施绍鲁，闻 泉，王雨时，张志彪



针刺端输出爆轰雷管在传爆序列中起爆特性仿真

施绍鲁，闻 泉，王雨时，张志彪

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京，210094）

为了某榴弹引信爆炸序列优化设计提供参考，利用ANSYS/LS-DYNA软件分析了直径φ4.87 mm针刺端输出爆轰雷管的约束条件对其起爆特性的影响。数值仿真表明：采用雷管套结构，不仅能够使雷管可靠引爆导爆管，还有助于减轻引信重量，雷管输出威力随雷管套厚度增加而增大；雷管套材料对雷管轴向输出威力影响较大；当雷管套底厚超过1mm后，增加雷管套底厚并不能增加雷管轴向输出威力；击发体对雷管的爆轰也有一定的衰减作用；击发体上导爆管输入端厚度增加到0.65 mm时，雷管不再能引爆导爆管。

爆炸序列；雷管；起爆；仿真

对于引信错位式传爆序列而言，由于受限于隔爆安全性要求，在对正状态下的传爆可靠性裕度往往并不大，特别是小口径引信。而引信传爆序列试验又是破坏性试验，故优化引信传爆序列设计的可靠性增长试验往往会消耗较多的引信样品，并且周期长、成本高、工作强度大。

计算机仿真技术的兴起，为引信传爆序列优化设计提供了很好的解决途径。文献[1]仿真研究了海水充入引信爆炸序列后，爆炸序列中雷管与导爆管、导爆管与传爆管之间的传爆性能。文献[2]采用AUTODYN软件对传爆序列结构进行优化设计。文献[3]模拟研究了在四点和八点同步网络起爆条件下，环形传爆药柱的起爆能力。

本文采用针刺端输出爆轰的雷管的某小口径榴弹发射器引信爆炸序列优化设计为背景，借助ANSYS/LS-DYNA软件仿真了针刺端输出爆轰雷管在引信传爆序列中的起爆特性，并进一步分析了雷管约束条件等起爆影响因素。

1 针刺端输出爆轰的针刺雷管

传统的雷管输入端与输出端分别位于雷管的两端。与此相反，也有以针刺端为主输出爆轰的雷管，俗称反向起爆雷管，如图1所示，下端是预定针刺端，也是爆轰输出端，上端是威力试验时的针刺端。

图1 针刺端输出爆轰的针刺雷管

2 仿真模型建立

将图1所示针刺端输出爆轰的针刺雷管用于引信，如图2所示。

图2 有限元仿真模型

忽略击发体径向上的离心球孔与离心球，假设其为轴对称体。当引信自毁作用时，击发体向上运动，击针刺入雷管的同时，击发体上端面与隔爆件下端面相接触，此击发过程有限元仿真模型由雷管、导爆管、隔爆件、击发体和空气组成。

针刺端输出爆轰的针刺雷管起爆药是氮化铅，猛炸药是黑索今。其针刺药对威力影响不大，忽略不计。为处理方便，通过能量相似原理将起爆药转换成等能量的黑索今输出药量[4]：

（1）

式（1）中：W为折合成输出装药黑索今的药量；W为起爆药药量；Q为起爆药对应的爆热；Q为黑索今的爆热。针刺端输出爆轰的针刺雷管折合药量结果如表1所列。

表1 针刺端输出爆轰的针刺雷管参数及折合药量

Tab.1 Acupuncture ended output detonating detonator parameters and converted weight

为保证输出威力相同，把等效装药密度假设为猛炸药密度。由文献[5]可知，装药直径的大小直接影响着爆轰的传播。因为爆轰波在药柱中传播时，除了有化学反应放热外，还有能量耗散。炸药爆炸时会使爆炸产物产生径向膨胀，而这种膨胀造成反应区中能量耗散。为了更贴近于真实的输出威力，本文假设雷管装药直径不变，等效后雷管中药量的减少等效为雷管高度的减小；将雷管装药的能量假设为瞬时释放，忽略其起爆过程和爆轰成长过程。

