颗粒散体在爆炸波作用下的动态破碎

【摘要】：为了改进或控制炸药性能,在高能炸药中添加其他化学物质(如金属粉末等)的非均质炸药成为了国内外的研究热点。非均质炸药,如温压炸药,云爆弹,高密度惰性金属炸药等,要获得优异的毁伤效能,其中非直接起爆物质(如云爆剂,活性或惰性金属粉末)的抛撒分散过程是关键环节之一。大量的实验研究发现,非均质炸药爆轰后整个火球表面被大量均匀分布的规则射流所包围,这些射流携带着大量固液混合物碎片向外喷。因此射流的形成及其结构(尺寸分布,速度分布等)是控制固液混合物抛撒分散的关键机制。早期的研究者采用颗粒层外缘于外界流场之间界面的Richtmyer-Meshkov(RM)失稳来解释颗粒射流的形成。然而RM失稳预测的颗粒射流尺寸与颗粒尺寸相近,这与颗粒射流尺寸远大于颗粒尺寸的实验观察不符,同时RM失稳成长到宏观射流的时间尺度远大于实验捕捉到的射流形成时间。因此颗粒层在中心炸药爆轰驱动下的动态破碎机制,很可是是由整体的动态破碎,而非界面失稳所主导。在中心炸药爆轰后的几百个微秒内,就可以观察到宏观颗粒射流的萌生,这表明颗粒射流的形成,与冲击波与颗粒的相互作用,及颗粒之间的相互作用存在密切的关系。因此深入理解颗粒散体材料在爆炸冲击波,反射稀疏波及爆轰产物气体膨胀作用下的动态响应是至关重要的。本文采用非线性动力学软件AUTODYN分析干燥及饱和砂体在中心TNT炸药爆轰后的动力学行为。为了准确描述包含间隙流体的砂体在高压高应变率载荷条件下的力学行为,我们采用Grujicic等人提出的方法,对Laine和Sandvik通过实验数据拟合的干燥砂体本构模型进行修正,使其可以体现间隙流体的影响。模拟研究发现,干燥砂体在初始冲击波的压缩作用下发生显著压实,而饱和砂体无法进一步压缩,仅仅发生弹性变形。当冲击波达到砂壳的外边界时,向内扩展的反射稀疏波迅速松弛到砂体内的压强,导致压实砂体内部密度迅速下降,由压实体演化成稀疏颗粒剥离层。此后内部爆轰气体的膨胀导致内层的松散颗粒被重新压缩、加速,形成内部颗粒压实层,并追赶外部的颗粒剥离层,质量不断增加。但随着膨胀爆轰气体动量的耗散,内部颗粒压实层减速,减薄,与外部颗粒剥离层分离。因此,稀疏的颗粒剥离层在反射稀疏波的作用下就发生了破碎,而内部的颗粒压实层还可以将构型保持一段时间,在更晚的时间发生破碎。两者的破碎机制截然不同,导致的颗粒碎片(射流)尺寸也存在明显的差别,这与Ripley等人发现的非均质炸药爆轰呈现出主次两套射流结构的现象是一致的。本文重点阐述颗粒剥离层在反射稀疏波作用下的破碎机制。采用基于空心球膨胀的空隙成长破碎描述颗粒压实体的膨胀稀疏化过程。在满足空心球膨胀率与宏观砂体膨胀率一致的前提下,合理选择空心球直径得到的细观尺度压强演化曲线与将砂体散体作为连续体得到的宏观压强演化曲线吻合的很好。由于空心球直径即空隙成核点之间的间距,因此可以通过空心球直径近似颗粒碎片(射流)的尺寸,模型预测值与实验观察值在量级上保持一致。如果设定某一临界孔隙率,如fc~0.8,作为颗粒压实体发生破碎的临界条件,理论预测的破碎发生时间和此时砂体球壳的膨胀直径与实验观察值也吻合的很好。通过与宏观数值模拟结果,以及实验观察值的比对,无论对于干燥砂体还是饱和砂体,空隙球膨胀模型均可以成功的预测射流的发端即射流的特征尺寸,表明空穴成长聚合模型很可能是颗粒剥离层的主导破碎机制。另一点值得注意的是,饱和砂体的特征碎片尺寸远小于干燥砂体(小一个数量级),这与实验中观察到的射流尺寸与间隙流体含量的关系是一致的。我们可以从能量的角度来初步理解这一问题。与固体液体不同,颗粒材料中不存在表面张力,即使对于饱和颗粒材料,高压下表面张力相对于压强也是可以忽略的。因此,能量的主要耗散方式不再是通过生成新的表面,而是通过粘性剪切应力的流动来完成的。粘性耗散率取决于剪切应力与剪切应变率的乘积。对于颗粒材料而言,剪切流动应力与压强成正比。由于饱和砂体不可压缩,进入饱和砂体的冲击波能量不用消耗在压实砂体上,因此压强峰值远大于干燥砂体(高一个数量级)。同时饱和砂体中的声速也远大于干燥砂体中的声速,因此反射稀疏波的传播在饱和砂体比干燥砂体快得多(传播时间小一下数量级),反射稀疏波面在饱和砂体中尖锐的多。尽管粘性耗散与压强和碎片尺寸均存在正相关关系,但压强对粘性耗散的影响远大于碎片尺寸。因此,压强更高的饱和砂体的碎片尺寸更小,但耗散的能量远大于干燥砂体。