唐獻(xiàn)述，王樹民，翟國鋒

金屬型材線型聚能爆炸切割試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究

*唐獻(xiàn)述1，王樹民2，翟國鋒1

(1. 空軍空降兵學(xué)院一系，廣西，桂林 541003；2.解放軍理工大學(xué)工程兵學(xué)院，江蘇，南京 210007)

對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)物的線型聚能切割爆破，主要是利用線型聚能切割器切割金屬型材。通過試驗(yàn)研究了線型聚能切割器對(duì)不同厚度鋼板、角鋼、槽鋼和工字鋼的切割能力，探討了切割器設(shè)置問題，分析了起爆點(diǎn)對(duì)聚能切割器切割能力的影響問題。研究發(fā)現(xiàn)線型聚能切割爆破裝藥量?jī)H為外部藥包爆破的幾分之一至幾十分之一；聚能切割裝藥可根據(jù)炸斷線的要求，可以方便地加工成所要求的形狀且能夠?qū)崿F(xiàn)理想的切割斷面和理想的切口方向，但是起爆點(diǎn)位置對(duì)切割效果的影響較大。論文的結(jié)論對(duì)于切割器選型和爆破方案的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

線型聚能切割器；切割能力；金屬型材

0 引言

對(duì)金屬結(jié)構(gòu)物的爆破，用常規(guī)爆破方法，用藥量大，裝藥設(shè)置難度大，而且危害效應(yīng)大，難以達(dá)到理想的爆破效果。采用線型聚能切割爆破，具有炸藥消耗少、裝藥設(shè)置簡(jiǎn)便、爆破效果理想、危害效應(yīng)小的優(yōu)點(diǎn)，因此，線型聚能爆炸切割技術(shù)已經(jīng)成為金屬結(jié)構(gòu)物爆破的不二選擇。對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)物的線型聚能切割爆破，主要是利用線型聚能切割器切割金屬型材構(gòu)件[1-3]，研究線型聚能切割器對(duì)金屬型材切割能力，對(duì)于爆破方案設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義[4]。

1 試驗(yàn)方案

1.1 金屬型材

金屬型材構(gòu)件主要選用常用的鋼板、槽鋼、角鋼、工字鋼、鋼管，材質(zhì)為A3鋼。

1.2 試驗(yàn)中采用的切割器材與TNT直列裝藥

線型聚能切割器選用了多種型號(hào)的柔性切割索、組合式切割器，并且與TNT直列裝藥爆炸切割進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

（1）切割索

切割索的型號(hào)及基本參數(shù)見表1。切割索裝藥為炸藥為8701炸藥，聚能穴角度90°±3°，長(zhǎng)1~2 m，如圖1所示（圖1右側(cè)兩根切割索分別為型號(hào)1和型號(hào)3）。

（2）組合式聚能切割器

組合式切割器（暫命名為型號(hào)A）基本參數(shù)見表1，其炸藥與藥型罩分離，使用時(shí)結(jié)合。藥型罩為A3鋼，單邊長(zhǎng)5 cm，厚度1.5 mm，開口角60°；炸藥為TNT（30%）與黑索金（70%）的混合炸藥(圖1左側(cè)分別為裝藥和藥型罩)，每米裝藥量1000 g。

表1 聚能切割器的型號(hào)及參數(shù)

（3）TNT炸藥

選用5 cm×10 cm×20 cm的200 g制式TNT。

TNT直列裝藥炸斷鋼板的藥量計(jì)算，有比較成熟的經(jīng)驗(yàn)公式[2]。

炸斷厚度為2.5 cm以下的鋼板時(shí)：

C＝25 F （1）

炸斷厚度為2.5~10cm的鋼板時(shí)：

C＝10 hF （2）

式中：C—中級(jí)炸藥（TNT為代表）裝藥量(g)；h—鋼板厚度(cm)；F—炸斷面積(cm2)。

1.3 起爆方法

聚能切割器起爆體必須可靠起爆聚能切割器的裝藥。試驗(yàn)中起爆點(diǎn)的設(shè)置有三種方式：第一種設(shè)置在裝藥的端部藥型罩頂角內(nèi)側(cè)；第一種設(shè)置在裝藥的端部頂角外側(cè)；第三種設(shè)置在聚能切割器中央外側(cè)位置（如圖2）。起爆體用8#雷管直接引爆。TNT直列裝藥的起爆點(diǎn)設(shè)置在中間位置。

