張 侃，趙 錚

(南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 南京 210094)

利用微爆索作爆炸切割是一種日趨成熟的技術(shù)。其利用炸藥爆炸后形成的壓力來(lái)壓垮藥型罩，形成高速的線型射流，能在很短的時(shí)間內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行切割。這種技術(shù)多應(yīng)用于常規(guī)手段無(wú)法實(shí)施的特殊作業(yè)場(chǎng)合。然而在很多工程應(yīng)用場(chǎng)景里，存在空間狹小，爆炸切割點(diǎn)距離人員較近，周圍精密儀器密布等問(wèn)題，爆炸產(chǎn)生的沖擊波容易對(duì)周圍的環(huán)境，人員造成較大傷害[1]。而爆炸沖擊波是否對(duì)目標(biāo)造成傷害，是沖擊波超壓唯一決定的[2]。降低爆炸沖擊波的影響，是爆炸切割技術(shù)發(fā)展過(guò)程中不可忽視的問(wèn)題。

工程中爆炸切割可以選取合適的防護(hù)材料進(jìn)行近距離防護(hù)。關(guān)煥文等[3]比較了芳綸布，純橡膠等材料的防護(hù)性能，劉佳等[4]驗(yàn)證了硬質(zhì)聚氨酯泡沫對(duì)爆炸波具有很好的衰減效果，且厚度越大，衰減效果越好。胡延棟等[5]證明了多孔泡沫的孔結(jié)構(gòu)對(duì)可燃?xì)怏w爆轟波具有抑制作用，可使得溫度和壓力明顯降低。高光發(fā)等[6]通過(guò)研究證明，防護(hù)結(jié)構(gòu)采用圓形空穴的效果較方形空穴的防護(hù)效果更佳。

綜合實(shí)際工程中的需要，對(duì)于防護(hù)材料的選取，應(yīng)至少遵循以下幾點(diǎn)要求。

1) 強(qiáng)度高，具有較好的沖擊波衰減性能。

2) 本身不易因爆炸沖擊而產(chǎn)生飛散物，對(duì)周圍環(huán)境造成損傷。

3) 實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中由于空間、重量等因素的限制，材料應(yīng)輕質(zhì)、易成型。

4) 防護(hù)結(jié)構(gòu)需要緊貼于被切割板的表面，材料應(yīng)有良好的粘接性能。

綜合各位學(xué)者的研究比對(duì)結(jié)果，聚氨酯材料是一種較為理想的材料。

本文首先以聚氨酯為材料設(shè)計(jì)了單層和雙層兩種不同的防護(hù)結(jié)構(gòu)，然后利用LS-DYNA軟件對(duì)爆炸切割過(guò)程建立了數(shù)值計(jì)算模型，得到了無(wú)防護(hù)情況下測(cè)點(diǎn)的超壓，另一方面計(jì)算了測(cè)點(diǎn)峰值超壓的理論值，并將仿真結(jié)果與其進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的可靠性。通過(guò)建立兩種不同的防護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，研究了防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸切割產(chǎn)生沖擊波的防護(hù)性能，研究成果可以為后續(xù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工況與理論計(jì)算

1.1 實(shí)際工況

本文對(duì)微爆索爆炸切割有機(jī)玻璃板產(chǎn)生的沖擊波進(jìn)行防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。長(zhǎng)420 mm、寬200 mm、厚度為12 mm有機(jī)玻璃板安裝在工裝上，微爆索總長(zhǎng)度為420 mm，粘接在有機(jī)玻璃板表面正中央，炸高為0。微爆索分為炸藥及藥型罩兩部分，黑索金的裝藥線密度為3 g/m，藥型罩厚度為0.3 mm，寬度為2.5 mm，高度為2.2 mm，由電爆管控制微爆索于端部起爆。超壓測(cè)點(diǎn)位于微爆索正上方200 mm處，需要在微爆索周圍50 mm×50 mm的空間內(nèi)，設(shè)計(jì)一種可有效降低測(cè)點(diǎn)超壓峰值的防護(hù)結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)了單層與雙層共兩種防護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，最大外徑都為50 mm，最小內(nèi)徑為20 mm，材料均為聚氨酯。

圖1 防護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 理論計(jì)算

微爆索的爆炸過(guò)程可以簡(jiǎn)化成炸藥在地面上觸地爆炸過(guò)程，相關(guān)學(xué)者已總結(jié)出一些經(jīng)驗(yàn)公式可做計(jì)算[7-10]。綜合亨利奇公式，薩多夫斯基公式等，使用以下公式計(jì)算沖擊波峰值超壓[11-12]：

(1)

(2)

(3)

