孫 飛，周向陽(yáng)，蔣新忠，李廣洲，唐 毅，劉 迪

(1.江蘇省核工業(yè)二七二地質(zhì)大隊(duì)，南京 210003；2.南京市公安局，南京 210000)

線型聚能切割器爆破拆除鋼結(jié)構(gòu)煙囪的優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫 飛1，周向陽(yáng)2，蔣新忠1，李廣洲1，唐 毅1，劉 迪1

(1.江蘇省核工業(yè)二七二地質(zhì)大隊(duì)，南京 210003；2.南京市公安局，南京 210000)

以一座120 m高鋼結(jié)構(gòu)煙囪爆破拆除工程為研究背景，為獲得該工程中所用線型聚能切割器較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，采用正交優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，研究了線型聚能切割器罩頂角2α、母線長(zhǎng)dm、罩壁厚δ和炸高H四個(gè)主要因素對(duì)聚能射流的影響，選取L27(313)正交優(yōu)化表，以射流侵徹鋼板最大深度Yi作為評(píng)判指標(biāo)，利用LS-DYNA有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到4個(gè)因素對(duì)評(píng)判指標(biāo)Yi影響的主次順序，獲得了最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合：罩頂角2α取90°、母線長(zhǎng)dm取25 mm、罩壁厚δ取1.0 mm、炸高H取10 mm。將優(yōu)化后的線型聚能切割器應(yīng)用于實(shí)際工程中，效果良好，符合工程要求。

鋼結(jié)構(gòu)煙囪；線型聚能切割器；拆除爆破；數(shù)值模擬；正交設(shè)計(jì)

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)煙囪爆破拆除工程主要采用線型聚能切割器對(duì)主要承重鋼結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行爆炸切割處理，從而使煙囪整體結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)傾倒〔1-2〕。因此，線型聚能切割器的參數(shù)及其結(jié)構(gòu)形式會(huì)直接影響鋼煙囪切割部件的切割效果，進(jìn)而影響到整個(gè)工程的拆除效果。選擇何種結(jié)構(gòu)參數(shù)的線型聚能切割器既能夠保證爆炸切割的效果最佳，又不會(huì)令施工的成本過高，是鋼結(jié)構(gòu)煙囪及其他大型鋼結(jié)構(gòu)建筑物爆破拆除工程面臨的一大難題。本文以120 m高鋼結(jié)構(gòu)煙囪爆破拆除工程為研究背景，在對(duì)線型聚能切割器的爆炸切割機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，通過對(duì)影響聚能切割效果各種因素的分析，利用數(shù)值模擬手段與正交實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)聚能切割器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期獲得適用于本工程最優(yōu)參數(shù)組合的線型聚能切割器〔1-5〕，同時(shí)為合理選取類似工程中線型聚能切割器的參數(shù)提供參考。

2 工程概況

待爆鋼結(jié)構(gòu)煙囪位于上海寶鋼廠區(qū)，為塔架式結(jié)構(gòu)，由塔架和筒體兩部分組成，塔架高108 m，筒體高120 m(見圖1)，充分考慮煙囪周圍環(huán)境及自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，決定采用線型聚能切割器定向爆破拆除方案〔1〕。安裝聚能切割器部位(包括塔架和筒體)的壁厚均為16 mm，采用數(shù)值模擬與正交實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)線型聚能切割器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)煙囪現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.1 Scene of steel structure chimney

3 切割器優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 切割器參數(shù)的初步確定

參照一些經(jīng)驗(yàn)公式〔6-10〕，對(duì)線型聚能切割器進(jìn)行曲線擬合，確定線型聚能切割器基本形狀(見圖2)。其中，藥型罩材料選用密度高、塑性好的紫銅材料，內(nèi)部選用常用的TNT炸藥。

圖2 切割器初步形狀及截面剖視圖Fig.2 Cutter preliminary cross-section shape and section view

線型聚能切割器侵徹靶板的結(jié)果是由多個(gè)因素共同決定的。經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，很多學(xué)者對(duì)其基本參數(shù)做了大量的理論及實(shí)驗(yàn)研究，其中最主要的影響因素有罩頂角2α、母線長(zhǎng)dm、罩壁厚δ和炸高H〔7-11〕。因此在此聚能切割器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中同樣選取這4個(gè)因素作為研究要素。