圖1 聚能切割器的類型

圖2 起爆點(diǎn)置位設(shè)置

1.4 切割器的加工與安裝

根據(jù)切割對(duì)象的厚度和結(jié)構(gòu)，對(duì)切割器進(jìn)行加工，使之能夠與切割線緊密結(jié)合。為防止意外，現(xiàn)場(chǎng)加工時(shí)，切割索放在木板上加工，不允許用鋼鋸猛烈鋸炸藥[5]。聚能切割器可以根據(jù)爆破線的形狀設(shè)置成I形、L形、T形、U形、H型、O型等。按照爆破各部位的形狀，將切割器設(shè)置在炸斷線的各個(gè)部位，用鐵絲、繩索、膠布及小木塊等輔助器材對(duì)切割器進(jìn)行固定。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 鋼板的爆炸切割

試驗(yàn)1：用表1中型號(hào)1的聚能切割器，長(zhǎng)250 mm，爆破1塊405 mm×205 mm×10 mm 的A3鋼板。起爆點(diǎn)設(shè)置在裝藥的端部藥型罩頂角內(nèi)側(cè)，爆破完全切斷鋼板，并且在切口處設(shè)置切割器的對(duì)面一側(cè)出現(xiàn)翻唇現(xiàn)象，并且產(chǎn)生金屬破片（爆破效果見圖3a）。

聚能切割裝藥量150 g/m，250 mm裝藥量為37.5 g。而采用200 gz TNT藥塊爆破，炸斷鋼板的藥量為2塊200 g TNT即400 g TNT，是聚能切割裝藥的10.7倍。

試驗(yàn)2：用表1中型號(hào)3的聚能切割器，長(zhǎng)350 mm，爆破1塊400 mm×300 mm×20 mm的 A3鋼板。起爆點(diǎn)設(shè)置在裝藥的端部藥型罩頂角內(nèi)側(cè)，爆破完全切斷鋼板，在切口處設(shè)置切割器的對(duì)面也出現(xiàn)翻唇現(xiàn)象，并且產(chǎn)生金屬破片(爆破效果見圖3b)。

聚能切割裝藥量350 g/m，350 mm裝藥量為122.5 g。而采用200 g TNT藥塊爆破，炸斷鋼板的藥量為6塊200 g TNT即1200 g TNT，是聚能切割裝藥的9.8倍。

試驗(yàn)3：用組合式聚能切割器2塊(每塊長(zhǎng)202 mm)，爆破1塊630 mm×403 mm×27 mm的A3鋼板。從一端起爆，鋼板被完全切斷，在切口處設(shè)置切割器的對(duì)面也出現(xiàn)翻唇現(xiàn)象，并且產(chǎn)生金屬破片（爆破效果見圖3c）。

聚能切割裝藥量1000 g/m，400 mm裝藥量為 400 g。而采用200 g TNT藥塊爆破，炸斷鋼板的藥量為12塊200 g TNT即2400 g TNT，是聚能切割裝藥的6倍。

爆破試驗(yàn)4：用表1中型號(hào)3的聚能切割器長(zhǎng)403 mm，爆破1塊630 mm×403 mm×27 mm的A3鋼板。起爆點(diǎn)設(shè)置在裝藥的端部藥型罩頂角內(nèi)側(cè)，起爆端約100 mm長(zhǎng)度的鋼板未斷裂。而采用聚能切割器中央上端起爆時(shí)，整個(gè)鋼板被切割成一條槽，其中起爆點(diǎn)位置的切割深度為20 mm，兩端的切割深度達(dá)25 mm（爆破效果見圖3d）。

