爆轟參數(shù)及JWL狀態(tài)方程數(shù)值計(jì)算軟件#

如果您需要更多資料可以到/week114進(jìn)行免費(fèi)查閱中國(guó)科技論文在線豆?。?week114爆轟參數(shù)及JWL狀態(tài)方程數(shù)值計(jì)算軟件(北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)5摘要：針對(duì)氣態(tài)、液態(tài)和凝聚態(tài)爆源，運(yùn)用Matlab開(kāi)發(fā)了計(jì)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(jì)算得到爆炸產(chǎn)物組分，在利用BKW狀態(tài)方程計(jì)算得到爆轟參數(shù)，最后計(jì)算給出JWL狀態(tài)方程的參數(shù)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(duì)周圍破壞響應(yīng)是爆炸物質(zhì)開(kāi)發(fā)、使用、管理的基礎(chǔ)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定爆炸物質(zhì)對(duì)周圍的破壞響應(yīng)需要消耗大量的人力、物力和財(cái)力，數(shù)值計(jì)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(jì)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(guò)程的復(fù)雜性，大多爆炸危險(xiǎn)物質(zhì)無(wú)法通過(guò)數(shù)值模擬得到爆炸破壞響應(yīng)過(guò)程。在現(xiàn)有的爆炸30動(dòng)力響應(yīng)計(jì)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(duì)于爆炸能量特征相差較大的爆炸物質(zhì)，利用TNT當(dāng)量方法進(jìn)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(xiǎn)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(wèn)題。已有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過(guò)探索，但目前還沒(méi)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(wèn)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(dòng)力響應(yīng)有限元數(shù)值計(jì)算軟件，進(jìn)行爆炸動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算。1軟件設(shè)計(jì)的基本構(gòu)思JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程是典型的動(dòng)力狀態(tài)方程，它是一種不顯含化學(xué)反應(yīng)，由實(shí)驗(yàn)方法確定的經(jīng)驗(yàn)狀態(tài)方程，能比較精確地描述爆轟產(chǎn)物的膨脹驅(qū)動(dòng)做功過(guò)程?；痦?xiàng)目：博士點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助(20101101110005)作者簡(jiǎn)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(lái)出版專著、教材各兩部；1999年獲教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，獲國(guó)防發(fā)明專利兩項(xiàng)，在國(guó)內(nèi)外重要刊物發(fā)表論文多篇，目前主要從事多相擴(kuò)散與爆炸、巖土動(dòng)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(jìn)行免費(fèi)查閱JMHA狀態(tài)方程于1965年B曲美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gè)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(guò)CJ條件和質(zhì)量動(dòng)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(gè)系數(shù)，一般要進(jìn)行“圓筒試驗(yàn)”。圓筒試驗(yàn)首先由克萊等提出4),得到了廣泛應(yīng)用，我國(guó)已經(jīng)將其定為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。也可以利用流體動(dòng)力學(xué)程序，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算圓筒試驗(yàn)過(guò)程[s]。由經(jīng)驗(yàn)方法估計(jì)一組待定的JWL的6個(gè)參數(shù)，代入計(jì)算程序中進(jìn)行圓筒膨脹過(guò)程的數(shù)值模擬計(jì)算，如果數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不符，則重新設(shè)定參數(shù)，直到計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符為止，此時(shí)選定的參數(shù)即為JWL狀態(tài)方程參數(shù)。對(duì)于不同的炸藥，要確定其JWL參數(shù)，不論是圓筒試驗(yàn)還是進(jìn)行數(shù)值模擬，都會(huì)花費(fèi)大量的人力、財(cái)力、物力，對(duì)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(lái)求解這六個(gè)系數(shù)。對(duì)于給定的炸藥，可以理論計(jì)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(jì)算得到的等熵條件下的壓力P、爆速D、爆熱Q、相對(duì)體積V等參數(shù)來(lái)確定JWL狀態(tài)方程參數(shù)，也就是要確定相關(guān)的六個(gè)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(jì)算CJ爆轟參數(shù)。3.將BKW狀態(tài)方程計(jì)算的CJ爆轟參數(shù)代入JWL方程(1),及其三個(gè)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(gè)方程的左右兩邊之差同時(shí)小于一個(gè)給定的值為止，此時(shí)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(jìn)行免費(fèi)查閱3中國(guó)科技論文在線開(kāi)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(jì)算P2、T2下的平衡組分根據(jù)平衡組分，利用BKW方程計(jì)算爆壓PNP2=PYNHi-(P.PO(V+VO)-HOY根據(jù)平衡組分。計(jì)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(jiǎn)指數(shù)gamma,炸藥初始密度A得到JWL方程ABR1R2a5個(gè)參數(shù)輸出計(jì)算結(jié)果結(jié)束2軟件的基本功能計(jì)算軟件通過(guò)圖形用戶界面輸入，必須輸入的參數(shù)均已給出默認(rèn)值，用戶可作相應(yīng)修改80并進(jìn)行新的計(jì)算，具體計(jì)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(rèn)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(rèn)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(jìn)行免費(fèi)查閱2.2計(jì)算結(jié)果當(dāng)參數(shù)輸入完成后，點(diǎn)擊界面上的“[開(kāi)始計(jì)算]”按鈕即可進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。計(jì)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(jì)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(diǎn)擊“[開(kāi)始計(jì)算]”按鈕開(kāi)始新的計(jì)算。3計(jì)算實(shí)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(diǎn)，如高能量、低感度和獨(dú)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(jì)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(jì) 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(xiàn)[6]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；ECX-03為本軟件計(jì)算的數(shù)據(jù)Table3TherelativeerrorofJWLEOSparametersofECXex利用本文的數(shù)值計(jì)算方法，得到TNT炸藥的JWL方程參數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[7]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較(表-4),本文與實(shí)驗(yàn)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(xiàn)[7]查詢到的數(shù)據(jù)；TNT2為本軟件計(jì)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(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)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(zhǎng)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(diǎn)處的壓力和位移。如果您需要更多資料可以到/week114進(jìn)行免費(fèi)查閱www.www.thl圖4鋼板上同一點(diǎn)處的壓力Fig圖4鋼板上同一點(diǎn)處的壓力Fig4PressureofthesamepointonsteelplateFig5Displacementofthesamepointonsteelplate從圖4和圖5可以看出，同一點(diǎn)上的壓力和位移相差很小，本軟件計(jì)算出來(lái)的參數(shù)與文獻(xiàn)中的確實(shí)有一些差別，如表5所示，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)與文獻(xiàn)中參數(shù)的模擬結(jié)果相差很小，可以運(yùn)用于工程實(shí)際。4結(jié)論本文開(kāi)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(xiǎn)源爆炸動(dòng)力響應(yīng)和破壞數(shù)值模擬技術(shù)中的瓶頸問(wèn)題，應(yīng)用實(shí)例表明，本文的理論分析和程序計(jì)算結(jié)果可靠，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，能滿足工程實(shí)際的需求。以TNT炸藥為研究對(duì)象，將本文數(shù)值計(jì)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(jìn)行計(jì)算，算例表明兩者符合較好。很好地解決了前人程序只能計(jì)算包含C、H、O、N等少量元素炸藥的爆轟參數(shù)的問(wèn)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