董世康， 胡芳友， 崔愛(ài)永， 黃旭東， 劉 茜

(1. 海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)，山東 青島 266041；2. 北方特種能源集團(tuán)西安慶華公司，西安 710025)

戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，參戰(zhàn)飛機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)很有可能遭到破壞，這些損傷直接制約著戰(zhàn)機(jī)的再次出動(dòng)，給航空兵部隊(duì)的戰(zhàn)斗力造成嚴(yán)重影響。為了確?？罩袃?yōu)勢(shì)、贏得持續(xù)制空權(quán)，必須用最短的時(shí)間修復(fù)戰(zhàn)傷飛機(jī)，使之重新投入戰(zhàn)斗。蒙皮破孔損傷是常見(jiàn)的軍機(jī)戰(zhàn)傷模式之一，對(duì)于機(jī)身、機(jī)翼上金屬蒙皮的穿透性破孔損傷，搶修時(shí)首先要將其所在的受損區(qū)域切割成規(guī)則的形狀。清除修整過(guò)程中，目前外場(chǎng)通常采用的割刀銑刀切割、連續(xù)鉆孔切割等方法工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)、效率低[1]，難以作為野外條件戰(zhàn)場(chǎng)搶修的有效手段。因此在缺乏動(dòng)力、市電、水源的惡劣戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，急需一種能實(shí)現(xiàn)對(duì)不規(guī)則破孔快速整形的新的切割技術(shù)[2-3]。

聚能切割是一種獨(dú)特的切割技術(shù)，其原理是利用裝藥的聚能效應(yīng)，借助藥型罩在爆炸作用下匯聚成的高速金屬射流，完成對(duì)目標(biāo)的快速切割。這種切割方法最顯著的特點(diǎn)是高速有效且操作方便，運(yùn)用該原理制成的柔性線型聚能切割器(俗稱“切割索”)已在搶險(xiǎn)救援、應(yīng)急逃生等特殊場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用。如反恐隊(duì)員使用聚能切割器在金屬防盜門[4]或大巴車玻璃[5]上打開(kāi)突擊窗口，從而對(duì)犯罪分子實(shí)施抓捕；某型客機(jī)安裝的服務(wù)艙門開(kāi)啟精確爆破系統(tǒng)[6]，可在機(jī)殼適當(dāng)部位切割部分蒙皮以形成機(jī)艙泄壓口，并適時(shí)切斷艙門與機(jī)身的約束連接，開(kāi)辟人員逃生通道；中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院正研發(fā)的空中跳傘應(yīng)急出口切割裝置[7]也利用了聚能切割技術(shù)，現(xiàn)已通過(guò)地面試驗(yàn)驗(yàn)證了此技術(shù)在飛機(jī)蒙皮和長(zhǎng)桁及框結(jié)構(gòu)上形成應(yīng)急出口的可行性。

聚能切割在理論和技術(shù)上的不斷完善，為其在裝備維修，特別是裝備戰(zhàn)場(chǎng)搶修中的運(yùn)用奠定了基礎(chǔ)。田濤等[8-9]提出，爆炸加工技術(shù)高效迅速、新穎獨(dú)特，特別符合裝備搶修的要求，但該技術(shù)在裝備維修領(lǐng)域還鮮為人知、很少應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)采用聚能切割方法進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷搶修的報(bào)道，本文擬借助索類火工品這一載體，開(kāi)展飛機(jī)金屬蒙皮切割新工藝探索，以期設(shè)計(jì)一種適用于戰(zhàn)場(chǎng)搶修，可對(duì)蒙皮破孔損傷進(jìn)行原位修整的新型切割索。

1 切割索初步設(shè)計(jì)

不同材料、不同厚度的金屬蒙皮對(duì)應(yīng)不同威力的聚能切割裝置?？紤]到2A12鋁合金是飛機(jī)蒙皮的主要材料，蒙皮的厚度多在1.5～3 mm，本文選用2 mm的2A12鋁合金這一典型的飛機(jī)蒙皮材料作為切割對(duì)象。

