顧文彬，李旭鋒,2，徐小壯，李裕春，武雙章 ，王 諍

（1.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京，210007；2.中國(guó)人民解放軍，73049部隊(duì)70分隊(duì)，江蘇 蘇州，215101）

線型聚能裝藥(LSC，線型切割器)已在軍事和民用工業(yè)領(lǐng)域得到大量應(yīng)用，其高效、快速、操作簡(jiǎn)便、安全可靠等特點(diǎn)使其具有其它普通切割方法所不可比擬的優(yōu)越性[1-3]。針對(duì)不同的切割目標(biāo)，由于其動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的差異需要設(shè)計(jì)不同的切割器材，劉千壽、李裕春對(duì)線型聚能裝藥侵徹現(xiàn)象進(jìn)行了相關(guān)研究和單指標(biāo)結(jié)果的討論[4-5]。由于射流侵徹目標(biāo)屬于高速侵徹，此時(shí)射流與靶板均被認(rèn)為是不可壓縮流體，根據(jù)流體力學(xué)理論，在射流、目標(biāo)一定的前提下，侵徹深度僅取決于射流長(zhǎng)度（暫不考慮炸高因素），因此射流只要滿足的一定的長(zhǎng)度、寬度及頭部速度條件，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)定目標(biāo)的切割毀傷。本文運(yùn)用正交設(shè)計(jì)方法[6]和數(shù)值模擬技術(shù)，以厚度達(dá) 300mm 的鋼包鋼筋混凝土構(gòu)件為切割對(duì)象，針對(duì)超大厚度、不同材質(zhì)組合體的特殊切割要求，對(duì)影響線型聚能裝藥射流成形的4個(gè)主要因素進(jìn)行分析優(yōu)化，為滿足一次性切透防護(hù)門的切割器設(shè)計(jì)提供優(yōu)化方案。

1 計(jì)算模型

切割器裝藥斷面結(jié)構(gòu)為楔形，如圖 1所示（1/2模型圖），主要由炸藥和藥型罩組成，暫不考慮外加裝藥殼體。影響線型聚能裝藥成形效果的主要因素有裝藥形狀與種類、藥型罩材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)等（包括罩頂楔形角j和罩壁厚d、藥頂高h(yuǎn)、藥層厚度t、裝藥口寬c）。

圖1 線型聚能裝藥斷面結(jié)構(gòu)與參數(shù)Fig.1 LSC section structure and parameter

2 正交優(yōu)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)取罩頂楔形角j、罩壁厚d、裝藥頂高h(yuǎn)、藥層厚度t為正交優(yōu)化設(shè)計(jì)的4個(gè)因素，每個(gè)因素選取3個(gè)水平，見表1。

表1 線型聚能裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的因素水平表Tab.1 Optimum design of structural parameters of factor level table of LSC

進(jìn)行聚能裝藥切割器射流成型的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，以射流的斷裂時(shí)間tmax、斷裂前射流的最大長(zhǎng)度Lmax、射流斷裂前的頭部最大速度vHmax、尾部最大速度vTmax作為切割器成型性能的考核指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上分析選擇出優(yōu)化方案，爾后再考慮炸高h(yuǎn)、外加殼體等因素對(duì)靶板進(jìn)行侵徹過程的影響，并以最大侵徹深度P作為切割器最終的優(yōu)化指標(biāo)。

3 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

3.1 有限元模型及計(jì)算過程

參照相關(guān)資料，第 1輪優(yōu)化采用的裝藥口為c=100mm，藥型罩材料為密度較大、成形及侵徹性能較好的工業(yè)純鐵材料，裝藥選擇工藝性較好的常用 B炸藥（wRDX/wTNT= 60/40）。鑒于線型聚能裝藥是面對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在其斷面上只需建立如圖2所示的1/2模型，為節(jié)省計(jì)算資源在其與斷面垂直的長(zhǎng)度方向只建立 1層網(wǎng)格。可以用此方法建立三維模型，使用三維實(shí)體164單元，并且有效地減小模型的大小、節(jié)省計(jì)算時(shí)間。模型采用cm-g-μs單位制。