3.2 優(yōu)化參數(shù)及實(shí)驗(yàn)水平值的確定

(1)罩頂角。實(shí)踐可知，聚能切割器切割靶板的最大深度與炸藥傳遞給對(duì)稱面的能量有關(guān)，當(dāng)對(duì)稱面上的能量獲得極大值時(shí)，其切割深度最大。在對(duì)稱方向上侵徹射流的動(dòng)能為

(1)

(2)

由于cosα<1，求得:

(3)

式中：α為最佳罩頂角半角，(°)；θ為彎折角，(°)。

由式(3)可知，θ的取值直接影響α的大小，通常情況下，θ為15° ～25°，代入式(3)可得2α=80°～101°。為對(duì)比2α的變化對(duì)形成射流及侵徹靶板深度的影響，模擬實(shí)驗(yàn)分別取80°、90°、100°。

(2)母線長(zhǎng)。根據(jù)定常侵徹理論〔6〕，聚能切割器的侵徹深度與射流密度的平方根、藥型罩母線長(zhǎng)呈正比。本文在實(shí)驗(yàn)資料和理論公式的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工程要求，采用的母線長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)值為15、20、25 mm。

(3)罩壁厚。罩壁如果過厚，則極易形成破片而不形成射流；罩壁如果過薄，則由于形成的射流質(zhì)量太少，會(huì)在一定程度上降低對(duì)靶板的侵徹深度。通常，藥型罩的壁厚約為其內(nèi)部口徑的1%～6%。在紫銅藥型罩壁厚δ的設(shè)計(jì)中，可按式(4)進(jìn)行取值：

δ=(2%～3%)di

(4)

式中：di為藥型罩口部?jī)?nèi)徑，mm。

本文的線型聚能切割器藥型罩口部?jī)?nèi)徑大致為20 ～50 mm，代入式(4)得δ為0.4 ～1.5 mm。因此，實(shí)驗(yàn)選用的藥型罩壁厚分別為0.5、1.0、1.5 mm。

(4)炸高。炸高指的是靶板與藥型罩最底端之間的距離，它的選取直接影響到聚能切割器切割靶板的侵徹深度。有利炸高是指在聚能切割器選定情況下與最大侵徹深度相對(duì)應(yīng)的炸高〔6〕，在確保能將目標(biāo)靶板割穿的工況下，有利炸高能夠有效地減少裝藥量、減弱爆炸對(duì)周圍環(huán)境的影響節(jié)約成本。為了方便對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)選用炸高分別為0、5、10 mm。

3.3 模型建立及參數(shù)選取

LS-DYNA作為近年來常用的一款高效準(zhǔn)確的有限元分析軟件，能夠更直觀地觀察和分析聚能射流切割靶板的整個(gè)動(dòng)態(tài)過程，也更容易獲得有助于進(jìn)一步深入研究的數(shù)據(jù)〔8-12〕。

由上述分析可知，本文所建模型由炸藥、藥型罩、空氣、鋼板4部分組成。為方便計(jì)算，在數(shù)值模擬中引入以下假設(shè)：模型各部分均為均勻連續(xù)介質(zhì)；整個(gè)射流形成和切割侵徹鋼板過程均為絕熱過程；忽略重力的作用；忽略鋼板的整體運(yùn)動(dòng)和外界的干擾，假設(shè)鋼板厚度和水平尺寸無(wú)限大。

采用mm-g-μs單位制進(jìn)行建模。模型采取流固耦合，該方法可以避免因?yàn)榫W(wǎng)格畸變過大造成的計(jì)算發(fā)散、計(jì)算不可信等缺點(diǎn)。空氣用有限域進(jìn)行模擬，空氣、鋼板及內(nèi)部裝藥設(shè)定為無(wú)反射邊界，以避免邊界產(chǎn)生的反射應(yīng)力波對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。由于該模型軸對(duì)稱，為簡(jiǎn)化計(jì)算，建立1/2模型進(jìn)行模擬和求解(見圖3)。

3.4 正交實(shí)驗(yàn)