由于切割索工作環(huán)境特殊，設(shè)計(jì)人員在切割索產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中通常需重點(diǎn)關(guān)注其工作的可靠性，因此切割索裝藥量均有冗余，所含能量普遍高于實(shí)際需要。與常規(guī)切割索不同，本文研制的新型切割索在設(shè)計(jì)理念上強(qiáng)調(diào)切割的精細(xì)度，要求在切斷鋁板的前提下，盡量減小爆炸對(duì)周圍人員、儀器、設(shè)備、結(jié)構(gòu)等造成的傷害。在選取工藝參數(shù)時(shí)，應(yīng)使切割索滿足以下幾個(gè)條件：①切割性能良好，切縫規(guī)則美觀；②切割后的鋁板形變量??；③炸藥能量利用率高，避免過(guò)多的能量富裕；④柔性好，能承受一定程度的側(cè)向彎曲變形；⑤制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格相對(duì)低廉，可進(jìn)行批量生產(chǎn)；⑥安全性高。

1.1 結(jié)構(gòu)形式的確定

按基本結(jié)構(gòu)形式劃分，切割索可分為藥條式和金屬管式兩類[10]。其中，金屬管式切割索是在金屬導(dǎo)爆索的基礎(chǔ)上，借助專用模具，經(jīng)過(guò)拉拔、滾壓等工序加工而成的。金屬殼緊密包裹藥芯，處在空穴端的金屬管壁充當(dāng)藥型罩。與藥條式切割索相比，這種形式的切割索制造更簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)更可靠、性能更穩(wěn)定，本研究選擇金屬管式作為切割索的結(jié)構(gòu)形式。

1.2 炸藥種類的確定

在航空航天領(lǐng)域，六硝基芪(HNS)、奧克托今(HMX)和黑索金(RDX)常常被用來(lái)制作線型聚能裝藥。其中，六硝基芪耐熱、低感，是高溫環(huán)境下的首選炸藥；奧克托今的能量水平在三者中最高，但生產(chǎn)成本也較高；黑索金爆速高、性能好、制備容易、價(jià)格低廉。綜合考慮，將切割索的藥芯裝藥確定為黑索金。

1.3 金屬管材料的確定

聚能切割索的金屬管大多選用銀、鋁、銅、鉛等材料。銀管切割索造價(jià)昂貴，難以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)；鋁管切割索柔性差，常用于破裂航空有機(jī)玻璃[11]等非金屬材料；銅管制成的切割索侵徹深度大，一般用來(lái)切割鋼質(zhì)構(gòu)件；鉛具有密度大、延性好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，適合制作小藥量切割索，且生產(chǎn)鉛管切割索的安全性高。因此，本文選擇鉛作為金屬管材料。

1.4 藥型罩形狀的確定

對(duì)于金屬管式切割索，常見(jiàn)的藥型罩形狀有楔形和圓弧形兩種。楔形罩切割索在制作時(shí)更加強(qiáng)調(diào)金屬罩的對(duì)稱性，通常需要較為精細(xì)的加工；圓弧形罩切割索對(duì)裝藥線密度的均勻性要求較低，但缺點(diǎn)是相較于楔形罩切割索，切開(kāi)同一厚度靶板需裝填更多炸藥。為提高炸藥的能量利用率，將藥型罩形狀選定為楔形。

1.5 其它工藝參數(shù)取值范圍的確定

切割索的侵徹能力受多種因素共同影響，在完成上述對(duì)切割索的初步設(shè)計(jì)后，本文從眾多影響因素中選取了裝藥線密度、藥型罩夾角、炸高3個(gè)直接決定切割效果，且便于工程操作和變量控制的重要參數(shù)作為后續(xù)研究對(duì)象。對(duì)于以上3個(gè)參數(shù)的最佳取值，目前尚無(wú)可利用的理論公式精確計(jì)算，需要依據(jù)以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行摸索。

根據(jù)掌握的技術(shù)資料，在已有的內(nèi)部裝填黑索金的鉛管切割索產(chǎn)品中，威力最小者為橫截面寬3 mm、高2.6 mm的M型切割索，該型號(hào)切割索裝藥線密度2.4 g/m，藥型罩夾角80°，能可靠切開(kāi)2.5 mm的2A12鋁板。對(duì)于本課題而言，M型切割索的威力偏大。此型切割索是由直徑為3 mm的金屬導(dǎo)爆索滾壓制成的，而本文設(shè)計(jì)的切割索裝藥量應(yīng)比M型少，故本研究擬選用直徑2.5 mm的鉛導(dǎo)爆索拉制新型切割索，即新型切割索的橫截面寬2.5 mm。理論研究[12]表明，切割索藥型罩夾角的最佳取值范圍是80°～101°，另?yè)?jù)有關(guān)技術(shù)資料和試驗(yàn)成果[13-14]判斷，本課題研制的切割索的裝藥線密度應(yīng)在1～2 g/m內(nèi)，有利炸高在0～0.6 mm。