圖2 數(shù)值模擬計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分Fig.2 Numerical calculation model and mesh generation

本文采用 ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算研究。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，B炸藥的材料模型和狀態(tài)方程分別為MAT_HIGH_ EXPLOSIVE_BURN和EOS_JWL；藥型罩材料分別選取紫銅和工業(yè)純鐵，材料模型和狀態(tài)方程分別為 MAT_JOHNSON_COOK和 EOS_GRUNEISEN；空氣采用MAT_NULL模型，狀態(tài)方程為EOS_GRU NEISEN。炸藥、藥型罩和空氣3種材料采用EULER網(wǎng)格建模，單元使用多物質(zhì)ALE算法。裝藥起爆方式為線起爆，即模型中定義沿裝藥面法線方向均勻分布于裝藥頂部中心線上的6個(gè)起爆點(diǎn)。裝藥、藥型罩和空氣計(jì)算網(wǎng)格均為六面體實(shí)體 solid164單元；計(jì)算時(shí)間設(shè)置為130μs；首輪計(jì)算了54個(gè)模型。典型的射流成形過程如圖3所示。

圖3 不同時(shí)刻時(shí)的射流形態(tài)Fig.3 The jet form at different time

3.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表2～4。對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到罩材分別為紫銅和工業(yè)純鐵時(shí)兩組不同的極差表。

由于極差大小反映了藥型罩某結(jié)構(gòu)參數(shù)（因素）對(duì)考核指標(biāo)的敏感程度，所以對(duì)于一定的考核指標(biāo)，某因素的極差越大，表明該因素對(duì)特定指標(biāo)的影響也就越大。從表3可知，當(dāng)罩材為紫銅時(shí)，各因素對(duì)射流斷裂時(shí)間影響的主次順序是d→j→h→t，交互作用影響小于獨(dú)立因素的影響；對(duì)射流長(zhǎng)度影響的主次順序是d→h→d×h→j×d，獨(dú)立因素t、j小于某些交互作用因素的影響；對(duì)射流頭部速度影響的主次順序是d→j→h→t，交互作用因素的影響遠(yuǎn)小于獨(dú)立因素的影響；對(duì)射流尾部速度影響的主次順序是d→t→h→d×h。當(dāng)罩材為鐵時(shí)，由表4可知，各因素對(duì)射流斷裂時(shí)間影響的主次順序是d→h→j→d×h/j×t；對(duì)射流長(zhǎng)度影響的主次順序是d→h→j→j×h；對(duì)射流頭部速度影響的主次順序是d→j→t→h；對(duì)尾部速度影響的主次順序是d→h→j→d×h/j×t。

表2 紫銅和純鐵罩切割器射流斷裂時(shí)模擬結(jié)果Tab.2 The simulation results of using copper and Fe as liner material

表3 罩材采用紫銅時(shí)不同優(yōu)化指標(biāo)模擬計(jì)算結(jié)果極差表Tab.3 The range of simulation result of using copper as liner material

表4 罩材采用鐵時(shí)不同優(yōu)化指標(biāo)模擬計(jì)算結(jié)果極差表Tab.4 The range of simulation result of using Fe as liner material

圖4～7為射流斷裂時(shí)間、射流長(zhǎng)度、射流頭部和尾部速度與4個(gè)因素的關(guān)系。由圖4可見，針對(duì)紫銅罩射流斷裂時(shí)間指標(biāo)，4個(gè)因素的影響與各因素水平的增長(zhǎng)相一致，即罩頂楔形角j為第3水平95°、罩壁厚d為第3水平3.0、藥頂高h(yuǎn)為第3水平50mm、藥層厚t為第3水平45mm時(shí)為最大，即針對(duì)射流斷裂時(shí)間的最佳組合條件為j3-d3-h3-t3；當(dāng)罩材為工業(yè)純鐵時(shí)，針對(duì)射流斷裂時(shí)間指標(biāo)的最佳組合結(jié)構(gòu)參數(shù)為j3-d3-h2-t2。可見，針對(duì)不同罩材料，獲得最長(zhǎng)射流斷裂時(shí)間的切割器裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)組合形式不同，原因在于不同藥型罩的強(qiáng)度和延展性有較大區(qū)別。

