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爆轰驱动飞片运动数值模拟

金柯  
【摘要】:作为目前常用冲击加载手段的空腔增压式爆轰加载技术,具有平面范围大、布局样品多、信息获取量大等优点,在高压物理、地球物理、空间技术等领域均有广泛的应用。但是,利用爆轰加载技术驱动厚度约2~3mm的无氧铜飞片碰撞无氧铜样品时,难以在样品中获得60GPa以下的冲击压力。为了设计在无氧铜样品中产生60GPa以下冲击压力的低压爆轰加载装置,本文以数值模拟为主,结合少量验证性实验,对(a)爆轰产物经过空气隙驱动飞片;(b)爆轰产物驱动组合飞片;(c)爆轰产物驱动带保护环的飞片中影响飞片运动的因素等问题进行了研究,得到的一些规律性认识,可以为低压爆轰加载装置系列化设计提供指导和参考。 数值模拟结果表明,炸药和飞片之间引入空气隙后,飞片加速过程变得比较平缓,飞行过程中飞片可以较好的保持初始热力学状态和力学性质。而且,一定空腔高度处飞片击靶速度与空气隙厚度基本服从抛物型曲线关系,即W_f=A+Bh+Ch~2(式中h为空气隙厚度)。当空气隙超过一定厚度后,飞片击靶速度随空气隙厚度增大而减小的程度减弱。有、无空气隙的两种情况下,飞片击靶波形表现出较大差异。无空气隙时,在φ50mm范围内飞片击靶波形差一般小于100ns,如果空气隙厚度增加到50mm,飞片击靶波形差小于100ns的平面范围减小到φ20mm~φ30mm。另外,对φ200×60mm TNT/Ba(NO_3)(21/79)和RHT-901炸药,当爆轰产物经过10mm空气隙分别驱动3mm和2mm厚的无氧铜飞片时,可在无氧铜样品中产生约25GPa和61GPa的冲击压力。由此可见,利用爆轰产物经过空气隙后驱动飞片的方式可以作为20GPa~60GPa爆轰加载装置的设计思路。但是,如果要获得低于20GPa的加载压力时,仅靠增大空气隙厚度以减小飞片击靶速度会导致飞片击靶波形差大幅增加。 采用组合飞片(衰减器/冲击器)形式的爆轰加载装置,可以比较容易得到1km/s以下的击靶速度。例如,利用φ200×71mm厚TNT炸药直接驱动6mm/2mm的钨/无氧铜组合飞片经过30mm空腔后,可使无氧铜飞片速度达到约1km/s左右。组合飞片在飞行过程中将会出现“分离-碰撞”、“再分离-再碰撞”现象。实验证明,从冲击器中心沿径向向外延伸约25mm~30mm处是冲击器最先受到碰撞的几何位置,也就是说碰撞不是在整个界面上同时发生,“分离-碰撞”现象对冲击器击靶波形具有整形作用。数值模拟结果表明,炸药类型、衰减器/冲击器阻抗比和厚度比对冲击器碰撞前、后的速度均有影响,其中衰减器厚度的影响最为突出,而且对冲击器脱离衰减器后自由飞行的空腔高度的影响也很大。 由于边侧稀疏效应,在炸药与飞片之间引入空气隙将使飞片击靶波形差增 爆轰驱动飞片运动数值模拟 大。如果在飞片边部镶嵌高阻抗材料的保护环,飞片击靶的平面波范围将可以 扩大。数值模拟结果表明,保护环内径、厚度和材料对飞片击靶波形均有影响。 保护环内径越小,厚度越大,飞片边部受附加脉冲作用时间越长,飞片边部速 度将大于中心速度,飞片边部明显超前。保护环阻抗与飞片阻抗相差越大,飞 片边部超前程度越大。如果保护环较厚,在保护环和飞片连接处设置切口,不 仅可以延长脉冲作用时间,而且可以防止保护环变形挤压飞片。因而,对保护 环内径、厚度和材料进行优化组合,可以最大限度的扩大飞片击靶的平面波范 围。 最后,根据数值模拟结果,提出了在无氧铜样品中产生几个GPa一60GPa, 压力步长约ZGPa一SGPa的系列化低压爆轰加载装置的设计思路、方法和参数选 择,以供不同压力区段中应用。


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