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摘 要
以JOB-9003炸药为对象，进行了苏珊试验，采用X光机进行壳体边界的测试和相关数值计算，通过模型建立比较计算结果与试验试剂结果，从而全面分析了苏珊试验弹在撞击过程中的变形情况和炸药内部压力及应变情况，旨在为相关研究与实践提供参考。
【关键词】苏珊试验；弹体形变测量；模拟计算；X光机
炸药安全性能至关重要，国内外建立了众多炸药安全性能试验方法，例如跌落试验、枪击试验等，其中苏珊试验能够有效模拟炸药遭受意外撞击时的安全性能，并進行模拟数值计算分析。但需要注意的是，受到试验条件的限制，苏珊试验手段有限，传统手段不能获得撞击后清晰的壳体变形过程，且不利于数值计算对比。基于以上，本文提出了一种新的苏珊试验测试方法，即X光测试，采用此方法进行弹体形变的测量和模拟计算。
1 试验分析
1.1 试验原理
苏珊试验是一种射弹试验，主要目的是测量炸药撞击感度，主要试验原理如下：在壳体中装入炸药，以空气炮或火炮的方式发射试验弹，弹丸经过3.7m左右后撞击钢靶。以氦氖激光器、测时仪、等光电系统为基础进行弹丸飞行速度的测量，利用告诉摄影系统对弹丸着靶姿态及撞靶之后的变形情况等全部过程进行拍摄，利用传感器、电荷放大器等组成的数据采集系统进行数据采集，测量炸药爆炸后形成的空气冲击波超压，通过试验能够得到弹丸撞靶速度与相对释放能关系的炸药撞击感度曲线。
1.2 试验方法
在苏珊试验弹中装入炸药柱，弹重量在5.44kg左右，口径为φ82mm。本试验旨在探索低速条件下炸药及铝壳的变形，因此采用压缩空气炮进行试验弹的发射，试验弹发射之后撞击前方3.7m处的钢靶之上。场外试验过程中，大部分的X光机系统器件都暴露在外，为了保证仪器安全，在水泥墩后放置X光机后，用加厚挡板进行防护。除了传统测试手段外，试验中还采用两台脉冲闪光机来进行动态测试，在钢靶上安装探针，试验弹撞击钢靶时，会导通并触发电信号，利用延时同步机向X光机发送动作信号，以示波器关联时间关系原理为基础实现对X光机的触发。
试验弹撞击钢靶之后，从两个不同角度和时刻对铝壳的变形过程进行拍摄，X光源与钢靶靶心之间的距离为1.73m。
1.3 试验结果
以JOB-9003炸药为试验对象开展苏珊试验，弹速为125m·s-1的时候弹丸撞靶，之后X光机分别在100us和200us两个时刻进行图像拍摄，由拍摄图像能够对壳体外边界的挤压变形过程进行分辨与识别。
相较于高速相机拍摄的照片来说，X光测试方法得到的图像更为清晰，打破了传统方法的局限性，结合200us时刻拍摄的照片可知，在弹丸撞靶后，铝壳开始发生变形，随着铝壳变形，炸药发生塑性流动，在一定程度发生点火爆炸，爆炸过程中存在一定延迟。根据以往的试验研究结果可知，JOB-9003炸药在此速度撞靶的延迟时间在450us左右，炸药在撞击下受到挤压和流动摩擦作用产生受热分解，从而形成点火甚至爆轰，形成点或爆炸。处理撞靶后的X光机拍摄图像，得到各个时刻壳体边界膨胀情况，可以发现，在100us的时候，壳体发生的变形仅为几毫米，属于轻微变形状态，整个炸药后端几乎没有出现变形，而在200us的时候，壳体发生了严重的变形，变形达到了25mm，在100us-200us之间，随着铝壳的变形，炸药产生了塑性流动，而在严重变形下，炸药仍然没有发生点火爆炸，由此可推测，此时炸药受到挤压和流动摩擦的影响，使得其内部能量发生了向热能的转换，炸药受热之后出现分解，最终实现点火爆炸。
2 数值计算
为了对铝壳和炸药内部应力应变进行研究，进行上述分析结果和结构的二维数值计算。采用有限元程序ANSYS/LSDYNA进行弹塑性材料的建模计算，其中DYNA程序采用单点高斯积分进行计算，以中心差分法为基础进行时间积分，并将沙漏粘性控制零能模态引入其中。以动量方程、质量守恒方程及能量方程为基础，确定屈服条件，选择计算模型初始网格中的三个点，分别为炸药的顶部、炸药的尾部和炸药的中部，材料参数如表1所示。
