爆轟參數(shù)及JWL狀態(tài)方程數(shù)值計算軟件#

如果您需要更多資料可以到/week114進行免費查閱中國科技論文在線豆?。?week114爆轟參數(shù)及JWL狀態(tài)方程數(shù)值計算軟件(北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京100081)5摘要：針對氣態(tài)、液態(tài)和凝聚態(tài)爆源，運用Matlab開發(fā)了計算爆轟參數(shù)和JWL方程參數(shù)的可視化軟件，該軟件具有良好用戶界面，采用化學(xué)平衡原理，計算得到爆炸產(chǎn)物組分，在利用BKW狀態(tài)方程計算得到爆轟參數(shù)，最后計算給出JWL狀態(tài)方程的參數(shù)，計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)基本相符。關(guān)鍵詞：爆炸力學(xué)；JWL狀態(tài)方程；爆轟參數(shù)；數(shù)值模擬XIANGCong,ZHANGQi15(StateKeyLaboratoryofExplosionScienceandTechnology,BeijingInstituteofTechnologyBeijing100081)Abstract:Aimingatgaseous,liquidandcondensedexplosivesources,usingMatlabtodevelopanewvisualizationsoftwaretocalculatedetonationparametersandJWLequationofstateparameters.Thesoftwarehasagooduserinterface.Usingtheprincipleofchemicalequilibriumto20calculatetheproductofexplosivecomponents.ByusingBKWequationofstatetocalculatedetonationparameters,calculatetheJWLequationofstateparameters.Thecalculationresultsconsistentwiththeexperimentaldata.Keywords:explosivemechanics;JWLEOS;detonationparameters;numericalsimulation0引言爆炸對周圍破壞響應(yīng)是爆炸物質(zhì)開發(fā)、使用、管理的基礎(chǔ)。通過實驗確定爆炸物質(zhì)對周圍的破壞響應(yīng)需要消耗大量的人力、物力和財力，數(shù)值計算是目前研究爆炸破壞響應(yīng)最有效的方法。在爆炸破壞響應(yīng)的數(shù)值計算中，爆炸物質(zhì)的本構(gòu)方程是必需的。由于本構(gòu)方程確定過程的復(fù)雜性，大多爆炸危險物質(zhì)無法通過數(shù)值模擬得到爆炸破壞響應(yīng)過程。在現(xiàn)有的爆炸30動力響應(yīng)計算中，僅有少數(shù)幾種典型炸藥的狀態(tài)方程參數(shù)具有現(xiàn)成數(shù)據(jù)。對于爆炸能量特征相差較大的爆炸物質(zhì)，利用TNT當量方法進行爆炸響應(yīng)分析在爆炸近區(qū)將產(chǎn)生巨大的誤差。因此找到一般爆炸危險物質(zhì)的本構(gòu)方程，是爆炸科學(xué)領(lǐng)域和公共安全領(lǐng)域迫切需要解決的基礎(chǔ)問題。已有學(xué)者對此進行過探索，但目前還沒有成熟的方法，直接由爆炸物質(zhì)組分得到爆炸本構(gòu)方程仍是爆炸科學(xué)界面臨基本問題。本文根據(jù)化學(xué)平衡和最小自由能原理得到爆炸產(chǎn)35物及其爆炸參數(shù)，并利用BKW方程，最后得到JWL爆炸方程。JWL狀態(tài)方程可直接用于DYNA等大型爆炸動力響應(yīng)有限元數(shù)值計算軟件，進行爆炸動力響應(yīng)計算。1軟件設(shè)計的基本構(gòu)思JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程是典型的動力狀態(tài)方程，它是一種不顯含化學(xué)反應(yīng)，由實驗方法確定的經(jīng)驗狀態(tài)方程，能比較精確地描述爆轟產(chǎn)物的膨脹驅(qū)動做功過程。