爆轰参数及JWL状态方程数值计算软件#

如果您需要更多资料可以到/week114进行免费查阅中国科技论文在线豆丁：/week114爆轰参数及JWL状态方程数值计算软件(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081)5摘要：针对气态、液态和凝聚态爆源，运用Matlab开发了计算爆轰参数和JWL方程参数的可视化软件，该软件具有良好用户界面，采用化学平衡原理，计算得到爆炸产物组分，在利用BKW状态方程计算得到爆轰参数，最后计算给出JWL状态方程的参数，计算结果与实验数据基本相符。关键词：爆炸力学；JWL状态方程；爆轰参数；数值模拟XIANGCong,ZHANGQi15(StateKeyLaboratoryofExplosionScienceandTechnology,BeijingInstituteofTechnologyBeijing100081)Abstract:Aimingatgaseous,liquidandcondensedexplosivesources,usingMatlabtodevelopanewvisualizationsoftwaretocalculatedetonationparametersandJWLequationofstateparameters.Thesoftwarehasagooduserinterface.Usingtheprincipleofchemicalequilibriumto20calculatetheproductofexplosivecomponents.ByusingBKWequationofstatetocalculatedetonationparameters,calculatetheJWLequationofstateparameters.Thecalculationresultsconsistentwiththeexperimentaldata.Keywords:explosivemechanics;JWLEOS;detonationparameters;numericalsimulation0引言爆炸对周围破坏响应是爆炸物质开发、使用、管理的基础。通过实验确定爆炸物质对周围的破坏响应需要消耗大量的人力、物力和财力，数值计算是目前研究爆炸破坏响应最有效的方法。在爆炸破坏响应的数值计算中，爆炸物质的本构方程是必需的。由于本构方程确定过程的复杂性，大多爆炸危险物质无法通过数值模拟得到爆炸破坏响应过程。在现有的爆炸30动力响应计算中，仅有少数几种典型炸药的状态方程参数具有现成数据。对于爆炸能量特征相差较大的爆炸物质，利用TNT当量方法进行爆炸响应分析在爆炸近区将产生巨大的误差。因此找到一般爆炸危险物质的本构方程，是爆炸科学领域和公共安全领域迫切需要解决的基础问题。已有学者对此进行过探索，但目前还没有成熟的方法，直接由爆炸物质组分得到爆炸本构方程仍是爆炸科学界面临基本问题。本文根据化学平衡和最小自由能原理得到爆炸产35物及其爆炸参数，并利用BKW方程，最后得到JWL爆炸方程。JWL状态方程可直接用于DYNA等大型爆炸动力响应有限元数值计算软件，进行爆炸动力响应计算。1软件设计的基本构思JWL(Jones-Wilkins-Lee)状态方程是典型的动力状态方程，它是一种不显含化学反应，由实验方法确定的经验状态方程，能比较精确地描述爆轰产物的膨胀驱动做功过程。基金项目：博士点专项科研基金资助(20101101110005)作者简介：向聪，(1985-),男，博士研究生，主要研究方向：新概念与新原理武器通信联系人：··,近年来出版专著、教材各两部；1999年获教育部科技进步一等奖，获国防发明专利两项，在国内外重要刊物发表论文多篇，目前主要从事多相扩散与爆炸、岩土动力学与应用、战斗部技术、安全技术等方面的基础研究.E-mail:qzhang@如果您需要更多资料可以到/week114进行免费查阅JMHA状态方程于1965年B曲美国劳伦斯利弗莫尔国家重点实验室的LeeE.L.在Jones和Wilkins的工作基础上提出的m。JWL状态方程形式如下：RiVR₁V其等熵方程为P₅=Aerv+BeR₂v+CV(+1)1E1ER₂VR₂和|是JWL状态方程的6个待定的参数。给定炸药的爆速D,爆压P,和化学能E₀,通过CJ条件和质量动量能量守恒关系式，可以给出JWL方程系数之间的某些关系式。根据CJ条件可以给出JWL方程系数之间的某些关系式。根据CJ条件,C]ee十Vj22AeR₁V₁+BeR₂v₁+CVJ(+))=Pj为了求出JWL状态方程的六个系数，一般要进行“圆筒试验”。圆筒试验首先由克莱等提出4),得到了广泛应用，我国已经将其定为国家标准。也可以利用流体动力学程序，通过数值模拟计算圆筒试验过程[s]。由经验方法估计一组待定的JWL的6个参数，代入计算程序中进行圆筒膨胀过程的数值模拟计算，如果数值模拟结果与实验数据不符，则重新设定参数，直到计算结果与实验数据相符为止，此时选定的参数即为JWL状态方程参数。对于不同的炸药，要确定其JWL参数，不论是圆筒试验还是进行数值模拟，都会花费大量的人力、财力、物力，对于昂贵或新研制的炸药则更加困难，因此，需要一种更为方便快捷的方法来求解这六个系数。