2 數(shù)值計(jì)算

新型切割索的基本構(gòu)造已經(jīng)確定。為加速研究進(jìn)程、節(jié)約試驗(yàn)成本，本文借助ANSYS/LS-DYNA軟件構(gòu)建有限元模型，運(yùn)用正交設(shè)計(jì)方法，模擬切割索在裝藥線密度、藥型罩夾角、炸高3個(gè)影響因素不同水平組合下侵徹2 mm鋁合金板的過(guò)程。通過(guò)對(duì)比侵徹效果，優(yōu)化聚能切割工藝，分析原型試驗(yàn)中難以觀察到的現(xiàn)象，獲得對(duì)聚能切割問(wèn)題更為深刻細(xì)致的認(rèn)識(shí)。

2.1 構(gòu)建有限元模型

模型由炸藥、外殼、空氣、靶板4部分組成。由于切割索長(zhǎng)度較短，爆轟速度極快，故可近似認(rèn)為爆轟波自棱邊整體向裝藥底部傳播，將三維立體問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二維平面問(wèn)題。切割索橫剖面具有對(duì)稱性，且靶板尺寸遠(yuǎn)大于切割索尺寸，可以視靶板為無(wú)限軸對(duì)稱域。為提高運(yùn)算效率，本文采用單層實(shí)體網(wǎng)格建立二分之一尺寸模型，該模型由3D Solid 164單元組成。有限元模型示意圖，如圖1所示。

圖1 有限元模型示意Fig.1 Sketch of finite element model

各組成部分選用的材料模型和狀態(tài)方程，如表1所示。藥芯黑索金密度1.45 g/cm3，爆速7 600 m/s；鉛外殼密度11.3 g/cm3，剪切模量7 GPa；空氣密度1.25 kg/m3；鋁合金板密度2.78 g/cm3，彈性模量71 GPa，泊松比0.32，屈服應(yīng)力380 MPa。材料模型及狀態(tài)方程中其它參數(shù)的確定，參見(jiàn)文獻(xiàn)[15-16]。

表1 材料模型和狀態(tài)方程

在金屬射流的形成和侵徹過(guò)程中，炸藥、外殼和空氣有大幅度的結(jié)構(gòu)變形，為避免因出現(xiàn)負(fù)體積而造成的程序終止，以上三者使用多物質(zhì)任意拉格朗日—?dú)W拉單元。為了便于觀察靶板破壞情況，靶板結(jié)構(gòu)選用拉格朗日網(wǎng)格單元。當(dāng)靶板模型中某些單元的應(yīng)變值達(dá)到失效應(yīng)變時(shí)，程序?qū)⒆孕信卸ㄟ@些單元失效，并將其從材料模型中剔除。整個(gè)模型采用cm-g-μs單位制，求解終止時(shí)間為25 μs。

2.2 正交設(shè)計(jì)方案

正交設(shè)計(jì)是一種常用的安排多因素試驗(yàn)的方法，這種方法能在不影響試驗(yàn)效果的前提下，大幅減少試驗(yàn)次數(shù)。為獲得合理的切割索參數(shù)，本課題借助正交設(shè)計(jì)表優(yōu)化鋁合金薄板聚能切割工藝。對(duì)裝藥線密度、藥型罩夾角、炸高3個(gè)因素，在各自取值范圍內(nèi)分別確定3個(gè)水平。本研究中選取的各因素水平數(shù)值分別為：裝藥線密度1.2 g/m、1.5 g/m、1.8 g/m，藥型罩夾角80°，90°，100°，炸高0，0.3 mm，0.6 mm。水平的數(shù)值往往按照由小到大或由大到小的順序排列。為體現(xiàn)各水平排列順序的隨機(jī)性，避免諸如3個(gè)最小值或最大值組合在一起的極端情況的出現(xiàn)，研究中采用了抽簽排序的方法。本文經(jīng)抽簽排序確定的L9(33)正交方案，如表2所示。

表2 正交設(shè)計(jì)表

2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

利用ANSYS/LS-DYNA軟件，按照表2列出的9種參數(shù)組合，分別建立相應(yīng)的有限元模型，開(kāi)展數(shù)值計(jì)算工作。模擬仿真的結(jié)果，如圖2所示。圖2中表示的是侵徹過(guò)程結(jié)束后，不同工藝參數(shù)下2 mm硬鋁板切口處的變形和破壞情況。