基金項目：博士點專項科研基金資助(20101101110005)作者簡介：向聰，(1985-),男，博士研究生，主要研究方向：新概念與新原理武器通信聯(lián)系人：··,近年來出版專著、教材各兩部；1999年獲教育部科技進步一等獎，獲國防發(fā)明專利兩項，在國內(nèi)外重要刊物發(fā)表論文多篇，目前主要從事多相擴散與爆炸、巖土動力學(xué)與應(yīng)用、戰(zhàn)斗部技術(shù)、安全技術(shù)等方面的基礎(chǔ)研究.E-mail:qzhang@如果您需要更多資料可以到/week114進行免費查閱JMHA狀態(tài)方程于1965年B曲美國勞倫斯利弗莫爾國家重點實驗室的LeeE.L.在Jones和Wilkins的工作基礎(chǔ)上提出的m。JWL狀態(tài)方程形式如下：RiVR?V其等熵方程為P?=Aerv+BeR?v+CV(+1)1E1ER?VR?和|是JWL狀態(tài)方程的6個待定的參數(shù)。給定炸藥的爆速D,爆壓P,和化學(xué)能E?,通過CJ條件和質(zhì)量動量能量守恒關(guān)系式，可以給出JWL方程系數(shù)之間的某些關(guān)系式。根據(jù)CJ條件可以給出JWL方程系數(shù)之間的某些關(guān)系式。根據(jù)CJ條件,C]ee十Vj22AeR?V?+BeR?v?+CVJ(+))=Pj為了求出JWL狀態(tài)方程的六個系數(shù)，一般要進行“圓筒試驗”。圓筒試驗首先由克萊等提出4),得到了廣泛應(yīng)用，我國已經(jīng)將其定為國家標準。也可以利用流體動力學(xué)程序，通過數(shù)值模擬計算圓筒試驗過程[s]。由經(jīng)驗方法估計一組待定的JWL的6個參數(shù)，代入計算程序中進行圓筒膨脹過程的數(shù)值模擬計算，如果數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)不符，則重新設(shè)定參數(shù)，直到計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)相符為止，此時選定的參數(shù)即為JWL狀態(tài)方程參數(shù)。對于不同的炸藥，要確定其JWL參數(shù)，不論是圓筒試驗還是進行數(shù)值模擬，都會花費大量的人力、財力、物力，對于昂貴或新研制的炸藥則更加困難，因此，需要一種更為方便快捷的方法來求解這六個系數(shù)。對于給定的炸藥，可以理論計算得到顯含化學(xué)反應(yīng)的爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程，然后根據(jù)前者計算得到的等熵條件下的壓力P、爆速D、爆熱Q、相對體積V等參數(shù)來確定JWL狀態(tài)方程參數(shù)，也就是要確定相關(guān)的六個系數(shù)。具體做法如下：1.確定炸藥的組成，生成熱和密度等物理參數(shù)。2.根據(jù)化學(xué)反應(yīng)平衡和BKW狀態(tài)方程計算CJ爆轟參數(shù)。3.將BKW狀態(tài)方程計算的CJ爆轟參數(shù)代入JWL方程(1),及其三個關(guān)系式方程(3)(4)(5)中，使用列舉法，將各參數(shù)在可能取值的范圍內(nèi)一一列舉，反復(fù)迭代，直到四個方程的左右兩邊之差同時小于一個給定的值為止，此時的A、B、C、R?、R?和|即為所求的JWL狀態(tài)方程參數(shù)。軟件的流程圖如圖1所示。如果您需要更多資料可以到/week114進行免費查閱3中國科技論文在線開始輸入炸藥的各種元素的摩爾數(shù)、假定爆溫T2假定爆壓P2中計算P2、T2下的平衡組分根據(jù)平衡組分，利用BKW方程計算爆壓PNP2=PYNHi-(P.PO(V+VO)-HOY根據(jù)平衡組分。計薛爆熱Q,爆速D,等熵指數(shù)根據(jù)爆壓P,爆熱Q,爆速D,等簡指數(shù)gamma,炸藥初始密度A得到JWL方程ABR1R2a5個參數(shù)輸出計算結(jié)果結(jié)束2軟件的基本功能計算軟件通過圖形用戶界面輸入，必須輸入的參數(shù)均已給出默認值，用戶可作相應(yīng)修改80并進行新的計算，具體計算流程如下：a輸入初始環(huán)境參數(shù)：環(huán)境參數(shù)包括了初始溫度及壓力，默認值為298K及1atm。b輸入爆源參數(shù)：輸入爆源的生成熱和密度，默認值為73220J/mol,1.64g/cm?,圖形用戶界面中，爆源可包含多種元素。以TNT為例，1molTNT中含有了C:7mol;H:5mol;0:6mol;N:3mol,即為輸入?yún)?shù)，如果您需要更多資料可以到/week114進行免費查閱2.2計算結(jié)果當參數(shù)輸入完成后，點擊界面上的“[開始計算]”按鈕即可進行參數(shù)計算。