对于给定的炸药，可以理论计算得到显含化学反应的爆轰产物状态方程，然后根据前者计算得到的等熵条件下的压力P、爆速D、爆热Q、相对体积V等参数来确定JWL状态方程参数，也就是要确定相关的六个系数。具体做法如下：1.确定炸药的组成，生成热和密度等物理参数。2.根据化学反应平衡和BKW状态方程计算CJ爆轰参数。3.将BKW状态方程计算的CJ爆轰参数代入JWL方程(1),及其三个关系式方程(3)(4)(5)中，使用列举法，将各参数在可能取值的范围内一一列举，反复迭代，直到四个方程的左右两边之差同时小于一个给定的值为止，此时的A、B、C、R₁、R₂和|即为所求的JWL状态方程参数。软件的流程图如图1所示。如果您需要更多资料可以到/week114进行免费查阅3中国科技论文在线开始输入炸药的各种元素的摩尔数、假定爆温T2假定爆压P2中计算P2、T2下的平衡组分根据平衡组分，利用BKW方程计算爆压PNP2=PYNHi-(P.PO(V+VO)-HOY根据平衡组分。计薛爆热Q,爆速D,等熵指数根据爆压P,爆热Q,爆速D,等简指数gamma,炸药初始密度A得到JWL方程ABR1R2a5个参数输出计算结果结束2软件的基本功能计算软件通过图形用户界面输入，必须输入的参数均已给出默认值，用户可作相应修改80并进行新的计算，具体计算流程如下：a输入初始环境参数：环境参数包括了初始温度及压力，默认值为298K及1atm。b输入爆源参数：输入爆源的生成热和密度，默认值为73220J/mol,1.64g/cm₃,图形用户界面中，爆源可包含多种元素。以TNT为例，1molTNT中含有了C:7mol;H:5mol;0:6mol;N:3mol,即为输入参数，如果您需要更多资料可以到/week114进行免费查阅2.2计算结果当参数输入完成后，点击界面上的“[开始计算]”按钮即可进行参数计算。计算完成后给出爆炸产物组分、爆温、爆压、爆速及JWL状态方程参数。单击界面上的“[清除参数]”按钮可将计算结果及输入参数均清除，用户可重新修改输入参数，并点击“[开始计算]”按钮开始新的计算。3计算实例ECX炸药是一种以HMX为主炸药的挤注炸药[o,ECX具有其它高能炸药所不具有的特点，如高能量、低感度和独特的平滑爆轰波头以及容易制造等，因此它可代替感度较高、制造工艺较复杂的压装PBX,用于高性能导弹战斗部装药。表1为ECX炸药的配方。计算得到ECX炸药爆轰产物JWL状态方程参数如表2。表3为ECX炸药JWL状态方程参数计 表1混合炸药的配方炸药名称ECX-02炸药成分HMX/聚合物增塑剂w/%分子式C1sHa₇N23O₂₄△H/(J⑥mol-)p/(g④cm=) 表2ECX炸药JWL状态方程参数7炸药名称A/GPaB/GPaC/GPaR₁7注：ECX-02为文献[6]的实验数据；ECX-03为本软件计算的数据Table3TherelativeerrorofJWLEOSparametersofECXex利用本文的数值计算方法，得到TNT炸药的JWL方程参数，并将计算结果与文献[7]的实验结果进行比较(表-4),本文与实验结果基本吻合。表4TNT炸药JWL状态方程参数Table4TheJWLEOSparametersofTNTexplosive炸药名称A/GPaB/GPaRR₂TNT1n3.7120.03231注：TNT1为根据文献[7]查询到的数据；TNT2为本软件计算的数据。Table5TNTTable5TNTTherelativeerrorofJWLEOSparametersofTNTexplosive(unit:%)00将两组TNT炸药的JWL状态方程参数分别嵌入到DYAN中进行数值模拟，计算模型如图2所示，炸药为立方体形状，质量为1kg,设置为中心起爆，钢板的正面为一连长为60cm的正方形，厚1mm,其四周固定，炸药、空气、钢板之间采用流构偶合算法，空气的边界设置非反射边界，图3为模型的尺寸示意图。图4和图5分别是钢板上同一点处的压力和位移。如果您需要更多资料可以到/week114进行免费查阅www.www.thl图4钢板上同一点处的压力Fig图4钢板上同一点处的压力Fig4PressureofthesamepointonsteelplateFig5Displacementofthesamepointonsteelplate从图4和图5可以看出，同一点上的压力和位移相差很小，本软件计算出来的参数与文献中的确实有一些差别，如表5所示，但实际应用时与文献中参数的模拟结果相差很小，可以运用于工程实际。4结论本文开发了基于爆源组分确定JWL状态方程的数值方法，解决了一般爆炸危险源爆炸动力响应和破坏数值模拟技术中的瓶颈问题，应用实例表明，本文的理论分析和程序计算结果可靠，与实验结果相符，能满足工程实际的需求。以TNT炸药为研究对象，将本文数值计算得到的的JWL状态方程参数和已有的JWL状态方程参数嵌入DYNA中进行计算，算例表明两者符合较好。很好地解决了前人程序只能计算包含C、H、O、N等少量元素炸药的爆轰参数的问题，为包含多种元素炸药的研究及应用打下了基础。[1]JacobsSJ.Ontheequationofstatefordetonationproductsathighdesity[A].12thSymposium(Internaoncombustion[C