對(duì)圖2中的聚能切割效果予以量化，設(shè)定鋁板形變量、切縫寬度、射流速度3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。為了便于比較分析，本文將鋁板切口處最底端偏離初始位置的距離記為鋁板形變量，將鋁板兩側(cè)斷面間的最大水平距離記為切縫寬度，將金屬射流撞擊鋁板瞬間沿豎直方向的速率記為射流速度。9組模擬仿真各評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)量數(shù)據(jù)，如表3所示。

圖2 不同工藝參數(shù)下的切割效果Fig.2 Cutting effects under different process parameters

編號(hào)鋁板形變量/mm切縫寬度/mm射流速度/(m·s-1)1#2.115 241.180 841 798.352#2.067 591.130 711 511.173#1.659 910.963 651 821.704#1.618 260.799 681 386.985#1.496 110.627 171 238.896#1.726 020.882 041 534.187#1.196 390.565 211 217.888#1.505 630.740 741 226.379#1.144 540.567 571 227.21

2.4 仿真結(jié)果分析

9組仿真中成功切斷是1#，2#，3#，4#，6#。線密度為1.8 g/m的3種線型聚能裝藥均能將2 mm厚2A12板切開(kāi)，而線密度為1.2 g/m的3種切割索均無(wú)法切斷鋁材。對(duì)于藥型罩夾角和炸高，無(wú)論二者選取何種水平，被切割鋁板總同時(shí)存在切斷和未切斷的情況。可以推知，在裝藥線密度、藥型罩夾角、炸高之中，裝藥線密度對(duì)聚能切割裝置侵徹深度的影響最為顯著。4#，5#，6#仿真對(duì)應(yīng)的3種切割索的線密度雖同為1.5 g/m，但由表3和表4可知，5#仿真中金屬射流的速度相對(duì)較低(1 238.89 m/s)，射流伸展欠佳，導(dǎo)致其不能切斷鋁板，而4#，6#的射流速度高、能量集中，故4#，6#規(guī)格的切割索可以達(dá)到切開(kāi)2 mm鋁板的目的。

表4 不同時(shí)刻金屬射流形態(tài)

據(jù)圖2結(jié)果，本研究首先可排除未實(shí)現(xiàn)鋁板分離的5#，7#，8#，9#工藝參數(shù)組合。根據(jù)表3可知，1#，2#仿真中的鋁板形變量均超過(guò)2 mm，切縫寬度均超過(guò)1 mm，較其余各組偏大。由此判斷，1#，2#切割索工作時(shí)，金屬射流對(duì)鋁板形成了更加強(qiáng)烈的沖擊，切縫附近的靶板材料沿射流運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生了較大幅度的位移，同時(shí)射流侵徹的區(qū)域更寬。相比較而言，3#，4#，6#鋁板形變量小且切縫窄，說(shuō)明采用這3組工藝參數(shù)的切割索對(duì)鋁合金靶板的沖擊強(qiáng)度適中。為了減小鋁板形變量和切縫寬度，減少后續(xù)搶修作業(yè)的工作量，本文進(jìn)而排除1#，2#仿真對(duì)應(yīng)的聚能切割工藝參數(shù)。

3#，4#，6#仿真中鋁板形變量大致相同，切縫寬度較為接近，但3#的射流速度達(dá)到了1 821.70 m/s，明顯大于4#和6#，是所有仿真中的最大者。出現(xiàn)這一現(xiàn)象主要有以下幾方面原因：①裝藥量多，炸藥傳遞給罩體的動(dòng)能更大；②藥型罩夾角小，能量匯聚更集中；③炸高的存在，使得射流有了適宜的拉伸空間和時(shí)間。切割索起爆8 μs時(shí)射流沖擊鋁板情況，如圖3所示。結(jié)合數(shù)值計(jì)算中射流形成及其侵徹靶板的過(guò)程可知，3#射流速度高，鋁板的斷裂全部是射流高速?zèng)_擊造成的，而4#，6#射流速度相對(duì)較低，射流尚在侵徹靶板頂部時(shí)，處于薄板底端的材料就已因受到強(qiáng)烈的拉伸作用發(fā)生斷裂，致使4#，6#鋁板的切口形貌與3#有較大不同(見(jiàn)圖2)。鋁板斷裂模式的差異，反映出3#仿真中金屬射流穿透板材后仍攜帶較大能量。在同樣滿足切割厚度要求的前提下，為了提高炸藥的能量利用率，避免射流切斷靶板后對(duì)切縫附近的構(gòu)件可能造成的二次損傷，應(yīng)優(yōu)先選擇裝藥量少的4#，6#工藝參數(shù)。