由圖5可知，針對(duì)紫銅罩射流斷裂前長(zhǎng)度指標(biāo)，罩頂楔形角j為第1水平85°、罩壁厚d為第3水平3.0、藥頂高h(yuǎn)為第3水平50mm、藥層厚t為第3水平45mm時(shí)最大，綜合4個(gè)因素的最好水平，最佳的條件為j1-d3-h3-t3；當(dāng)罩材為工業(yè)純鐵時(shí)，針對(duì)斷裂前射流長(zhǎng)度的最佳條件為j1-d3-h3-t1。

圖4 射流斷裂時(shí)間與4因素關(guān)系趨勢(shì)圖Fig.4 Relation trend graph of jet breakup time and the 4 factors

圖5 射流斷前長(zhǎng)度與4因素關(guān)系趨勢(shì)圖Fig.5 Relation trend graph of jet breaking length and the 4 factors

從圖6可看出，針對(duì)紫銅罩射流頭部速度指標(biāo)的最佳條件為j1-d1-h3-t3，針對(duì)工業(yè)純鐵罩射流頭部速度的最佳條件也是j1-d1-h3-t3。從圖7可看出，針對(duì)紫銅罩射流尾部速度指標(biāo)的 4因素最佳條件為j3-d1-h3-t3，當(dāng)罩材為工業(yè)純鐵時(shí)，針對(duì)射流尾部速度指標(biāo)的4因素最佳條件為j3-d1-h3-t3。

圖6 射流頭部速度與4因素關(guān)系趨勢(shì)圖Fig.6 Relation trend graph of velocity of jet head and the 4 factors

圖7 射流尾部速度與4因素關(guān)系趨勢(shì)圖Fig.7 Relation trend graph of velocity of jet tail and the 4 factors

本模型最主要的指標(biāo)是射流最大長(zhǎng)度和頭部速度。根據(jù)以上分析，對(duì)于射流長(zhǎng)度指標(biāo)，分別采用紫銅和工業(yè)純鐵罩時(shí)，綜合4個(gè)因素的最佳條件為j1-d3-h3-t3和j1-d3-h3-t1。在已有的27個(gè)模擬計(jì)算中沒有現(xiàn)成的方案與之對(duì)應(yīng)，只有9號(hào)方案的j1-d3-h3-t2與之相近。將條件組合j1-d3-h3-t3和j1-d3-h3-t1分別作為新的模擬計(jì)算方案，編為第28號(hào)和第29號(hào)，重新建模計(jì)算，得到的計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 優(yōu)化后28和29號(hào)方案的4指標(biāo)結(jié)果Tab.5 4 index result of 28th and 29th project after optimization

對(duì)比表5和表2可以看出，對(duì)于紫銅罩，采用28號(hào)方案時(shí)射流長(zhǎng)度和頭部速度均無明顯增加，采用29號(hào)方案時(shí)射流長(zhǎng)度明顯增加，但頭部速度無增益甚至有所減少。對(duì)于工業(yè)純鐵罩，采用28號(hào)方案時(shí)射流長(zhǎng)度和頭部速度均無明顯增加，采用29號(hào)方案時(shí)，射流長(zhǎng)度有明顯增加，但同時(shí)頭部速度無明顯增加甚至還有所減少。綜上所述，若以射流長(zhǎng)度為主，無論罩材選用紫銅或工業(yè)純鐵，均可采用 29號(hào)方案。如果兼顧兩種材料，可以采用的最佳條件組合為j1-d3-h3-t2，對(duì)應(yīng)的是9號(hào)計(jì)算方案；如果進(jìn)一步考慮材料影響，則在罩材使用工業(yè)純鐵時(shí)，宜采用的最佳條件組合為j1-d3-h3-t1，對(duì)應(yīng)的是29號(hào)計(jì)算方案。對(duì)于射流頭部速度指標(biāo)，分別采用紫銅和工業(yè)純鐵罩時(shí)，綜合4個(gè)因素的最佳條件組合都為j1-d1-h3-t3，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)為3號(hào)計(jì)算方案。

