佳。关键词：冲击片雷管；聚酰亚胺飞片；有限元模拟；飞片参数；冲击角度；爆轰性能中图分类号：TJ450.3文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1003-1480.2023.01.005Study on the Effect of Flyer Parametersand ImpactAngelon Energy ExcitationWANG Yun-peng1，GUO Jin2，LI Shuai1，WANG Qing-hua3，WANG Bin4，WANG Duan1(1.School of Environment and Safety Engineering,North University of China,Taiyuan,030051;2.Xian Institute ofMechanical and Electrical Information Technology,Xian,710065;3.The Third Military Representative Office in Taiyuan,Taiyuan,030018;4.Shanxi North Xingan Chemical Industry Co.Ltd.,Taiyuan,030003)Abstract：In order to study the effect of flyer parameters and impact angle on the actionperformance of slapper detonator,Solidworks and LS-DYNA were used to simulate the shear process of the flyer and the initiation effect of the explosive underdifferent impact angles.And the influence of thickness and diameter of the flyer on its impact velocity was studied throughsimulation and test.The results show that the higher the hardness of the accelerator chamber,the better forming of the flyer;Themaximum velocity of the flyer is negatively related to its diameter and thickness,but the flyer is easy to break when the thicknessis too small;The HNS grain can achieve stable detonation when it is impacted by flyer with impact angle of 0,30,60 and 90,andthedetonationeffect isthebestwhentheimpactangleis0.Key words：Slapper detonator;Polyimide flyer;Finite element simulation;Flyer parameters;Impact angle;Detonation performance飞片作为冲击片雷管的重要部件之一，在换能过程中主要起传递起爆能量、隔离换能元与钝感装药的作用，具备剪切成形性能好、耐冲击、不易破碎、绝缘等特点。由于飞片尺度小（厚度多为微米级）且位于冲击片雷管的中心部位，难以应用仪器捕捉其成形及冲击起爆过程，需借助模拟手段进行研究。Seokbin等1采用 ANSYS 格尼模型进行模拟，与爆震后数据和二维飞行投影数据对比，分析了飞片宽度对飞行速度的影响规律；陈清畴等2通过模拟不同形状飞片冲击起爆装药的过程，分析了飞片形状对雷管输出能力的影响规律；王寅等3通过摸底试验测试了不同结构飞片的速度，得到了飞片绝缘程度对其速度的影响规2023 年第1 期2023 年02 月收稿日期：2022-05-19作者简介：王云鹏（1998-），男，在读硕士研究生，从事先进火工品技术研究。通讯作者：王端（1973-），男，研高工，从事先进火工品技术研究。火工品2023 年 02 月230?律；任志伟等4采用 AUTODYN 中 Lee-Tarver 点火增长模型对不同材料飞片冲击HNS-IV的过程进行了仿真，得到了 3 种不同材料飞片冲击点火的阈值速度。贺翔等5采用 AUTODYN 建模，分析了装药直径、装药高度、加速膛孔径、钛飞片厚度等参数与飞片速度和能量的关系，并进行了试验验证。Cong Xu 等6对桥箔爆炸驱动甲基 C-Cu 飞片的过程进行了仿真分析，得出 253.6m 甲基 C-Cu 飞片起爆 HNS-IV 的阈值速度为 2 300 m/s。然而，当前研究大多倾向于飞片参数对冲击片雷管性能的影响，但对飞片成形规律及飞片入射角度对起爆效果的影响研究较少。本文对飞片剪切成形和不同入射角度飞片冲击起爆炸药过程进行了仿真和试验研究，分析了加速膛材料对飞片剪切效果、飞片直径和厚度对其冲击速度以及不同入射角度飞片对炸药冲击起爆效果的影响，为冲击片雷管的参数设计及优化提供参考。