3 試驗(yàn)研究

本文已從1#～9#參數(shù)組合中挑選出達(dá)到設(shè)計(jì)威力，且切割效果良好的4#，6#聚能切割工藝。為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果，下面針對(duì)4#，6#開(kāi)展原型試驗(yàn)。

圖3 鋁板斷裂模式對(duì)比Fig.3 Comparison of damage pattern of plates

3.1 原型試驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)制作切割索滾壓模具，拉制出裝藥線密度為1.5 g/m，藥型罩夾角分別為80°和90°的2種規(guī)格的切割索。從2種切割索上各截取適當(dāng)長(zhǎng)度，利用特制鋁箔墊片，將藥型罩夾角為90°的4#切割索墊高至0.3 mm，而后用膠帶將此切割索粘貼在尺寸為150 mm×80 mm×2 mm的2A12板上，鋁板采用螺栓壓緊方式固定，如圖4所示。再將藥型罩夾角為80°的6#切割索以0炸高的狀態(tài)直接固定在另一相同尺寸的鋁板表面。

圖4 試驗(yàn)裝置示意Fig.4 Sketch of experiment devices

分別起爆兩切割索，得到的切縫形貌和斷面形貌如圖5所示。與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相同，采用4#，6#聚能切割工藝能夠?qū)⒑穸葹? mm的2A12鋁板線型分離。由圖5(c)和圖5(d)可以看到，4#，6#鋁板斷面的上下兩部分均具有顯著差異。上半部分留下了紋路較清晰、排列較整齊的條形沖刷波紋，而下半部分略顯雜亂，紋路沒(méi)有明顯的分布規(guī)則。結(jié)合圖3推知，在4#，6#聚能切割索爆炸作用下，鋁合金薄板的斷裂過(guò)程分為兩個(gè)階段。首先，匯聚而成的高速射流碰撞鋁板，在靶板表面開(kāi)坑后對(duì)板材實(shí)施侵徹，鋁板在這一階段的斷裂主要是因受射流的剪切作用；隨著侵徹過(guò)程的不斷推進(jìn)，鋁板底部材料受到的拉伸作用愈發(fā)強(qiáng)烈，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度后，鋁板自身發(fā)生崩裂，逆射流飛行方向向上發(fā)展的崩裂區(qū)最終與沿射流飛行方向向下發(fā)展的侵徹區(qū)連通，鋁板在此刻完全斷開(kāi)。

圖5 鋁板切縫與斷面形貌對(duì)比Fig.5 Comparison of kerfs and section morphology of plates

原型試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了數(shù)值計(jì)算中對(duì)于切割索侵徹能力和鋁板破壞模式的判斷。為進(jìn)一步驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性，本文以較易獲取的鋁板斷面崩裂區(qū)寬度為對(duì)象，分別量取原型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算中鋁板斷面的崩裂區(qū)寬度，比較二者的差異。如圖5(c)和圖5(d)所示，等間距地取5個(gè)侵徹區(qū)與崩裂區(qū)的分界點(diǎn)，測(cè)量這些點(diǎn)到鋁板底邊的距離，以它們的算術(shù)平均值作為原型試驗(yàn)的崩裂區(qū)寬度。經(jīng)測(cè)量，4#鋁板各點(diǎn)距底邊分別為0.62 mm，0.70 mm，0.82 mm，0.68 mm，0.70 mm，6#鋁板各點(diǎn)距底邊分別為0.58 mm，0.52 mm，0.48 mm，0.72 mm，0.50 mm。試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比，如表5所示。從表5可知，可以看出有限元模型與真實(shí)試驗(yàn)吻合度很高，數(shù)值計(jì)算結(jié)果可信。

由數(shù)值計(jì)算和原型試驗(yàn)，在4#，6#工藝參數(shù)下，鋁板形變量和切縫寬度等評(píng)價(jià)指標(biāo)較為相近，切縫質(zhì)量滿足飛機(jī)鋁合金蒙皮破孔損傷戰(zhàn)場(chǎng)搶修的工藝要求。對(duì)比圖5(a)和圖5(b)發(fā)現(xiàn)，4#鋁板受金屬射流侵徹影響的范圍更大，表現(xiàn)在射流對(duì)切縫附近一定區(qū)域內(nèi)的鋁板材料同樣存在侵蝕作用，而6#鋁板切縫附近射流的侵蝕效果不明顯。這主要是因?yàn)?#工藝需將切割索固定在距離靶板0.3 mm處起爆，實(shí)際操作中受外界因素影響，金屬射流在飛行時(shí)容易出現(xiàn)飛散和擺動(dòng)。此外，將切割索墊高至指定高度對(duì)于操作的精準(zhǔn)性要求較高。綜合以上原因，本文選擇6#參數(shù)組合作為最優(yōu)方案，即裝藥線密度為1.5 g/m，藥型罩夾角為80°，炸高為0。該規(guī)格切割索截面尺寸，如圖6所示，單位mm。

