武雙章,顧文彬,李旭鋒

(解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

楔形罩線型聚能裝藥侵徹鋼錠*

武雙章,顧文彬,李旭鋒

(解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

為了獲得楔形罩線型聚能裝藥射流侵徹鋼錠的特點和規(guī)律，利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了三維數(shù)值計算模型，并進(jìn)行了數(shù)值模擬。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了實際的切割實驗：對于某一炸高條件，切割深度隨時間的增加先快速增加，后緩慢增加；對于不同的炸高，切割深度隨炸高的增加而緩慢增加，當(dāng)炸高為40～60 mm和70～120 mm時，侵徹深度表現(xiàn)出對炸高的不敏感性；同時，獲得了不同炸高條件下不同時刻的鋼錠切口斷面形狀。結(jié)果表明，數(shù)值模擬和切割實驗結(jié)果有很好的一致性，可以用該三維數(shù)值計算模型模擬實際切割器侵徹鋼靶的過程，并獲得其特點和規(guī)律。

爆炸力學(xué)；切割實驗；ANSYS/LS-DYNA軟件；線型聚能裝藥；單角度楔形罩

聚能爆炸切割技術(shù)以線型聚能裝藥(linear shaped charge，LSC)為基礎(chǔ)，相對于傳統(tǒng)的切割方法，它具有高效、快速、簡便、低成本、強環(huán)境適應(yīng)性及安全可靠等突出特點，可用于巖石、混凝土和鋼等堅硬材料的快速切割。隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，逐漸由早期的宇航和軍事領(lǐng)域向工程爆破和搶險救援等領(lǐng)域中拓展，應(yīng)用前景十分廣闊[1-8]。如針對受到攻擊破壞后不能正常打開的某型防護(hù)門，對其閉鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行爆炸切割，以實現(xiàn)快速非正常順利打開防護(hù)門的目的。

普通的LSC不能對防護(hù)門的閉鎖機(jī)構(gòu)實施快速有效的切割，需要采用大型LSC的爆炸切割技術(shù)。目前，關(guān)于大型LSC切割靶板的研究較少。LSC的侵徹性能是衡量其性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，即使是最簡單的單角度楔形罩LSC，其侵徹靶板過程也十分復(fù)雜。由于聚能裝藥技術(shù)涉及的影響因素眾多并且十分復(fù)雜，直接采用傳統(tǒng)的實驗或解析方法來進(jìn)行研究存在著較大的困難。而爆炸實驗雖然破壞性強、要求高、工作量大、周期長、難度大，且僅通過實驗獲得的信息量相對較少，但是能夠為其他的研究方法提供非常重要的數(shù)據(jù)支撐。目前，數(shù)值計算方法可以高效地描述聚能裝藥的運動過程，在聚能裝藥的研究中發(fā)揮著十分重要的作用[2-10]。本文中，擬采用數(shù)值模擬和實驗相結(jié)合的方法，對LSC侵徹鋼錠的過程進(jìn)行研究，為進(jìn)一步提高LSC侵徹機(jī)理的認(rèn)識提供參考。

1 影響因素和結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用主要由炸藥和橫斷面形狀為單角度楔形的藥型罩組成的LSC，其橫斷面結(jié)構(gòu)及參數(shù)參見文獻(xiàn)[11]。影響該LSC侵徹靶板性能的主要因素有裝藥口寬c，炸藥類型和裝藥密度ρ1，藥型罩材料類型、密度ρ2、罩壁厚δ1和楔形角2α，藥厚b，藥頂高a，裝藥殼體材料類型、密度ρ3和壁厚δ2，靶板材料類型、密度ρ4、強度σ和熔點T，以及炸高h(yuǎn)等[1,2,10-11]。本文中暫不考慮裝藥殼體的相關(guān)影響因素。

在LSC結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果[2]的基礎(chǔ)上，結(jié)合切割對象的具體特點，采用的LSC具體結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇及實物圖參見文獻(xiàn)[11]。實際侵徹的45鋼鋼錠參見文獻(xiàn)[10]。

2 有限元模型

利用ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值計算，按照與實驗狀態(tài)完全相同的尺寸和材料建立LSC和鋼錠的三維有限元模型，同時考慮其周圍的空氣介質(zhì)。由于LSC和鋼錠均具有面對稱的結(jié)構(gòu)特點，因此只需建立1/2模型，約束對稱面上的所有節(jié)點即可，如圖1所示。炸藥、藥型罩和空氣等材料在裝藥爆轟、射流成型及侵徹靶板過程中都會產(chǎn)生大的變形運動，難以用Lagrange方法進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，因此采用Euler網(wǎng)格對上述材料進(jìn)行建模；而靶板(鋼錠)采用Lagrange網(wǎng)格進(jìn)行建模。射流的成型及其切割靶板的全過程使用多物質(zhì)ALE的單元算法進(jìn)行模擬。流體(炸藥、藥型罩和空氣)與靶板(鋼錠)之間采用流固耦合算法。為了避免數(shù)值計算時壓力在邊界上出現(xiàn)反射現(xiàn)象，需要在空氣外表面定義非反射邊界。對鋼錠底面節(jié)點進(jìn)行軸向約束。計算網(wǎng)格均為8節(jié)點六面體實體單元，使用三維實體材料模型，見表1。其中，對空氣，炸高每增加10 mm，單元數(shù)量增加13 500個。起爆點設(shè)置在裝藥頂部中心處。炸藥、藥形罩和靶板的材料模型和狀態(tài)方程及其具體參數(shù)的選擇詳見文獻(xiàn)[10]。