圖3 切割器切割鋼板效果圖

型號(hào)3聚能切割裝藥量350 g/m，長(zhǎng)403 mm，裝藥量為141.05 g。若采用200 g TNT藥塊爆破，炸斷鋼板的藥量為12塊200 g TNT即2400 g TNT。

2.2 角鋼的爆炸切割

試驗(yàn)用的角鋼為邊長(zhǎng)75 mm和95 mm的兩種規(guī)格，邊厚6 mm，拐角處厚15 mm。

線型聚能切割器進(jìn)行切割爆破：采用型號(hào)3爆炸切割器。將切割器加工成L型，設(shè)置在角鋼的外沿。切割器總長(zhǎng)度為250 mm，裝藥量為62.5 g。起爆點(diǎn)設(shè)置在裝藥的一端藥型罩頂角內(nèi)側(cè)，爆炸切割完全，切割部位彎曲（爆破效果見圖4）。

用TNT外部藥包爆破時(shí)，需3塊200 g TNT，是切割裝藥的9.6倍。

2.3 槽鋼的爆炸切割

試驗(yàn)用槽鋼斷面的邊長(zhǎng)為75 mm＋200 mm＋75 mm，邊厚為6 mm，拐彎處厚為15 mm。

外部藥包爆破時(shí)，槽鋼可認(rèn)為是兩個(gè)角鋼的組合，通常邊沿薄而拐角厚。因此，裝藥量的計(jì)算和鋼板一樣。

采用型號(hào)3爆炸切割器，設(shè)置在槽鋼的外沿，起爆點(diǎn)設(shè)置在裝藥的一端藥型罩頂角內(nèi)側(cè)，爆炸切割完全，切割部位彎曲（爆破效果見圖5）。

圖4 角鋼切割爆破效果

圖5 槽鋼切割爆破效果

2.4 工字鋼的爆炸切割

圖6 工字鋼爆炸切割效果

試驗(yàn)用工字鋼上翼緣及下翼緣邊長(zhǎng)127 mm，邊厚8 mm，與腹板相交處厚度為25 mm，腹板厚13 mm，上下翼緣邊沿間距303 mm。

采用型號(hào)3切割器。按垂直切割和傾斜切割兩種方式進(jìn)行設(shè)置。切割器分別配置在上翼緣、下翼緣和腹板上。上翼緣和下翼緣起爆點(diǎn)設(shè)置在邊沿端部，而腹板的起爆點(diǎn)位置設(shè)置在切割器的中部。各切割器利用瞬發(fā)電雷管串聯(lián)起爆。垂直切割和傾斜切割位置均被完全切斷，效果十分理想（爆破效果見圖6）。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 起爆點(diǎn)位置對(duì)切割效果的影響

對(duì)鋼板爆炸切割試驗(yàn)的試驗(yàn)四充分說明起爆點(diǎn)位置對(duì)切割效果有一定影響。將裝藥設(shè)置于藥型罩內(nèi)側(cè)時(shí)，爆轟波向外側(cè)傳播，不利于聚能射流的形成。受爆轟波傳播方向的影響，起爆點(diǎn)位置切割能力有明顯的降低。將起爆點(diǎn)設(shè)置于切割器的外側(cè)，爆轟波向內(nèi)側(cè)傳播，有利使藥型罩形成金屬射流，爆破效果好，可明顯改善爆炸切割的效果。一般起爆點(diǎn)附近切割效果較差，因?yàn)槠鸨c(diǎn)位置爆轟波不穩(wěn)定，即沒有形成穩(wěn)定的爆轟，影響射流的形成，從而影響切割效果（參見試驗(yàn)4，圖3）。

