李木易 鄒德波 趙 錚

①海裝重大項(xiàng)目中心(北京，100071)

②南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院(江蘇南京，210094)

引言

爆炸切割是一種比較成熟的切割手段，被廣泛地應(yīng)用于軍事、航空航天及工程領(lǐng)域。爆炸切割有著切割能量大、切割時(shí)間短、安全性高及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，在一些特定環(huán)境，爆炸切割手段有著很大的優(yōu)勢(shì)。

爆炸切割是利用聚能裝藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈爆轟波與金屬射流對(duì)材料進(jìn)行切割處理的一種技術(shù)。聚能裝藥起源于空穴效應(yīng)理論[1]。后來(lái)，在X射線和壓垮試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，Birkhoff及他的團(tuán)隊(duì)[2]于1948年提出了一種理論，使得藥型罩聚能裝藥理論模型被大大地簡(jiǎn)化；之后在1952年，Pugh等[3]改進(jìn)了Birkhoff的分析方法，模型變得稍微復(fù)雜，但精度得到很大的提高，即PER(Pugh-Eichelberg-Rostoker)理論。

為了讓爆炸切割有更好的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)爆炸切割技術(shù)進(jìn)行了很多技術(shù)性研究。Pai等[4]研究了聚能射流形成過(guò)程中藥型罩的不穩(wěn)定性，利用黑索今(RDX)炸藥對(duì)藥型罩進(jìn)行壓垮，然后使用閃光照相技術(shù)記錄了整個(gè)射流形成過(guò)程，確定了金屬流動(dòng)形態(tài)。劉志躍等[5]對(duì)鋁銅藥型罩不同錐角時(shí)的射流形成及侵徹過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明:射流頭部速度隨著鋁銅藥型罩錐角的減小而增大，在錐角為38°時(shí)射流深度達(dá)到最大。為了獲得某線型聚能裝藥的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，武雙章等[6]運(yùn)用正交表獲得了不同的試驗(yàn)方案，然后利用LS-DYNA對(duì)各方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了不同方案的最大射流速度和射流斷裂前的最大長(zhǎng)度。同樣利用正交設(shè)計(jì)方法，龔文濤等[7]針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種組合式的爆炸切割裝置，此裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)目標(biāo)的快速高效切割。潘書(shū)才等[8]借助LSDYNA軟件對(duì)線型聚能切割器水下切割鋼板性能的影響因素進(jìn)行了數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析了水介質(zhì)、有無(wú)藥型罩和帶有空氣槽等因素對(duì)射流侵徹靶板的特性影響，結(jié)果表明:聚能槽內(nèi)的水介質(zhì)會(huì)阻礙射流的形成，嚴(yán)重影響切割性能；帶有空氣槽的切割器可以提供射流形成的空間，大幅提高射流的侵徹能力。Elshenawy等[9]提出了一種改進(jìn)的Allison-Vitali模型，試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究表明，靶板的屈服強(qiáng)度可以大大降低聚能射流的侵徹深度。

本文中，將進(jìn)行爆炸切割脆性平板試驗(yàn)及仿真研究。通過(guò)改變脆性平板下方介質(zhì)(空氣、水及橡膠)，對(duì)爆炸切割結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到不同介質(zhì)對(duì)爆炸切割的影響，為軍事及工程方面提供參考。

1 爆炸切割脆性平板試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及方法

爆炸切割試驗(yàn)中采用的是以鉛銻合金作為藥型罩、RDX進(jìn)行裝藥的線型切割索。RDX起爆威力大，具有較高的爆溫和爆速，且化學(xué)穩(wěn)定性好，密度為1.717 g/cm3，爆速為7 980 m/s。圖1給出了該切割索截面。

圖1 切割索截面(單位:mm)Fig.1 Section of cutting cable(unit:mm)

有機(jī)玻璃密度為1.18 g/cm3，彈性模量為2.5 GPa，泊松比為0.31，抗拉強(qiáng)度為50 MPa。橡膠板密度為1.0 g/cm3，彈性模量為0.2 MPa，泊松比為0.49。

試驗(yàn)分為3組:第1組，有機(jī)玻璃下方介質(zhì)為空氣；第2組，有機(jī)玻璃下方介質(zhì)為水；第3組，有機(jī)玻璃下方粘有2 mm厚度的橡膠板。每組試驗(yàn)中，分別對(duì)厚度為5.0、10.0、15.0 mm的有機(jī)玻璃平板進(jìn)行爆炸切割，共需切割9塊有機(jī)玻璃平板。采用零炸高進(jìn)行爆炸切割試驗(yàn):一方面，工藝上容易保證炸高精度；另一方面，零炸高時(shí)切割索與平板完全接觸，爆炸產(chǎn)生的沖擊波幾乎完全作用于有機(jī)玻璃平板，能夠提高層裂和沖擊斷裂的效果。試驗(yàn)前需將有機(jī)玻璃平板固定在工裝上，再接電爆管用于起爆。第1組與第3組試驗(yàn)中所用工裝相同，如圖2(a)所示；第2組試驗(yàn)時(shí)將有機(jī)玻璃板固定在工裝后，如圖2(b)所示。