炸藥觸地爆炸時(shí)釋放出的沖擊波則更多的向上傳播，隨著爆距的增大，衰減速率不如無(wú)限大空氣區(qū)域內(nèi)爆炸，此時(shí)應(yīng)對(duì)等效TNT藥量進(jìn)行修正[13]，一般有WT′=2WT。

其中W為非TNT炸藥的裝藥量，QV為炸藥爆熱，QVTNT為TNT炸藥爆熱。

在本工況中，長(zhǎng)為420 mm，裝藥量為3 g/m黑索金的微爆索爆炸，計(jì)算距爆點(diǎn)200 mm處的超壓。由于目標(biāo)靶板是有機(jī)玻璃材質(zhì)，質(zhì)地較脆較硬，可看成條形藥包觸地爆炸。根據(jù)集中藥包來(lái)計(jì)算，不同形狀藥包其沖擊波峰值超壓衰減指數(shù)不同，條形藥包沖擊波峰值超壓衰減相比集中藥包更慢；距離爆點(diǎn)較近處峰值超壓接近；距離爆點(diǎn)較遠(yuǎn)處峰值超壓高于集中藥包[14]。在本工況中被測(cè)點(diǎn)位于爆點(diǎn)上方 200 mm 處，可簡(jiǎn)化成集中藥包的觸地爆炸。

根據(jù)公式計(jì)算得其等效TNT裝藥量WT′=2WT=3.456×10-3kg。其比例距離計(jì)算得。其峰值超壓計(jì)算得ΔPm=0.514 MPa。

2 仿真模型

2.1 有限元模型

實(shí)驗(yàn)采用3 g/m藥量的微爆索對(duì)12 mm厚的有機(jī)玻璃平板進(jìn)行切割，采用cm-g-μs單位制建模?？紤]到實(shí)驗(yàn)裝置的對(duì)稱性，選用單層實(shí)體網(wǎng)格建立二分之一模型，網(wǎng)格均采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元，炸藥、藥型罩、空氣采用ALE網(wǎng)格。有限元模型如圖2所示。

圖2 微爆索和整體有限元模型

空氣域?yàn)榘霃綖?0 cm的四分之一圓和200 mm×20 mm 的矩形組合而成。靶板為100 mm×12 mm的矩形。炸藥放置于靶板上方，并位于對(duì)稱軸上。起爆方式為上端起爆。對(duì)空氣域邊界設(shè)置無(wú)反射邊界條件，模擬無(wú)限大空氣區(qū)域。單層防護(hù)和雙層防護(hù)的有限元模型如圖3所示。

圖3 防護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 材料模型

炸藥采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型來(lái)進(jìn)行描述，相關(guān)參數(shù)由JWL狀態(tài)方程來(lái)描述：

(4)

式中：p為壓力；A、B、R1、R2、ω為材料常數(shù)；V為初始相對(duì)體積；E為初始比內(nèi)能。相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 炸藥相關(guān)參數(shù)

藥型罩采用*MAT_ELASTIC線性材料模型。相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 藥型罩相關(guān)參數(shù)

靶板采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS塑性損傷模型，一般多用于陶瓷、玻璃等脆性材料的建模。主要參數(shù)如表3所示。

表3 靶板主要參數(shù)

防護(hù)結(jié)構(gòu)采用*MAT_BLATZ-KO_RUBBER模型，泊松比固定為0.463，這種模型適合模擬幾乎不可壓縮的橡膠材料，可以較好的模擬聚氨酯材料所制成的防護(hù)結(jié)構(gòu)。防護(hù)結(jié)構(gòu)下部和目標(biāo)靶板粘連，通過(guò)*CONTACT_TIEBREAK_SURFACE_TO_SURFACE關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)。其密度為960 kg/m3,其剪切模量為10 GPa。

3 數(shù)值模擬

利用LS-DYNA軟件對(duì)爆炸切割過(guò)程進(jìn)行擬，得到了無(wú)防護(hù)、單層防護(hù)、雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)下的空氣域的沖擊波壓力云圖，如圖4～6所示。

圖4 無(wú)防護(hù)空氣域沖擊波壓力云圖

圖5 單層防護(hù)空氣域壓力云圖

圖6 雙層防護(hù)空氣域沖擊波壓力云圖

爆炸后爆轟產(chǎn)物以很高的速度向周圍膨脹，壓縮周圍空氣形成沖擊波。隨著沖擊波的不斷傳播，波陣面的壓力也迅速下降。爆炸傳播的初始階段超壓峰值衰減較快，而爆炸傳播的后期衰減則較為平緩。在粘接了防護(hù)結(jié)構(gòu)的算例中，爆點(diǎn)附近輪廓明顯的藍(lán)色區(qū)域?yàn)榉雷o(hù)結(jié)構(gòu)，隨著沖擊波的繼續(xù)傳播，沖擊波對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊，與此同時(shí)防護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大形變并逐步脫離有機(jī)玻璃板。