切割點(diǎn)設(shè)置對(duì)于爆破工字梁等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件時(shí)尤為重要。通過對(duì)槽鋼、工字鋼爆炸切割試驗(yàn)，將起爆點(diǎn)設(shè)置于切割器中央外側(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)理想的爆炸切割效果。

3.2 聚能切割器與TNT裝藥切斷爆破比較分析

通過切割器與TNT藥塊切割鋼板的對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)切斷相同規(guī)格的鋼板，TNT藥塊的用量遠(yuǎn)大于切割器的藥量。主要原因在于聚能切割器的聚能效應(yīng)將能量向切割線集中，提高裝藥的利用效率，聚能切割裝藥與外部藥包爆破相比，裝藥量?jī)H為外部藥包的幾分之一至幾十分之一。

3.3 數(shù)值模擬分析

為了進(jìn)一步分析聚能切割器的切割過程，分析影響切割能力的因素，對(duì)3號(hào)切割索切割鋼板的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。數(shù)值模擬分析是在LS-DYNA軟件平臺(tái)上進(jìn)行。

3.3.1 模型的建立

圖7 模型結(jié)構(gòu)參數(shù)圖

數(shù)值分析時(shí)作如下簡(jiǎn)化：炸藥、藥型罩和殼體材料為均勻連續(xù)介質(zhì)；整個(gè)爆炸過程為絕熱過程；裝藥結(jié)構(gòu)為嚴(yán)格的面對(duì)稱結(jié)構(gòu)，起爆方式為棱上同時(shí)起爆(即裝藥為線起爆方式)。這樣，三維空間問題就轉(zhuǎn)化二維平面應(yīng)變問題，計(jì)算模型中使用的起爆方式也就轉(zhuǎn)化為點(diǎn)起爆。線型聚能切割器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖7。切割器的裝藥為8701炸藥，外殼及藥形罩的材料均為鉛鋅合金。

數(shù)值模擬過程中對(duì)于炸藥采用JWL狀態(tài)方程，鉛鋅合金采用Johnson/Cook彈－塑性模型。在計(jì)算過程中，采用Euler法進(jìn)行計(jì)算。

3.3.2 射流形成及切割鋼板的過程

圖8 射流和靶板變形過程示意圖

圖8為不同時(shí)刻射流狀態(tài)和金屬射流切割靶板過程。

炸藥起爆后，藥型罩在爆轟波的作用下迅速被壓垮，并向?qū)ΨQ平面加速運(yùn)動(dòng)，在對(duì)稱面上相碰，能量進(jìn)行重新分配，藥型罩內(nèi)層的金屬被壓垮，形成高速運(yùn)動(dòng)的金屬射流。高溫高速的金屬射流接觸到鋼板后，接觸部位金屬迅速熔化，射流進(jìn)一步深入鋼板內(nèi)部，進(jìn)而形成切割縫，將金屬板切斷。在最佳炸高條件下，射流侵徹鋼板過程中，射流的溫度和速度迅速降低，并且射流體存在速度梯度，導(dǎo)致射流被拉斷，射流后部形成杵體。鋼板被切斷后，在鋼板背面形成破片和翻唇。

3.3.3射流參數(shù)的分布特性

圖9 12和16時(shí)刻射流內(nèi)部密度分布圖

圖10 12和16時(shí)刻射流速度梯度分布

3.3.4 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

圖3(b)為裝藥對(duì)鋼板的切割試驗(yàn)結(jié)果圖，從試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在鋼板切口部和背部均出現(xiàn)翻唇，被切斷的鋼板切口處的地表面或地面下有切割鋼板產(chǎn)生的金屬破片。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值比較見表2。從整個(gè)對(duì)比來看，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)還是比較吻合的。誤差的存在主要是由于計(jì)算模型相對(duì)于實(shí)際情況進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。

表2 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)平均值比較

3.4 對(duì)非板型金屬型材的爆炸聚能切割

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，線型聚能切割器能夠有效切斷常見的I形、L形、T形、U形、H型、O型等非板型金屬型材。