数值模拟采用LS-DYNA软件，雷管所用的黑索今炸药及其产物的JWL状态方程参数、导爆管所用JH-14炸药的弹塑性模型和点火增长状态方程参数、空气采用的NULL模型和状态方程参数均取自文献[6]，击发体材料分别为HPb59-1铅黄铜、7A04铝合金、2A12铝合金，其弹塑性模型参数取自文献[7]，隔爆件材料分别为7A04铝合金和45钢，其弹塑性模型参数取自文献[8]，雷管套材料分别为TC6钛合金、2A12铝合金和45钢，其弹塑性模型参数取自文献[8]。

3 仿真的可行性

3.1 简化建模的可行性

图2给出的有限元仿真模型只考虑了雷管点铆空位处形成的密闭空间，未考虑引信腔体内的其它密闭空间，而引信腔体内的其它密闭空间效应有可能对雷管爆轰输出产生影响。为了验证该模型的可行性，又建立了另一种仿真有限元模型，如图3所示。

图3 密闭空腔内的仿真模型

图3模型是将图2模型放入密闭空腔内的情形，其空腔体积大小与真实引信体内的空腔大小相同。仿真时雷管套、击发体、雷管、导爆管的模型尺寸均与图2中的有限元模型尺寸相同。为了处理方便，图3中的击发体没有击针尖，起爆点设置在雷管下端面中心处。对应这两种仿真模型的导爆管上端面中心处压力变化如图4所示。

(a) 密闭状态                （b） 敞开状态

由图4可知，在这两种情况下，导爆管上端面压力变化趋势和数值大小几乎完全相同，说明爆轰传播速度很快，在把击发体冲开前就已经传到导爆管处，因此整个起爆过程是否处于密闭空间内对起爆影响很小，建模时不考虑引信体空间密闭状态是可行的，也说明图2有限元模型是可信的。

3.2 仿真的可信性

在导爆管中心轴线上端选取A单元1533、下端选取B单元1421。观察单元上压力随时间的变化，如图5所示。

(a) 7A04铝合金隔爆件              （b） 45钢隔爆件

图5（a）可以看出单元1533和单元1421处的爆轰压力不断衰减，但是单元1421处的峰值小于单元1533处的峰值，并且峰值出现的时间要晚一点，说明导爆管没有被引爆，单元1421处的爆轰只是雷管爆轰传播过来的。从图5（b）可以看出单元1421的压力有明显的增长，并且大于单元1533的峰值压力，说明导爆管已经被引爆，产生了威力更大的爆轰。靶场自毁试验隔爆件材料为7A04铝合金时，自毁传爆序列不能可靠作用，与仿真结果相同，如图6所示。从图6（a）可以看出雷管的威力只能毁坏击发体上端面，在图6（b）中可以通过击发体上的被炸开的孔看见击发体里面的导爆管壳，其内还有少量残余装药JH-14。当隔爆件材料换为45钢时，自毁传爆试验表明雷管能够引爆导爆管，这也与仿真结果相同。此时击发体被导爆管炸碎。由图7（a）可以看出，本体的内螺纹几乎没有损坏，而且本体表面也十分光洁，没什么破坏。而由图7（b）可以看出，导爆管爆炸后破坏了本体内螺纹，并且爆炸烧蚀了本体的内表面以及堵螺。综上可以看出，仿真能够正确地模拟针刺端输出爆轰的雷管在引信爆炸序列中的起爆特性。

（a）            （b）

（a） 隔爆件为7A04铝合金     （b） 隔爆件为45钢

4 影响起爆因素仿真分析

4.1 雷管套壁厚对起爆的影响

当隔爆件材料从7A04铝合金换成45钢时，引信质量相应地增加了十几克，为了减轻引信质量，采用雷管套结构，新的有限元模型如图8所示。雷管套材料为45钢，隔爆件材料为7A04铝合金。调整雷管套外径，观察自毁爆炸序列的作用过程。通过仿真，可知4种雷管套外径情况下雷管均能引爆导爆管。单元1533和单元1421处的压力变化如图9所示。