3.4.1 正交實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的理論和實(shí)驗(yàn)資料〔6-12〕，分別選取罩頂角A、母線長(zhǎng)B、罩壁厚C和炸高D四個(gè)主要參數(shù)作為正交優(yōu)化的因素。為方便對(duì)比各實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，選取射流侵徹鋼板最大深度Yi作為其衡量指標(biāo)。各因素及對(duì)應(yīng)的水平見表1。

圖3 聚能切割器數(shù)值模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of cutter numerical model

罩頂角A/(°)母線長(zhǎng)B/mm罩壁厚C/mm炸高D/mm18015050290201053100251510

在模擬實(shí)驗(yàn)中，考慮到兩兩因素之間的組合作用，在正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表中引入交互作用列。通過對(duì)每一組因素的交互作用進(jìn)行分析，來評(píng)判不同因素的組合對(duì)指標(biāo)的影響程度。線型聚能切割器考慮兩兩因素交互作用的四因素三水平正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2〔6〕。

表2 四因素三水平正交表L27(313)

續(xù)表2

注：表中1、2、3表示各因素所對(duì)應(yīng)的水平，A×B表示因素A與因素B的交互作用列。

3.4.2 正交結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬對(duì)27組不同因素組合的模型計(jì)算，得到各模型中射流侵徹鋼板的最大深度。然后依據(jù)這27組不同侵徹深度值對(duì)正交表進(jìn)行對(duì)比分析，最后得出一組優(yōu)化的聚能切割器參數(shù)組合(見表3)。

表3 模擬計(jì)算結(jié)果

由表3結(jié)合綜合平衡法〔6〕，將每一交互列也看作一個(gè)因素，可計(jì)算出各因素的單指標(biāo)極差值及極差平均值，然后通過對(duì)同一因素不同水平極差平均值大小的對(duì)比，找出每個(gè)因素的最佳水平，進(jìn)而對(duì)指標(biāo)進(jìn)行綜合衡量，找出最優(yōu)方案。各因素單指標(biāo)極差分析結(jié)果見表4，正交極差對(duì)比見圖4。

由表4和圖4中的極差值可以看出，對(duì)于射流侵徹鋼板最大深度Yi這一指標(biāo)(認(rèn)為值大更優(yōu))，影響最大的是因素B，以第三水平為佳；其次是因素D，以第三水平為佳；第三是因素A，以第二水平為佳；接下來依次是交互列(A×C)2，(A×B)或(C×D)，(B×C)，C。

若不考慮交互作用，很容易得到最優(yōu)方案為A2B3C3D3，但本次實(shí)驗(yàn)中的交互作用(A×C)占到了主要因素的第四位，并且與第三位主要因素相差甚微，而在(A×C)交互作用列中沒有具體的因素和水平，需根據(jù)表3進(jìn)行分析，以此來考察A、C的搭配水平，A、C搭配水平見表5。

由表5可知，因素A與因素C的交互作用中A2×C2這一搭配最佳，值為58.78。而由于(A×B)或(C×D)，(B×C)的交互作用與因素C的影響值相差甚微，且因素C中第二水平為最佳，與表5中的搭配一致，故可忽略(A×B)或(C×D)，(B×C)交互作用的影響。因此，可得到較優(yōu)的參數(shù)組合如下：

A2：罩頂角，第二水平，90°

B3：母線長(zhǎng)，第三水平，25 mm

C2：罩壁厚，第二水平，1.0 mm

D3：炸高，第三水平，10 mm

表4 單指標(biāo)極差分析表

注：Ki(i=1,2,3)指的是實(shí)驗(yàn)中的各個(gè)因素在第i水平所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值累加之和，ki為其平均值。

圖4 正交極差對(duì)比Fig.4 Orthogonal range contrast diagram

3.4.3 優(yōu)化聚能切割器射流形成過程的數(shù)值模擬

按正交分析法選擇的最優(yōu)方案A2B3C2D3結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)切割器，運(yùn)用有限元分析軟件LS-DYNA結(jié)合材料相應(yīng)參數(shù)對(duì)聚能切割器及鋼板建立模型，對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，然后通過自帶的后處理程序LS-PREPOST對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