表1 材料模型和狀態(tài)方程Table 1 Material models and state equations

3 結(jié)果和分析

3.1 實 驗

圖2為單角度楔形罩LSC切割鋼錠實驗設(shè)置和實際切割效果，起爆方式為頂部中心點起爆，分別對炸高為50、80和110 mm進(jìn)行了侵徹鋼錠實驗，實驗結(jié)果如表2所示。

圖2 實驗設(shè)置和切割效果Fig.2 Experimental setup and cutting effect

從圖2中，可以看出LSC切割鋼錠的最終效果，射流附著在切割斷面上呈圓弧形，中間最深，向兩側(cè)逐漸變淺。對于高度為200 mm的鋼錠，所有的切割效果基本上都是將鋼錠分為3部分，即切割部位兩側(cè)各一半，底部一塊；而對于高度為100 mm的鋼錠，所有的切割效果基本上都是將鋼錠分為2部分，即切割部位兩側(cè)各一半。

從表2中可以看出，炸高為110 mm時侵徹鋼錠深度為最大值66.40 mm(藥型罩口寬的0.692倍)；其他炸高獲得的侵徹深度均比炸高為110 mm時的小。侵徹深度隨著炸高的增加而增加，但增加的幅度較小，說明該LSC在一定炸高范圍內(nèi)對45鋼鋼錠的侵徹深度對炸高不敏感。模擬結(jié)果也獲得了類似的規(guī)律。

表2 實驗結(jié)果Table 2 Experimental results

3.2 數(shù)值模擬

頂部中心點起爆時單角度楔形罩LSC在不同炸高條件下侵徹45鋼鋼錠深度隨時間變化關(guān)系如圖3所示，侵徹深度隨炸高的變化如圖4所示。

從圖3中可以看出，在頂部中心點起爆條件下，炸高一定時，侵徹鋼錠的深度隨時間先以較大速率快速增加，后以較小速率緩慢增至最大值，曲線總體呈現(xiàn)上凸形。炸高從30至120 mm、間隔10 mm逐漸增加時，對應(yīng)于每條曲線的起始值在時間軸上向后順延，即射流接觸鋼錠表面的時間也依次增加。

由圖3和圖4可知，侵徹鋼錠的深度隨炸高的不同而變化。當(dāng)炸高取值范圍為40～60 mm和70～120 mm時，侵徹深度變化幅度很小(即對炸高不敏感)，其主要原因可能是：炸高較低時，射流拉伸不充分，隨著炸高的增加，射流充分拉伸，甚至成為斷裂射流，而射流最大速度隨時間變化很小[8]，導(dǎo)致在射流拉伸不充分時侵徹鋼錠深度較小，在射流拉伸充分時較大，但在相應(yīng)的炸高區(qū)間內(nèi)變化很??；炸高在80～100 mm區(qū)間時，射流侵徹鋼錠深度略有下降，可能由于較大炸高下射流充分拉伸成為斷裂射流，其侵徹靶板的穩(wěn)定性略有下降所致，但影響相對較小。侵徹深度在炸高為70 mm或110～120 mm時均最大。因此，單角度楔形罩LSC侵徹鋼錠時的最佳炸高是一個范圍，而非某一定值，該范圍為70～120 mm。

圖3 不同炸高時的侵徹深度Fig.3 Penetration depths at different standoffs

圖4 侵徹深度隨炸高的變化Fig.4 Penetration depths vs standoffs

炸高為70和110 mm時單角度楔形罩LSC侵徹鋼錠切口斷面形狀隨時間變化，分別如圖5～6所示。不同炸高條件下，最終切口斷面形狀如圖7所示，圖中每條曲線的縱向坐標(biāo)都是以藥型罩底面為y向零點的，因此圖中每條曲線所代表的切口斷面若以鋼錠上表面為基準(zhǔn)，則需要減去相應(yīng)的炸高。

圖5 70 mm炸高時LSC切割鋼錠過程Fig.5 Processes of LSC cutting steel ingot at 70 mm standoff

圖6 110 mm炸高時LSC切割鋼錠過程Fig.6 Processes of LSC cutting steel ingot at 110 mm standoff

圖7 炸高不同時的切口斷面形狀Fig.7 Shapes of cutting sections at different standoffs

從圖5～7中，既能獲得最終的侵徹效果，又能獲得LSC射流成型及其侵徹鋼靶的詳細(xì)過程；而從圖5中，只能看到最終的切割效果。隨著炸高的增加，切口斷面的中間侵徹深度和兩端侵徹深度變化范圍均較小，切口斷面形狀變化也不大，均為圓弧形，這與表2中數(shù)據(jù)所反映的規(guī)律一致。LSC起爆后的射流成型機(jī)理參見文獻(xiàn)[8,10]。在侵徹過程中，最終射流會有部分附著在靶板切割斷面上，在圖中則表現(xiàn)為顏色較深的部分。

