Page 84 - 《含能之美》2019封面论文

初 始 裂 纹 对 高 聚 物 粘 结 炸 药 低 速 撞 击 点 火 影 响 数 值 模 拟 研 究 815

E
-
学反应项 ΔHZe RT 起主导作用，导致温度急剧加速增
长。对于炸药内部单元而言，依然存在一定程度的温
升。值得注意的是，处于中心轴单元 D 并没有明显温
升效应。由一维 Frank⁃Kamenetskii 热传导模型（2）和
（3）可知，摩擦生热的本质是裂纹表面在剪切作用下
的滑移造成。单元 D 处于中轴线，主要以体积变形为
图 3 炸药温升特征点位置示意图 主，剪切引起单元畸变并不明显，因此，裂纹表面不容
Fig. 3 The schematic of the temperature rise positions of 易出现滑移。对于底部单元 G，H 和 K，材料与钢壳相
explosives 互作用，发生单元畸变，同样存在温升效应。同时，随
味 着 该 点 首 先 达 到 点 火 条 件 。 如 图 4a 所 示 ，当 a= 着初始裂纹特征长度的增加，材料温升越容易。计算
结果表明，当初始裂纹 a=1 mm 增加为 a=2 mm 时，温
3 mm 时，单元 B 在温度达到约 700 K 时，存在明显的
升 大 幅 提 高 。 当 初 始 裂 纹 a=2 mm 增 加 为 a=3 mm
温度拐点，温升速率显著加快，炸药处于点火状态。在
时，温升有一定程度地增加。初始裂纹特征长度对温
温度拐点出现之前，炸药温升主要来自材料内部裂纹
升的影响并不是线性对应的关系。
表面摩擦生热。当温度上升到拐点处时，Arrhenius 化

a. top elements b. middle elements c. bottom elements

图 4 炸药不同位置的温升曲线
Fig. 4 The temperature rise history at different positions of the explosion

3.2 初始裂纹特征长度对点火速度阈值的影响
对于 Steven 撞击试验而言，点火速度阈值是评价
炸药安全性的重要指标。既然初始裂纹特征长度能够
影响温升过程，进而初始裂纹特征长度对点火速度阈
值也有影响。图 5 给出了初始裂纹特征长度与点火速
度阈值的关系。计算结果表明，初始裂纹特征长度 a=
1，2 mm 和 a=3 mm 分 别 对 应 了 点 火 速 度 阈 值 v =
-1
-1
45，40 m∙s 和 v=38 m∙s 。这意味着随着初始裂纹
特征长度的增加，点火速度阈值降低。这与 Idar 等 ，
［8］
Chidester 等 ［9］ 以及孙宝平等 ［10］ 的实验和数值模拟研 图 5 初始裂纹特征长度与点火速度阈值关系
究工作一致，即随着裂纹的累积，PBX 炸药更容易发生 Fig. 5 The relationship between the initial crack feature size
点火。本研究进一步量化了初始裂纹特征长度与点火 and the ignition velocity threshold value
速度阈值的关系。
者更大的微裂纹尺寸更有利于裂纹的扩展和裂纹表面
就本质而言，初始裂纹特征长度描述了炸药内部
摩擦产生热点，导致点火速度阈值的降低。公式（4）
的裂纹情况。初始裂纹特征长度的增加对应了炸药内 ［11］
给出了初始裂纹特征长度的计算公式 ：
部微裂纹的数目或者尺寸的增加。更多的裂纹数目或

CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 含能材料 2019 年 第 27 卷 第 10 期 （812-818）