3.3 X光成型試驗(yàn)

基于上述結(jié)論，當(dāng)罩材采用工業(yè)純鐵時(shí)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為j1-d3-h3-t1，即罩頂楔形角、壁厚、藥頂高和藥層厚分別為85°、3mm、50和35mm。根據(jù)該組參數(shù)加工出的切割器及罩如圖8所示。

圖8 線型聚能裝藥切割器與藥型罩實(shí)物照Fig.8 Physical picture of LSC and liner

圖9 兩相互垂直位置得到的X光照片F(xiàn)ig. 9 Photos of X-ray from the two mutually vertical position

為考核該種結(jié)構(gòu)工業(yè)純鐵罩切割器的成型性能，用X光機(jī)做了一組試驗(yàn)，圖9為從相互垂直的兩位置得到的X光照片。經(jīng)計(jì)算，在上述兩個(gè)位置所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻（18.68μs，50.734μs），射流頭部的速度為3 360 m/s和3 420m/s，與數(shù)值模擬結(jié)果（3 256 m/s和3 283 m/s）吻合較好。

4 結(jié)論

通過正交優(yōu)化設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)銅罩和工業(yè)純鐵罩切割器結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算進(jìn)行了分析，得到：（1）對(duì)于不同考核指標(biāo)，裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)優(yōu)化指標(biāo)影響敏感度的排序不同，但藥型罩壁厚參數(shù)d是對(duì)所有考核指標(biāo)影響最大的因素；（2）對(duì)于不同罩材料，針對(duì)相同考核指標(biāo)，4個(gè)因素對(duì)該指標(biāo)敏感度的主次順序也不相同，因此不同罩材料的線性切割器的結(jié)構(gòu)方案不具有幾何相似性；（3）采用紫銅罩和工業(yè)純鐵罩時(shí)，除了射流斷裂時(shí)間指標(biāo)，其它3個(gè)指標(biāo)隨4個(gè)因素的變化趨勢(shì)均一致；（4）對(duì)于射流頭部速度指標(biāo)，分別采用紫銅和工業(yè)純鐵罩時(shí)，綜合4個(gè)因素的結(jié)構(gòu)參數(shù)最佳條件都為j1-d1-h3-t3；對(duì)于射流長(zhǎng)度指標(biāo)，兼顧兩種材料，可以采用的結(jié)構(gòu)參數(shù)最佳條件為j1-d3-h3-t2；如果進(jìn)一步考慮材料影響，使用工業(yè)純鐵罩時(shí)結(jié)構(gòu)參數(shù)最佳條件為j1-d3-h3-t1。

[1]紀(jì)沖,龍?jiān)?楊旭,等.線型聚能切割器在工程爆破中的應(yīng)用研究[J].爆破器材,2004,33(1):32-35.

[2]李裕春,吳騰芳,徐全軍,等. 線型聚能裝藥射流形成過程的數(shù)值模擬[J]. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2002,3(3):71-75.

[3]夏衛(wèi)國(guó),李裕春,顧文彬,等. 線型聚能射流形成過程的數(shù)值模擬[J].火工品,2003 (4):24-27.

[4]劉千壽,白春華,李建平.線型聚能裝藥切割器系統(tǒng)參數(shù)研究[J].工程爆破,2004,10(4):13-16.

[5]李裕春. 線型聚能裝藥射流形成數(shù)值模擬及裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[D]. 南京:工程兵工程學(xué)院,2001.

[6]正交試驗(yàn)法編寫組.正交試驗(yàn)法[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1976.

[7]劉建青,顧文彬,唐勇,等. 變壁厚球缺罩爆炸成型彈丸成型性能數(shù)值模擬[J]. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008,4(2):172-176.