图8 有雷管套的有限元仿真模型

(a) 单元1533            （b） 单元1421

从图9（a）可以看出雷管套厚度不同情况下，雷管输出爆轰压力变化趋势基本相同，不同之处在于峰值处爆轰压力的大小。即随着雷管套厚度的增加，峰值压力不断增大，但是即使是6mm外径的雷管套也能保证雷管的输出威力。由于雷管套需要定位，上面会有定位销孔，而雷管外径为φ4.87mm，所以雷管套的外径设为8mm比较适合。图9（b）处爆轰峰值压力的不同主要是由于压力曲线是来自导爆管上的单元1421，而该单元会随着导爆管爆炸导致的变形而产生运动，而不是固定某一点处的压力变化。

4.2 雷管套材料对起爆的影响

45钢的密度比7A04铝合金的高得多，即使采用雷管套结构，也使引信增加不少重量，现讨论雷管套采用2A12铝合金、45钢和TC6钛合金等材料时的起爆情况。单元1533处的压力变化曲线如图10所示。雷管套材料分别为2A12铝合金和TC6钛合金时，A单元1533和B单元1421处的压力变化曲线如图11所示。

图10 单元1533处的压力变化曲线

(a) 雷管套材料为2A12铝合金             (b) 雷管套材料为TC6钛合金

从图10可以看出，随着雷管套材料强度的增加，单元1533处的峰值压力逐渐增大。可见，雷管套所用的材料强度越高，针刺端输出爆轰的雷管的输出威力越大。由图11可以看出，当雷管套材料为2A12时，雷管不能引爆导爆管；当雷管套材料为45钢和TC6时，雷管能够引爆导爆管。因此，从起爆可靠性上来说，雷管套材料应优先选取45钢；从减轻重量上来说，雷管套材料应优先选取TC6；从成本上来说，雷管套材料应优先选取45钢。

4.3 雷管套底厚对起爆的影响

为了研究雷管套底厚对雷管输出威力的影响，现改变图8中有限元模型的雷管套底厚（图8中雷管套底厚1.4mm）。击发体轴线上接触导爆管处单元受到的压力变化如图12所示。

图12 雷管套底厚不同时击发体上单元压力变化曲线

由图12可知，雷管套厚度从0增加到1 mm，击发体上单元受到的压力明显增大；雷管套厚度从1 mm增加到2.2 mm，击发体上单元所受的压力几乎没有变化，这表明雷管套底厚在1mm以上的增加对针刺端输出爆轰的雷管输出威力的影响不大。由于结构需要，雷管套底部必须有一定的厚度（至少1 mm），所以此处只讨论雷管套底厚为1mm的情况。综合上面的讨论，在保持雷管不变的情况下，增大针刺端输出爆轰的雷管的输出威力只能靠改变径向约束，最好选用阻抗比较大的材料，比如钢和TC6。

4.4 击发体材料对起爆的影响

为了研究击发体材料对起爆的影响，现保持雷管套底厚1.4 mm、雷管套外径8 mm、雷管套材料为45钢不变，击发体材料分别为2A12铝合金、7A04铝合金和HPb59-1铜。单元1533处的压力变化曲线如图13所示，压力峰值如表2所示。

图13 不同材料击发体下单元1533处的压力变化曲线

表2 单元1533处的峰值压力

Tab.2 Peak pressure of element 1533

从图13和表2可知，衰减率由大到小排序的材料是7A04、2A12和HPb59-1，其中2A12和7A04衰减率相差不大。因此单从利于起爆角度来说，应选取HPb59-1铜作为击发体的材料。