表5 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

圖6 切割索截面尺寸Fig.6 Cross-section dimension of LSC

3.2 性能測(cè)試試驗(yàn)

切割受損蒙皮的過(guò)程是不可逆的，因此聚能切割的精度問(wèn)題應(yīng)引起足夠重視。將圖6所示規(guī)格的切割索粘貼在厚度為3 mm的2A12鋁板上起爆，試驗(yàn)結(jié)果，如圖7所示。該型切割索的威力不足以切斷3 mm硬鋁板。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是，在金屬射流侵徹靶板的后期，射流能量耗散嚴(yán)重，速度大幅下降，此時(shí)鋁板自身的強(qiáng)度使其能夠抵抗住射流的沖擊作用，從而不會(huì)發(fā)生類似2 mm厚鋁板的底端崩裂現(xiàn)象。精度測(cè)試表明，本研究設(shè)計(jì)的切割索威力適當(dāng)，達(dá)到了切割深度精確可控的目標(biāo)。

圖7 射流侵徹3 mm厚鋁板Fig.7 Jet’s penetration into a 3 mm thick plate

為便于操作，本文前面的研究工作主要是針對(duì)線形切割開(kāi)展的，而實(shí)際搶修作業(yè)中，通常需要將損傷部位切割成形狀規(guī)則的圓形或長(zhǎng)圓形。假定搶修人員對(duì)某飛機(jī)進(jìn)行戰(zhàn)傷情況檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)2 mm厚鋁合金蒙皮上有一穿透性彈片損傷，呈不規(guī)則撕裂狀，現(xiàn)決定對(duì)此結(jié)構(gòu)損傷予以快速修理。修理的第一步是切割損傷蒙皮，經(jīng)測(cè)算需切除的受損區(qū)域?yàn)橹睆?10 mm的圓。從切割索成品上截取350 mm，將其沿切割輪廓線側(cè)向彎曲成所需形狀，用膠帶固定在鋁板表面。固定切割索時(shí)要保證切割索底部與鋁板接觸緊密，聚能凹槽對(duì)正鋁板，且切割索首尾對(duì)接良好。鋁板異形切割情況如圖8所示。設(shè)想的圓形從鋁板上脫落，切縫美觀，形狀規(guī)整，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖8 異形切割效果Fig.8 Cutting effect of abnormity cutting

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)飛機(jī)蒙皮破孔損傷的快速修整急需替代性技術(shù)這一問(wèn)題，提出利用裝藥聚能效應(yīng)進(jìn)行切割的新方法，探索了2 mm厚2A12鋁合金薄板聚能切割工藝。本文將聚能切割技術(shù)的應(yīng)用形式確定為索類火工品，經(jīng)初步設(shè)計(jì)，新型切割索為內(nèi)部裝填黑索金、帶有楔形凹槽的鉛外殼金屬管式切割索。

(2)利用ANSYS/LS-DYNA軟件，建立了切割索侵徹鋁合金板的有限元模型。采用正交設(shè)計(jì)法，比較了9組工藝參數(shù)下的鋁板形變量、切縫寬度、射流速度等指標(biāo)。通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出，對(duì)于裝藥線密度為1.5 g/m的切割索，當(dāng)藥型罩夾角為90°、炸高為0.3 mm或藥型罩夾角為80°、炸高為0時(shí)，可獲得較好的切割效果。

(3)通過(guò)對(duì)比數(shù)值計(jì)算和原型試驗(yàn)中鋁板斷面的崩裂區(qū)寬度，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。進(jìn)一步比較鋁板的切縫形貌，最終得到優(yōu)化后的聚能切割參數(shù)組合為裝藥線密度1.5 g/m、藥型罩夾角80°、炸高0。該工藝參數(shù)下的切割索侵徹深度精確可控，異形切割總體效果滿足飛機(jī)鋁合金蒙皮破孔損傷戰(zhàn)場(chǎng)搶修的工藝要求。