圖7表示了沖擊波在不同介質(zhì)界面上的透反射過(guò)程。

圖7 沖擊波在不同介質(zhì)界面上的透反射過(guò)程示意圖

沖擊波σ首先在空氣和聚氨酯內(nèi)交界面處發(fā)生反射和透射，透射波進(jìn)入防護(hù)結(jié)構(gòu)繼續(xù)傳播，成為一次透射波σT1。由于空氣的波阻抗比聚氨酯小很多，當(dāng)聚氨酯中的一次透射波σT1傳播到空氣與聚氨酯的外交界面時(shí)，將主要在交界面處發(fā)生反射，成為一次反射波σR1，同時(shí)以透射波的形式向空氣介質(zhì)傳播，成為二次透射波σT2，且二次透射波σT2的強(qiáng)度比一次透射波σT1要小很多，二次透射波σT2導(dǎo)致了首個(gè)波峰的產(chǎn)生。

一次反射波σR1向內(nèi)傳播到內(nèi)交界面時(shí)再次發(fā)生反射和透射，少部分透射進(jìn)入內(nèi)部，另一部分再次發(fā)生反射形成第二次反射波σR2，二次反射波σR2沿著與一次反射波相反的方向向外傳播并回到上交界面，一部分再次透射進(jìn)入空氣，成為三次透射波σT3。這一過(guò)程在交界面處不斷重復(fù)，導(dǎo)致后續(xù)波峰的產(chǎn)生，但峰值逐漸減小。

圖8為沖擊波在穿過(guò)空氣介質(zhì)時(shí)示意圖。雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在單層防護(hù)結(jié)構(gòu)中插入了一層空氣介質(zhì)，使得沖擊波在空氣和聚氨酯交界面處不斷產(chǎn)生反射以及折射。而與靶板粘接的部分是連續(xù)的聚氨酯材料，沖擊波在聚氨酯材料中不間斷的傳播。兩種情況導(dǎo)致沖擊波在傳出防護(hù)結(jié)構(gòu)后呈現(xiàn)不規(guī)則的球形。

為了研究防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)點(diǎn)沖擊波峰值的影響，給出了3種條件下爆點(diǎn)上方200 mm處測(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)程曲線，如圖9。

計(jì)算表明，無(wú)防護(hù)結(jié)構(gòu)下，測(cè)點(diǎn)在微爆索正上方200 mm高度位置，通過(guò)仿真的對(duì)比分析可知，微爆索爆炸后，空氣沖擊波在109 μs最先到達(dá)爆點(diǎn)上方200 mm處的測(cè)點(diǎn)，超壓峰值在115 μs時(shí)刻出現(xiàn)，其數(shù)值為0.525 MPa，理論計(jì)算值ΔPm=0.514 MPa，相對(duì)于理論值，仿真誤差為2.14%。

單層防護(hù)下，測(cè)點(diǎn)處的超壓遠(yuǎn)低于無(wú)防護(hù)情況下。200 mm處的超壓峰值為0.134 MPa。與無(wú)防護(hù)結(jié)構(gòu)相比，沖擊波峰值降低了73.93%。雙層防護(hù)下沖擊波超壓峰值在140 μs時(shí)刻出現(xiàn)，其數(shù)值為0.069 MPa，與無(wú)防護(hù)結(jié)構(gòu)相比沖擊波峰值降低了86.86%；與單層防護(hù)結(jié)構(gòu)相比沖擊波峰值進(jìn)一步降低了48.51%。

圖8 沖擊波穿過(guò)空氣介質(zhì)示意圖

圖9 測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)程曲線

4 結(jié)論

1) 仿真結(jié)果表明，無(wú)防護(hù)結(jié)構(gòu)下爆點(diǎn)上方200 mm處的沖擊波峰值仿真結(jié)果為0.525 MPa，與理論值的誤差為2.14%；

2) 單層防護(hù)結(jié)構(gòu)使沖擊波傳播介質(zhì)空氣和聚氨酯交替排列，符合波阻抗大小交替排列削波性能較好的規(guī)律，仿真計(jì)算得出單層防護(hù)結(jié)構(gòu)較無(wú)防護(hù)峰值超壓降低73.93%；

3) 仿真計(jì)算得出雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)較無(wú)防護(hù)峰值超壓降低86.86%，較單層防護(hù)峰值超壓降低48.51%。