計算完成后給出爆炸產(chǎn)物組分、爆溫、爆壓、爆速及JWL狀態(tài)方程參數(shù)。單擊界面上的“[清除參數(shù)]”按鈕可將計算結(jié)果及輸入?yún)?shù)均清除，用戶可重新修改輸入?yún)?shù)，并點擊“[開始計算]”按鈕開始新的計算。3計算實例ECX炸藥是一種以HMX為主炸藥的擠注炸藥[o,ECX具有其它高能炸藥所不具有的特點，如高能量、低感度和獨特的平滑爆轟波頭以及容易制造等，因此它可代替感度較高、制造工藝較復(fù)雜的壓裝PBX,用于高性能導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部裝藥。表1為ECX炸藥的配方。計算得到ECX炸藥爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程參數(shù)如表2。表3為ECX炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)計 表1混合炸藥的配方炸藥名稱ECX-02炸藥成分HMX/聚合物增塑劑w/%分子式C1sHa?N23O??△H/(J⑥mol-)p/(g④cm=) 表2ECX炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)7炸藥名稱A/GPaB/GPaC/GPaR?7注：ECX-02為文獻[6]的實驗數(shù)據(jù)；ECX-03為本軟件計算的數(shù)據(jù)Table3TherelativeerrorofJWLEOSparametersofECXex利用本文的數(shù)值計算方法，得到TNT炸藥的JWL方程參數(shù)，并將計算結(jié)果與文獻[7]的實驗結(jié)果進行比較(表-4),本文與實驗結(jié)果基本吻合。表4TNT炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)Table4TheJWLEOSparametersofTNTexplosive炸藥名稱A/GPaB/GPaRR?TNT1n3.7120.03231注：TNT1為根據(jù)文獻[7]查詢到的數(shù)據(jù)；TNT2為本軟件計算的數(shù)據(jù)。Table5TNTTable5TNTTherelativeerrorofJWLEOSparametersofTNTexplosive(unit:%)00將兩組TNT炸藥的JWL狀態(tài)方程參數(shù)分別嵌入到DYAN中進行數(shù)值模擬，計算模型如圖2所示，炸藥為立方體形狀，質(zhì)量為1kg,設(shè)置為中心起爆，鋼板的正面為一連長為60cm的正方形，厚1mm,其四周固定，炸藥、空氣、鋼板之間采用流構(gòu)偶合算法，空氣的邊界設(shè)置非反射邊界，圖3為模型的尺寸示意圖。圖4和圖5分別是鋼板上同一點處的壓力和位移。如果您需要更多資料可以到/week114進行免費查閱www.www.thl圖4鋼板上同一點處的壓力Fig圖4鋼板上同一點處的壓力Fig4PressureofthesamepointonsteelplateFig5Displacementofthesamepointonsteelplate從圖4和圖5可以看出，同一點上的壓力和位移相差很小，本軟件計算出來的參數(shù)與文獻中的確實有一些差別，如表5所示，但實際應(yīng)用時與文獻中參數(shù)的模擬結(jié)果相差很小，可以運用于工程實際。4結(jié)論本文開發(fā)了基于爆源組分確定JWL狀態(tài)方程的數(shù)值方法，解決了一般爆炸危險源爆炸動力響應(yīng)和破壞數(shù)值模擬技術(shù)中的瓶頸問題，應(yīng)用實例表明，本文的理論分析和程序計算結(jié)果可靠，與實驗結(jié)果相符，能滿足工程實際的需求。以TNT炸藥為研究對象，將本文數(shù)值計算得到的的JWL狀態(tài)方程參數(shù)和已有的JWL狀態(tài)方程參數(shù)嵌入DYNA中進行計算，算例表明兩者符合較好。很好地解決了前人程序只能計算包含C、H、O、N等少量元素炸藥的爆轟參數(shù)的問題，為包含多種元素炸藥的研究及應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。[1]JacobsSJ.Ontheequationofstatefordetonationproductsathighdesity[A].12thSymposium(Internaoncombustion[C