炸高為70 mm時，射流頭部開始侵徹鋼錠時(43 μs)射流還未完全斷裂，但已經(jīng)接近射流完全斷裂的時刻45 μs，射流拉伸已較為充分，其快速侵徹階段發(fā)生在150 μs內(nèi)；炸高為110 mm時，射流頭部開始侵徹鋼錠時(55 μs)射流已充分拉伸，超過了射流完全斷裂的時刻45 μs，其快速侵徹階段發(fā)生在180 μs內(nèi)。

實際有限長裝藥(100 mm)的LSC由于受端面效應(yīng)的影響[8]，實際切割靶板的能力有所降低[10]。炸高為110 mm時，切割實驗獲得的結(jié)果(66.40 mm)比三維數(shù)值模擬的結(jié)果(72.14 mm)略小，其主要原因是：在采用沖壓工藝加工藥型罩時，盡管采取了適當(dāng)?shù)南貜棿胧?，但不能完全避免，?dǎo)致實際LSC關(guān)鍵尺寸如楔形角、藥型罩口寬等參數(shù)與設(shè)計狀態(tài)存在一定的偏差；在進(jìn)行鑄藥時，裝藥內(nèi)部存在一定縮孔和裂隙；裝藥與藥型罩之間貼合不緊密，存在一定間隙，等等。以上諸多因素導(dǎo)致了模擬結(jié)果比切割實驗獲得的結(jié)果略大，相對誤差在10%以內(nèi)，能夠滿足工程實際需要，因此實際切割器射流成型及其切割鋼靶的全過程可以用該三維數(shù)值模型進(jìn)行模擬。

4 結(jié) 論

(1)頂部中心點起爆時，LSC對鋼錠的侵徹深度隨炸高的增加緩慢增加，增加幅度較小；當(dāng)炸高小于40 mm時，侵徹深度較??；當(dāng)炸高不小于40 mm時，侵徹深度較大；最佳炸高不是固定值，而是一個范圍，此最佳炸高范圍為70～120 mm；在40～60 mm和70～120 mm的炸高范圍內(nèi)，表現(xiàn)出侵徹深度對炸高的不敏感性；該性質(zhì)具有較強的實用意義，使該結(jié)構(gòu)LSC在實際使用中具有較強的適應(yīng)性，便于根據(jù)實際條件合理地選擇炸高，在實際布設(shè)LSC時，即使在設(shè)置炸高時存在著一定誤差，也不會對最終的侵徹效果造成較大的影響。

(2)充分考慮裝藥周圍空氣介質(zhì)影響的三維數(shù)值結(jié)果，準(zhǔn)確地描述了LSC射流成型及其侵徹靶板的全過程，實際切割實驗獲得的結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果能夠較好地吻合，說明了所建立的三維數(shù)值計算模型和選擇的各個參數(shù)都是合理的、正確的，可以為研究其他類型罩結(jié)構(gòu)LSC射流成型及切割靶板的特點和規(guī)律提供參考。

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(責(zé)任編輯 丁 峰)

Penetration of steel ingot by linear shaped charge with cuniform cove

Wu Shuangzhang, Gu Wenbin, Li Xufeng

(FieldEngineeringInstitute,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,Jiangsu,China)

To obtain the characteristics and the mechanisms behind the penetration of steel ingot by linear shaped charge (LSC) with a cuniform cover, we built a three-dimensional numerical model using ANSYS/LS-DYNA program and performed a numerical simulation study. The actual cutting experiment was conducted on the basis of this numerical simulation and the following results were achieved: For a given standoff, the depth of LSC cutting steel ingot increases at first rapidly along with of time and then this increase gradually slows down; for different standoffs, the depth of LSC cutting steel ingot increases more slowly with the increase of the standoff. The penetration depth changes little at the standoffs ranging from 40 to 60 mm and from 70 to 120 mm, showing an insensitivity to the variation of the standoff. Different shapes of the cutting cross-sections of the steel ingot at different time were obtained under different conditions of the standoff. The results show that the penetration results of numerical simulation were consistent with those of the cutting experiment. Our three-dimensional numerical model can simulate the process of the penetration of the steel ingot by the real cutter. The characteristics and the mechanisms obtained can better reflect the actual cutting process.

mechanics of explosion; cutting experiment; ANSYS/LS-DYNA program; linear shaped charge; single angle cuniform cover

10.11883/1001-1455(2016)03-0353-06

2014-06-27； < class="emphasis_bold">修回日期：2014-10-16

2014-10-16

武雙章(1977— )，男，碩士，講師;

顧文彬,guwenbin1@aliyun.com。

O385;TD235.3 <國標(biāo)學(xué)科代碼：1303530 class="emphasis_bold"> 國標(biāo)學(xué)科代碼：1303530 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A國標(biāo)學(xué)科代碼：1303530

A