2. 中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621900
2. Institute of Chemical Materials, CAEP, Mianyang 621900, China
炸药的安全性能是保证炸药研究、生产、运输、使用和储存安全的重要特性。针对不同的刺激作用方式，如撞击、摩擦、静电、热等，国内外分别建立了相应的试验表征方法，包括撞击感度实验、苏珊试验、摩擦感度实验、静电感度实验、烤燃试验等[1-2]。
目前，对剪切作用下炸药的安全性研究，多在百克量级，方法采用模拟破片撞击试验[3]、不同弹形的Steven试验[4]以及模拟跌落试验[5]。模拟强剪切作用，炸药质量分别为180 g[3-4]和540 g[5]。Spigot跌落试验[6]，模拟撞击剪切作用，炸药质量达到3 kg。虽然这些试验方法均能从一定程度上表征炸药在剪切作用下的响应，药量大，成本高。因此，研究能简单有效反映炸药剪切作用安全性的试验方法，实现克量级炸药剪切作用安全性的模拟，掌握炸药的剪切作用响应特性非常必要。
本课题组采用计算与试验结合的方式设计了药片剪切试验方法，进行小药量炸药在剪切作用下的安全性评价，测试了两种厚度PBX-2炸药在剪切作用下的反应落高阈值，分析其响应特性。
2 试验部分 2.1 试验原理药片剪切试验示意图见图 1。采用落锤撞击加载方式[7]对药片剪切试验装置进行加载，落锤质量20 kg，最大跌落落高为12 m。试验过程中，将药片安装在剪切试验装置内，通过M5螺钉将剪切试验装置与落锤连接，落锤用钢丝绳吊装在释放装置上，将落锤及释放装置一同提升到预定高度，然后释放落锤，锤体下落与地面钢靶相撞，药片受到剪切作用，可能发生燃烧、爆燃、爆炸等不同程度的反应，通过高速录像、冲击波超压测量以及回收的样品残骸，综合判断药片是否发生反应，分析其响应特性。
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图 1 药片剪切试验示意图 1—支架, 2—电动葫芦, 3—释放装置, 4—落锤, 5—药片剪切试验装置, 6—钢靶 Fig.1 Principle picture of shear test 1—bracket, 2—electrical hoist, 3—release device, 4—drop hammer, 5—shear set for explosive tablet, 6—steel target |
药片剪切试验装置示意图见图 2，主要由钢柱、惰性环、药片、击柱等组成，图中A点为击砧与垫片接触面的中点(即上底部)，研究中压力测试、计算与分析等结果主要位于该点。
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图 2 药片剪切试验装置示意图 1—垫片, 2—钢柱, 3—惰性环, 4—药片, 5—惰性柱, 6—钢环, 7—击柱 Fig.2 Configuration of shear set for explosive bill 1—gasket, 2—steel pole, 3—inert ring, 4—explosive tablet, 5—inert pole, 6—steel ring, 7—hit pole |
采用ANSYS/LS-DYNA有限元计算程序，对落锤加载的药片剪切试验装置进行了数值计算，建立了二维轴对称的药片剪切作用计算模型(见图 3)。为了计算获得不同厚度PBX-2炸药的撞击剪切响应特性，模型中采用的PBX-2药片尺寸分别为Φ20 mm×5 mm和Φ20 mm×9 mm，通过弹塑性模型[8]计算分析了药片剪切试验装置中A点以及药片的受力特点。
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图 3 药片剪切作用计算模型 Fig.3 Simulation model of shear set for explosive bill |
装置中A点以及药片的受力时程曲线计算结果见图 4。从图 4中可以看出，在2 m落高撞击下，装置中上底部的压力明显高于炸药处受力；在Φ20 mm×5 mm样品中PBX-2药片受力峰值约为0.55 GPa，压力脉宽约1.2 ms；Φ20 mm×9 mm样品中药片受力峰值约为0.58 GPa，压力脉宽约1.4 ms。计算结果初步表明，在设计的药片剪切试验装置中，相同直径下随着PBX-2药片厚度的增加，压力峰值与脉宽均略有增加。
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图 4 药片剪切作用下受力时程曲线计算结果 Fig.4 Curves of pressure versus time simulated in shear test |
装置中5 mm厚药片内部的剪切应力云图计算结果见图 5，可见在药片内部形成了明显的剪切带，且药片有明显的剪切变形，表明药片在设计的装置中受到了明显的剪切作用。
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图 5 5 mm厚药片内部剪切应力云图计算结果 Fig.5 Shear stress for the thichness of 5 mm explosive simulated in shear test |
采用机加方式将PBX-2炸药加工为Ф20 mm×5 mm和Ф20 mm×9 mm药片，样品质量分别为2.9 g和5.3 g，密度约1.85 g·cm-3。