1冲击片雷管结构及工作原理冲击片雷管主要由壳体、电极塞、基片、桥箔、飞片、加速膛、HNS 药柱、密封片等部分组成，其结构示意图如图 1 所示。其工作原理为：通过对电极塞脚线加电，使桥箔在电流作用下迅速升温，达到起爆温度时发生电爆炸，经相态变化形成等离子体；等离子体体积迅速增大，在加速膛和基片的挤压下，剪切形成高速运动的飞片，冲击起爆 HNS 药柱。图 1冲击片雷管结构示意图Fig.1Schematicdiagramof slapperdetonatorstructure2有限元模型2.1网格划分采用 Solidworks 软件对冲击片雷管建模。由于本文主要研究飞片成形及冲击姿态，为简化计算模型，不考虑桥箔爆炸过程的影响，采用 Hypermesh 软件划分网格，选用刚度小、精度高的六面体网格单元。为达到更高的精度要求，通过扫掠方法控制网格大小和分布，对接触位置和重点观测位置进行网格加密处理，模型共计 1 418 978 个单元。简化后的模型包括飞片、壳体、加速膛、HNS 药柱、空气 5 部分，如图2 所示。在飞片成形阶段，采用 JWL 状态方程描述炸药爆炸能量等效桥箔爆轰能量，采用流固耦合方式建模，炸药和空气采用欧拉算法，飞片、壳体、加速膛采用拉格朗日算法，设置单点起爆，对飞片等拉格朗日结构体均采用实体方式建模。图 2模型网格示意图Fig.2Schematicdiagramof model grid2.2材料模型壳体材料为 304 不锈钢，采用塑性及断裂失效（Johnson-Cook）模型7；飞片材料为聚酰亚胺，采用弹塑性流体材料（Elastic_Plastic_Hydro）模型；加速膛材料为陶瓷，采用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS 模型；HNS-IV 炸药采用 Elastic_Plastic_Hydro 模型和三项式点火增长反应模型8；空气采用MAT_NULL 材料模型。304 不锈钢、聚酰亚胺薄膜、HNS-IV 以及空气的模型及状态方程参数见表 14。表 1304 不锈钢 J-C 模型参数9Tab.1J-Cmodel parametersof 304stainlesssteel参数数值参数数值/(kgm-3)7800C0.034E/GPa193m1.050.3/s-10.001A/MPa310Tr/K1800B/MPa1000Tm/K293n0.65Cp/(Jkg-1K-1)450表 2聚酰亚胺薄膜状态方程参数10Tab.2Equationof stateparametersof polyimidefilms材料/(gcm-3)Cf/(ms-1)S聚酰亚胺1.4227371.410.76HNS药柱桥箔电极塞密封片加速膛基片壳体飞片飞片壳体HNS 药柱加速膛壳体王云鹏等：飞片参数及冲击角度对能量激发的影响研究242023 年第1 期表3HNS-IV 的 JWL方程参数11Tab.3Parametersof HNS-IVchargingJWL equation点火增长模型I/s-1abxG1/（Mbar-2 s-1）c1.41060.21520.6674.037000.667dyzeG1/（Mbar-2 s-1）g0.6672.03.00.667148000.667JWL状态方程未反应物A/MbarB/MbarR1R2C/（MbarK-1）0.5675331.8-0.0251511.51.152.70410-5爆轰产物A/MbarB/MbarR1R2C/（MbarK-1）0.455.36250.27025.41.81.010-5表 4空气模型和状态方程相关参数12Tab.4Parametersof airmodeland equationof state参数/(gcm-3)E/GPaC0C1C2C3C4C5C6数值1.2910-32.510-6-110-60000.40.403飞片成形过程仿真飞片限制在加速膛与基片之间，桥箔爆炸后，在高温高压等离子体作用下，加速膛对飞片产生剪切作用，剪切效果与加速膛材料相关，剪切后的飞片状态及冲击速度与其直径和厚度相关，而飞片冲击速度对冲击片雷管的爆轰性能有重要影响，因此对飞片成形及加速过程进行仿真。其中，飞片与加速膛的接触算法采用 LS-DYNA 中罚函数约束方法，通过飞片上拉格朗日节点与加速膛之间的相对位移，分析飞片速度、位移和加速度的变化。3.1加速膛材料对飞片成形的影响飞片在加速膛中的状态如图3 所示。图 3飞片加速过程状态图Fig.3Statediagramof flyeraccelerationprocess不同材料加速膛剪切后的飞片状态如图 4 所示。由图 4 可知，加速膛的硬度及光滑度对飞片成形状态有极大影响。硬度较大的陶瓷加速膛对飞片的剪切效果最好，飞片整体完整、圆形边缘平整、受力均匀。图 4不同材料加速膛对飞片的剪切效果Fig.4Sheareffectof acceleratingchamberwithdifferentmaterialsonflyer3.2飞片直径对冲击速度的影响冲击片雷管作用时，桥箔从中心桥区位置开始作用，由于加速膛的孔径大于桥箔桥区尺寸，因此飞片受压时从中心位置开始作用，飞片直径越大，中心点的加速特征与剪切边缘的差异越大，对飞片状态的影响也越大。为探究飞片直径对冲击速度的影响，选取厚度均为 35 m，直径分别为 0.15，0.35，0.55 mm的飞片进行仿真。不同直径飞片剪切效果如图5所示，相应的速度曲线如图 6 所示。图 5不同直