对100us时壳体边界线进行计算，与得出100us实验结果壳体边界线进行对比，得出对比图。由图可知，计算值与试验实际值较为符合，但炸药在动态加载下相关参数缺乏，且内部温度及反应程度也会带来一定影响，再加上本试验采用的JOB-9003炸药本身动力学方程缺乏相关参数，因此难以实现利用反应速率方程进行建模，有待进一步完善。对压力及应变曲线进行计算，由计算结果可知，最先发生变形位置为炸药顶部的点，变形程度较大，在撞靶之后200us时，其应变约为130%，同时呈现出增大趋势，压力峰值在0.13GPa左右；在撞靶70us左右时，炸药中部的点开始形变，撞靶后200us内压力峰值在0.05GPa左右；最后发生变形部位为炸药尾部的点，在撞靶后200us内其压力峰值为0.06GPa左右。
3 结论
综上所述，苏珊试验应用X光测试方法的过程中，在弹丸撞击钢靶之后，能够清晰的拍摄处于烟雾包裹下的铝壳边界，相较于传统高速摄影方法来说，其清晰度更加优良。将数值计算结果与实际拍摄图像进行对比，对炸药内部应力进行测量，建立材料模型，以此來实现对苏珊试验中速度阈值的预估，实现了整个试验的定量分析。由试验结果可知，在弹丸撞靶之后，炸药不同部位出现变形的时间不同，其中炸药顶部最先出现变形，之后炸药中部和炸药尾部相继出现变形，炸药顶部压力峰值为0.13GPa左右，炸药中部压力峰值在0.05GPa左右，炸药尾部压力峰值在0.06GPa左右，炸药受到挤压和流动摩擦的影响，使得其内部能量发生了向热能的转换，炸药受热之后出现分解，最终实现点火爆炸。
参考文献
[1]代晓淦，韩敦信，向永，李涛.苏珊试验中弹体形变的测量和模拟计算[J].含能材料，2004（04）：235-238.
[2]花成，张盛国.精密落锤药片撞击感度试验研究[A].中国化学会.第五届全国“公共安全领域中的化学问题”暨第三届危险物质与安全应急技术研讨会论文集[C].中国化学会，2015（05）.
[3]花成，张盛国，文雯，洪少炜，江剑.炸药低速撞击试验的分析与讨论[J].爆破器材，2010（05）：1-3+6.
[4]胡庆贤，花成.钝感炸药在机械撞击下爆炸危险性评价[J].火炸药学报，1997（02）：8-11.
作者简介
王建军（1993-），陕西省横山县人。大学本科学历。现为西安文理学院在读大学生。研究方向为应用物理学专业。
作者单位
西安文理学院 陕西省西安市 710065
以JOB-9003炸药为对象，进行了苏珊试验，采用X光机进行壳体边界的测试和相关数值计算，通过模型建立比较计算结果与试验试剂结果，从而全面分析了苏珊试验弹在撞击过程中的变形情况和炸药内部压力及应变情况，旨在为相关研究与实践提供参考。
【关键词】苏珊试验；弹体形变测量；模拟计算；X光机
炸药安全性能至关重要，国内外建立了众多炸药安全性能试验方法，例如跌落试验、枪击试验等，其中苏珊试验能够有效模拟炸药遭受意外撞击时的安全性能，并進行模拟数值计算分析。但需要注意的是，受到试验条件的限制，苏珊试验手段有限，传统手段不能获得撞击后清晰的壳体变形过程，且不利于数值计算对比。基于以上，本文提出了一种新的苏珊试验测试方法，即X光测试，采用此方法进行弹体形变的测量和模拟计算。
1 试验分析
1.1 试验原理
苏珊试验是一种射弹试验，主要目的是测量炸药撞击感度，主要试验原理如下：在壳体中装入炸药，以空气炮或火炮的方式发射试验弹，弹丸经过3.7m左右后撞击钢靶。以氦氖激光器、测时仪、等光电系统为基础进行弹丸飞行速度的测量，利用告诉摄影系统对弹丸着靶姿态及撞靶之后的变形情况等全部过程进行拍摄，利用传感器、电荷放大器等组成的数据采集系统进行数据采集，测量炸药爆炸后形成的空气冲击波超压，通过试验能够得到弹丸撞靶速度与相对释放能关系的炸药撞击感度曲线。
1.2 试验方法
在苏珊试验弹中装入炸药柱，弹重量在5.44kg左右，口径为φ82mm。本试验旨在探索低速条件下炸药及铝壳的变形，因此采用压缩空气炮进行试验弹的发射，试验弹发射之后撞击前方3.7m处的钢靶之上。场外试验过程中，大部分的X光机系统器件都暴露在外，为了保证仪器安全，在水泥墩后放置X光机后，用加厚挡板进行防护。除了传统测试手段外，试验中还采用两台脉冲闪光机来进行动态测试，在钢靶上安装探针，试验弹撞击钢靶时，会导通并触发电信号，利用延时同步机向X光机发送动作信号，以示波器关联时间关系原理为基础实现对X光机的触发。
试验弹撞击钢靶之后，从两个不同角度和时刻对铝壳的变形过程进行拍摄，X光源与钢靶靶心之间的距离为1.73m。