4.5 击发体上导爆管输入端隔板厚度对起爆的影响

保持其他参量不变，只改变击发体上导爆管输入端隔板厚度，隔板厚度不同时，单元1533处的压力变化曲线如图14所示。

图14 单元1533处的压力变化曲线

从图14可以看出，随着隔板厚度的增加，单元1533处的压力不断减小，说明隔板厚度增加使雷管爆轰的衰减逐渐增强。隔板厚度为0.55mm和0.65mm时，A单元1533和B单元1421处的压力变化曲线如图15所示。由图15可知，当隔板厚度增加到0.65mm时，雷管不能引爆导爆管。因此在保证强度的情况下，应尽可能减小导爆管输入端隔板厚度。

图15 不同导爆管输入端隔板厚度下单元1533和单元1421处的压力变化曲线

5 结论

（1）针刺端输出爆轰的雷管爆炸时，爆轰波传播速度很快，可以忽略引信体内其它腔室对整个起爆过程的影响。

（2）采用雷管套结构，不仅能够使雷管可靠引爆导爆管，还能减轻整个引信的重量，而且雷管套外径的增大，能够使雷管的输出威力增大，但是效果不是很明显。对于直径为φ4.87mm的雷管而言，雷管套外径取为φ8mm比较适合。

（3）雷管套材料对雷管轴向输出威力影响较大。当雷管套材料为2A12铝合金时，雷管不能可靠引爆导爆管；当雷管套材料为45钢和TC6时，雷管能够可靠引爆导爆管，且45钢的效果比TC6要好。

（4）当雷管套底厚超过1 mm后，增加雷管套底厚并不能继续增大雷管轴向输出的威力。

（5）击发体对雷管的爆轰也有一定的衰减作用，衰减率由大到小排序的材料是7A04铝合金、2A12铝合金和HPb59-1铅黄铜。

（6）击发体上导爆管输入端厚度的增加，会明显削弱雷管向下传播的爆轰。当厚度增加到0.65 mm时，雷管不能引爆导爆管。

[1] 张新虎.水声干扰器干扰子弹关键技术研究[D].南京:南京理工大学,2012.

[2] 张世林,王清华.深水炸弹引信传爆序列设计研究[J].爆破器材,2015,44(1):60-64.

[3] 刘洪榕,胡立双,胡双启,等.多点同步起爆环形传爆药柱数值模拟研究[J].爆破,2013,30(4):129-131.

[4] 孙业斌,惠军明,曹欣茂.军用混合炸药[M].北京:兵器工业出版社,1995.

[5] Л.П.奥尔连科（Л.П.ОРЛЕНКО）著.爆炸物理学[M].孙承纬,译.北京:科学出版社,2011.

[6] 张磊.机场跑道反封锁弹药技术研究[D].南京:南京理工大学,2012.

[7] 安彦飞.某导弹惯性点火器相关技术仿真与实验研究[D]. 南京:南京理工大学,2013.

[8] 李来福.某枪榴弹机械触发起爆引信关键技术研究[D].南京:南京理工大学,2015.

Simulation of Detonation Characteristics of Acupuncture Detonating Detonator in Detonation Train

SHI Shao-lu, WEN Quan, WANG Yu-shi, ZHANG Zhi-biao

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing, 210094)

In order to provide a reference for optimization design of the explosive train in grenade fuze, the influence of constraints factors on detonation of Φ4.87mm acupuncture detonating detonator were analyzed by using ANSYS/LS-DYNA. The simulation shows that by using detonator set structure, not only the lead was ignited reliably, but also the weight of fuze was reduced. The output of detonator increased with the increase of thickness of detonator set structure. Material of detonator set structure impact the output power obviously. Increasing the bottom thickness of detonator set structure can not increase the output power when thickness exceeds 1 mm. Firing body also has certain effect on attenuation of detonation. When the thickness of firing body top increased to 0.65 mm, detonator cannot detonate lead.

Explosive train；Detonator；Detonation；Simulation

1003-1480（2015）05-0001-05

TJ450.2

A

2015-05-16

施绍鲁（1990-），男，硕士研究生，从事探测制导与控制方向研究。