试验过程中采用MEMRECAM GX-1高速录像机，观测炸药点火反应情况；在距离撞击点1 m位置处用冲击波超压测试系统(冲击波超压传感器、YE6600电荷放大器以及泰克示波器组成)测量炸药反应超压；采用50Ω双螺旋型薄膜式锰铜压力计测量药片剪切试验装置中A点(即上底部)的受力过程。
3 结果与分析 3.1 撞击过程图 6是Φ20 mm×5 mm PBX-2药片于2.5 m和5 m落高撞靶的高速录像照片。从图 6可见，2.5 m落高跌落撞击后出现反弹，未发现点火出光现象；在5 m落高撞击下，药片出现明显点火现象，表明PBX-2药片发生了反应。
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图 6 Φ20 mm×5 mm PBX-2药片剪切试验高速录像照片 Fig.6 Recording pictures of Φ20 mm×5 mm PBX-2 explosive in shear test |
图 7是药片剪切试验中回收的PBX-2样品照片，3.2 m落高的剪切试验中PBX-2药片仅破裂成几块，药片表面形成了环形剪切带，与图 5中的计算结果一致，说明药片剪切试验装置使炸药受到了剪切作用。
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图 7 药片剪切试验中回收的PBX-2样品照片 Fig.7 Photographs of recovered sample for PBX-2 explosive in shear test |
图 8是药片剪切试验中Φ20 mm×5 mm PBX-2样品的受力时程曲线。图 8a为在3.2 m落高下A点(上底部)受力的计算与试验对比结果，从图 8a中可以看出，计算结果与试验结果符合较好，压力峰值约0.80 GPa，随后逐渐降低，压力作用时间达到约1.4 ms，表明此时药片未发生反应；图 8b为在3.7 m落高下A点受力的试验测试结果，压力峰值约0.87 GPa，随后压力发生跳变，表明药片发生了反应。
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图 8 药片剪切试验中Φ20 mm×5 mm PBX-2炸药受力时程曲线 Fig.8 Curves of pressure versus time for Φ20 mm×5 mm PBX-2 explosive in shear test |
图 9为药片剪切试验中两种厚度PBX-2药片超压与落高曲线。从图 9可见，两种厚度下PBX-2药片反应超压未有明显差别；PBX-2药片厚度对剪切作用下反应落高阈值略有影响，对于5 mm厚PBX-2药片，其剪切作用反应落高阈值为3.5~3.7 m，对于9 mm厚PBX-2药片，其剪切作用反应落高阈值为3.0~3.1 m。由此可初步推断，相同直径下，随着厚度的增加，PBX-2炸药剪切反应落高阈值略有降低。
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图 9 两种厚度PBX-2药片超压-落高曲线 Fig.9 Curves of overpressure versus height for two thickness PBX-2 |
为了获得撞击作用下剪切力变化与药片厚度的关系，采用材料力学理论进行了分析。材料受到的撞击正压力可由式(1)进行估算[8]：
| $ p \approx \frac{{2{\sigma _\tau }{r_2}l}}{{r_{_1}^{^2}}} \approx \frac{\tau }{{{\rm{ \mathsf{ π} }}r_{_1}^{^2}}} $ | (1) |
式中，p为撞击过程药片受到的压力，Pa；στ为材料的剪切强度，Pa；r2为受剪切面半径，m；l为药片厚度，mm；r1为击柱接触面半径，m；τ为剪切力，N。因此，由(1)式知撞击压力与剪切力τ成正比。
对于同一种材料，在单轴情况下，当材料直径不变，只考虑材料的厚度变化时，材料的剪切强度στ可认为近似不变，则材料受到的剪切力可由式(2)进行估算[8]：
| $ \tau = {\sigma _\tau } \times 2{\rm{ \mathsf{ π} }}{r_2}l $ | (2) |
式中，τ为剪切力，N；στ为材料的剪切强度，Pa；r2为受剪切面半径，m；l为药片厚度，mm。
根据以上分析可知，当药片直径不变，厚度变化时，剪切力τ随着药片厚度的增加而增加，即剪切力τ与药片厚度l成正比，与图 4的计算分析结果一致。
因此，对于Ф20 mm×5 mm和Ф20 mm×9 mm的PBX-2药片，9 mm厚样品受到的剪切力要大于5 mm厚样品。因此，在剪切作用下，相同直径条件，9 mm厚样品剪切反应落高阈值要略低于5 mm厚样品。
4 结论(1) 计算和试验结果均表明，设计的药片剪切试验装置中药片受到了明显的剪切作用，能有效地用于成型炸药剪切安全性研究。
(2) 理论分析表明，在设计的药片剪切作用装置中，相同直径下随着PBX-2药片厚度的增加，压力峰值略有增加。因此，通过落锤撞击加载方式，使炸药受剪切作用状态下，相同直径条件，随着厚度的增加，PBX-2药片剪切反应落高阈值略有降低。
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Shear device for explosive bill was designed by ANSYS/LS-DYNA. Shear tests with different thickness PBX-2 were carried out. Response character was analyzed for Φ20 mm×5 mm and Φ20 mm×9 mm PBX-2.