1.3 试验结果
以JOB-9003炸药为试验对象开展苏珊试验，弹速为125m·s-1的时候弹丸撞靶，之后X光机分别在100us和200us两个时刻进行图像拍摄，由拍摄图像能够对壳体外边界的挤压变形过程进行分辨与识别。
相较于高速相机拍摄的照片来说，X光测试方法得到的图像更为清晰，打破了传统方法的局限性，结合200us时刻拍摄的照片可知，在弹丸撞靶后，铝壳开始发生变形，随着铝壳变形，炸药发生塑性流动，在一定程度发生点火爆炸，爆炸过程中存在一定延迟。根据以往的试验研究结果可知，JOB-9003炸药在此速度撞靶的延迟时间在450us左右，炸药在撞击下受到挤压和流动摩擦作用产生受热分解，从而形成点火甚至爆轰，形成点或爆炸。处理撞靶后的X光机拍摄图像，得到各个时刻壳体边界膨胀情况，可以发现，在100us的时候，壳体发生的变形仅为几毫米，属于轻微变形状态，整个炸药后端几乎没有出现变形，而在200us的时候，壳体发生了严重的变形，变形达到了25mm，在100us-200us之间，随着铝壳的变形，炸药产生了塑性流动，而在严重变形下，炸药仍然没有发生点火爆炸，由此可推测，此时炸药受到挤压和流动摩擦的影响，使得其内部能量发生了向热能的转换，炸药受热之后出现分解，最终实现点火爆炸。
2 数值计算
为了对铝壳和炸药内部应力应变进行研究，进行上述分析结果和结构的二维数值计算。采用有限元程序ANSYS/LSDYNA进行弹塑性材料的建模计算，其中DYNA程序采用单点高斯积分进行计算，以中心差分法为基础进行时间积分，并将沙漏粘性控制零能模态引入其中。以动量方程、质量守恒方程及能量方程为基础，确定屈服条件，选择计算模型初始网格中的三个点，分别为炸药的顶部、炸药的尾部和炸药的中部，材料参数如表1所示。
对100us时壳体边界线进行计算，与得出100us实验结果壳体边界线进行对比，得出对比图。由图可知，计算值与试验实际值较为符合，但炸药在动态加载下相关参数缺乏，且内部温度及反应程度也会带来一定影响，再加上本试验采用的JOB-9003炸药本身动力学方程缺乏相关参数，因此难以实现利用反应速率方程进行建模，有待进一步完善。对压力及应变曲线进行计算，由计算结果可知，最先发生变形位置为炸药顶部的点，变形程度较大，在撞靶之后200us时，其应变约为130%，同时呈现出增大趋势，压力峰值在0.13GPa左右；在撞靶70us左右时，炸药中部的点开始形变，撞靶后200us内压力峰值在0.05GPa左右；最后发生变形部位为炸药尾部的点，在撞靶后200us内其压力峰值为0.06GPa左右。
3 结论
综上所述，苏珊试验应用X光测试方法的过程中，在弹丸撞击钢靶之后，能够清晰的拍摄处于烟雾包裹下的铝壳边界，相较于传统高速摄影方法来说，其清晰度更加优良。将数值计算结果与实际拍摄图像进行对比，对炸药内部应力进行测量，建立材料模型，以此來实现对苏珊试验中速度阈值的预估，实现了整个试验的定量分析。由试验结果可知，在弹丸撞靶之后，炸药不同部位出现变形的时间不同，其中炸药顶部最先出现变形，之后炸药中部和炸药尾部相继出现变形，炸药顶部压力峰值为0.13GPa左右，炸药中部压力峰值在0.05GPa左右，炸药尾部压力峰值在0.06GPa左右，炸药受到挤压和流动摩擦的影响，使得其内部能量发生了向热能的转换，炸药受热之后出现分解，最终实现点火爆炸。
参考文献
[1]代晓淦，韩敦信，向永，李涛.苏珊试验中弹体形变的测量和模拟计算[J].含能材料，2004（04）：235-238.
[2]花成，张盛国.精密落锤药片撞击感度试验研究[A].中国化学会.第五届全国“公共安全领域中的化学问题”暨第三届危险物质与安全应急技术研讨会论文集[C].中国化学会，2015（05）.
[3]花成，张盛国，文雯，洪少炜，江剑.炸药低速撞击试验的分析与讨论[J].爆破器材，2010（05）：1-3+6.
[4]胡庆贤，花成.钝感炸药在机械撞击下爆炸危险性评价[J].火炸药学报，1997（02）：8-11.
作者简介
王建军（1993-），陕西省横山县人。大学本科学历。现为西安文理学院在读大学生。研究方向为应用物理学专业。
作者单位
西安文理学院 陕西省西安市 710065