選擇切割器要保證能夠切斷切割線上最厚的部位，在設(shè)置時(shí)要使切割器緊貼金屬表面。聚能切割器要能夠根據(jù)炸斷線的要求，方便地加工成所要求的形狀，且能夠?qū)崿F(xiàn)理想的切割斷面和理想的切口方向。

一般設(shè)置多個(gè)起爆點(diǎn)，在型材的每個(gè)面都要設(shè)置起爆點(diǎn)。

4 結(jié)論

（1）聚能切割裝藥與外部藥包爆破鋼結(jié)構(gòu)物相比，裝藥量?jī)H為外部藥包的幾分之一至幾十分之一。

（2）聚能切割裝藥可根據(jù)炸斷線的要求，可以方便地加工成所要求的形狀，且能夠?qū)崿F(xiàn)理想的切割斷面和理想的切口方向。

（3）對(duì)于不同型鋼的切割爆破，需要按照切割線上的最大厚度選擇切割器。

（4）在型材的每個(gè)面都要設(shè)置起爆點(diǎn)，起爆點(diǎn)位置對(duì)切割效果的影響較大，起爆點(diǎn)應(yīng)當(dāng)選擇在切割器頂部外側(cè)。

[1] 謝興博, 賀五一, 唐獻(xiàn)述, 等.拆除控制爆破實(shí)用技術(shù)[M].南昌:江西科學(xué)技術(shù)出版社,2009:221-250.

[2] 中國人民解放軍總參謀部兵種部.軍事爆破工程[M].北京:解放軍出版社,1999:221-236.

[3] 盧艷華,胡文軍.鋼結(jié)構(gòu)爆破拆除中構(gòu)件切斷技術(shù)研究[J]. 西部探礦工程，2003,86(7):110-111.

[4] 唐獻(xiàn)述,龍?jiān)?大型鋼結(jié)構(gòu)廠房拆除控制爆破總體方設(shè)計(jì)[J].工程爆破,2002,8(4):24-29.

[5] 熊組釗.線型聚能裝藥切割石材應(yīng)用研究[J].武漢冶金科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1999,22(3):239-241.

Experimental and Numerical Simulating Study on the Capacity of the Linear Shaped Charge Cutting the Shape Steel

*TANG Xian-shu1, WANG Shu-min2, ZHAI Guo-feng1

(1.The Airborne Force Academy ,Guilin, Guangxi 541003, China; 2.Engineering Institute of Engineering Corps of PLAUST, Nanjing, Jiangsu 210007, China)

The steel structure shaped charge blasting depends on cutting the shape steel. The cutting capacity for deferent type shape steel, such as steel plate, angle steel, U-steel, I-steel, was studied through the experiments. We discussed the shaped charger install methods and analyzed the influence of the detonating position. We also found that the charger quality of the shaped blasting is only several percent of that the common outer charger blasting. The shaped charger could be deformed or processed to fit the cutting line, but the detonating positions have influence on the cutting capacity. Finally, the conclusion has directive function for the shaped charger selection and the blasting design.

linear shaped charge; cutting capacity; shape steel

TJ410.3+33; O385

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.06.014

1674-8085(2013)06-0066-06

2013-01-10；

2013-09-13

軍隊(duì)科研項(xiàng)目(NJCX-RW-20030235)

*唐獻(xiàn)述(1971-)，男，江蘇睢寧人，注冊(cè)安全工程師、高級(jí)爆破工程師，博士，主要從事爆炸力學(xué)、爆破器材與安全技術(shù)與管理研究(E-mail：T_Xianshu@163.com).

王樹民(1972-)，男，河南開封人，碩士，主要從事控制爆破技術(shù)研究(E-mail:wsm.jlg@163.com);

翟國鋒(1974-)，男，河南南陽人，講師，博士，主要從事爆炸力學(xué)、爆破器材研究(E-mail：zgf9701@163.com).