線型聚能切割器侵徹鋼板4個(gè)典型時(shí)刻見圖5。其中圖5(a)為初始圖像，炸高設(shè)置為10 mm；t=13 μs時(shí)射流已基本形成， 形成射流的頭部速度達(dá)到最大，為3 052 m/s；之后射流在撞到鋼板后，由于鋼板的作用，其頭部速度逐漸下降，開始切割鋼板；t=17 μs時(shí)，射流頭部的速度大于尾部的速度，射流逐漸拉斷形成斷流；隨著射流質(zhì)量和能量的減小，頭部速度減小直至與杵桿相同，當(dāng)射流能量小于某一特定值時(shí)，侵徹便會(huì)終止，圖5(d)中射流雖然還沒有完全落入鋼板底部，但它的動(dòng)能已經(jīng)不足以繼續(xù)侵徹鋼板。此時(shí)侵徹深度達(dá)到最大，為25.77 mm。

表5 因素A、C搭配水平表

圖5 不同時(shí)刻射流形成并侵徹鋼板的模擬圖Fig.5 Jet formation at different moments and the simulation images of the penetrating steel plate

4 應(yīng)用效果

起爆后，煙囪按照預(yù)計(jì)方向倒塌在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)(見圖6)。在縮短工期的同時(shí)大大降低了拆除成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 鋼結(jié)構(gòu)煙囪倒塌瞬間Fig.6 Steel structure chimney collapse transient

該鋼結(jié)構(gòu)煙囪爆破拆除后，在現(xiàn)場(chǎng)收集到被聚能射流射穿的塔架和筒體截面形狀如圖7所示。可以直觀地看到，切割部位在聚能射流侵徹的作用下，背部出現(xiàn)翻唇現(xiàn)象；切口較平整，且附有一層紫銅。由此可知，優(yōu)化后的聚能切割器能夠很好地滿足該工程的要求。

圖7 聚能切割器切割鋼結(jié)構(gòu)煙囪效果圖Fig.7 Steel structure chimney cutting cutter figure

5 結(jié)論

(1)通過采用數(shù)值模擬與正交實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，選取線型聚能切割器罩頂角2α、母線長(zhǎng)dm、罩壁厚δ和炸高H4個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出各因素對(duì)射流侵徹鋼板的最大深度Yi影響的重要程度依次為dm﹥H﹥2α﹥?chǔ)摹?/p>

(2)通過正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，獲得了線型聚能切割器拆除鋼結(jié)構(gòu)煙囪的最佳參數(shù)組合為罩頂角2α取90°、母線長(zhǎng)dm取25 mm、罩壁厚δ取1.0 mm、炸高H取10 mm。將優(yōu)化后的聚能切割器應(yīng)用于實(shí)際工程中，效果良好，符合工程要求。可為合理選取類似工程聚能切割器的參數(shù)提供參考。

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Optimal design of shaped charge cutter used in blasting demolition of steel chimney

SUN Fei1，ZHOU Xiang-yang2，JIANG Xin-zhong1, LI Guang-zhou1，TANG Yi1，LIU Di1

(1. NO.272 Geological Party of Nuclear Industry, Nanjing 210003, China; 2. Nanjing Public Security Bureau, Nanjing 210000, China)

Taking a 120 m high steel structure chimney blasting demolition project as the research background, in order to obtain the optimal combination of the linear shape energy cutter used in the project, the orthogonal optimization design method was used to study the effect of the linear shaped energy cutter. L27(313)orthogonality optimization table was adopted and the maximum depthYiof the steel plate penetrated by the jet was taken as the index of judging. The effects of four factors including the apex angle 2α, the lengthdm, the wall thicknessδand the charge heightHon shaped charge jet were selected to analyze. The LS-DYNA finite element analysis software was used to calculate the parameters. The sequence of effect of these four factors onYiwas obtained. The optimal combination of structure parameters was that 2αequals to 90°,dmequaled to 25 mm,δwas 1.0 mm andHwas 10 mm. The optimized linear shaped energy cutter was applied to the actual project and the result was good,which met the engineering requirements.

Steel chimney; Linear shaped charge cutter; Demolition blasting; Numerical simulation; Orthogonal design

1006-7051(2016)06-0048-07

2016-08-16

孫 飛(1989-)，男，碩士，助理工程師，從事爆炸與毀傷效應(yīng)研究及其應(yīng)用。E-mail：1326662880@qq.com

TB41

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.06.011