圖2 爆炸切割試驗(yàn)裝置Fig.2 Explosive cutting experimental device

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)束，將有機(jī)玻璃平板回收，對(duì)切口進(jìn)行拍照，再利用Image J軟件測(cè)量切口尺寸。在爆炸切割手段下，脆性平板結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)斷裂主要受到射流侵徹、層裂和沖擊斷裂的綜合作用。本文中，將針對(duì)這幾部分對(duì)斷裂組成進(jìn)行劃分。

第1組試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。5.0、10.0、15.0 mm 3種厚度的有機(jī)玻璃平板全部切割成功。5.0 mm的有機(jī)玻璃平板由于厚度過(guò)薄、切割索裝藥量偏大，導(dǎo)致斷口處層裂和沖擊斷裂區(qū)域較難區(qū)分。這里便將其斷裂分為兩部分，斷裂后射流侵徹深度為2.0 mm，層裂及沖擊斷裂厚度為3.0 mm；10.0 mm有機(jī)玻璃平板斷裂后射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為3.2、4.6 mm和2.2 mm；15.0 mm有機(jī)玻璃平板斷裂后射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為4.6、6.5 mm和3.9 mm。

圖3 第1組爆炸切割試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Results of explosive cutting test of Group 1

第2組試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。5.0、10.0、15.0 mm 3種厚度的有機(jī)玻璃平板全部切割成功。5.0 mm有機(jī)玻璃平板斷裂后射流侵徹深度為2.7 mm，層裂及沖擊斷裂厚度為2.3 mm；10.0 mm有機(jī)玻璃平板斷裂后射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為4.5、2.8 mm和2.7 mm；15.0 mm有機(jī)玻璃平板斷裂后射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為6.8、5.4 mm和2.8 mm。

圖4 第2組爆炸切割試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Results of explosive cutting test of Group 2

第3組試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。5.0、10.0、15.0 mm 3種厚度的有機(jī)玻璃平板全部切割成功。5.0 mm有機(jī)玻璃平板斷裂后射流侵徹深度、層裂及沖擊斷裂厚度分別為2.6、2.4 mm；10.0 mm有機(jī)玻璃平板斷裂后射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為3.8、4.4 mm和1.8 mm；15.0 mm有機(jī)玻璃平板斷裂后射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為5.4、5.7 mm和3.9 mm。

圖5 第3組爆炸切割試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of explosive cutting test of Group 3

將每組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示?？梢钥闯?有機(jī)玻璃平板下方介質(zhì)為空氣時(shí)進(jìn)行爆炸切割試驗(yàn)，層裂對(duì)平板斷裂的貢獻(xiàn)更大，在射流侵徹與沖擊斷裂的綜合作用下平板完全斷裂；有機(jī)玻璃平板下方介質(zhì)為水時(shí)進(jìn)行爆炸切割試驗(yàn)，射流侵徹作用對(duì)平板斷裂的貢獻(xiàn)更大，同下方介質(zhì)為空氣時(shí)相比，爆炸切割所產(chǎn)生的層裂要小很多，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出這樣獲得的切口更加整齊；有機(jī)玻璃平板下方介質(zhì)為橡膠板時(shí)進(jìn)行爆炸切割試驗(yàn)，與下方介質(zhì)為空氣時(shí)相比射流侵徹作用有所提高，層裂效果也有所減小，因此第3組試驗(yàn)的切口也是比較整齊的。整體來(lái)看，改變有機(jī)玻璃下方介質(zhì)會(huì)對(duì)爆炸切割效果造成影響，下方介質(zhì)為空氣時(shí)，有機(jī)玻璃平板層裂效果明顯，平板切口整齊度較低；下方介質(zhì)為水與橡膠板時(shí)，會(huì)減少有機(jī)玻璃平板的層裂效果，有機(jī)玻璃平板斷裂更依賴射流侵徹，可以獲得更好的切口。

圖6 下方介質(zhì)對(duì)爆炸切割有機(jī)玻璃平板的影響Fig.6 Influence of the underlying medium on explosive cutting of PMMA

2 爆炸切割脆性平板仿真

2.1 有限元模型

每組試驗(yàn)中工況的概念圖見(jiàn)圖7。第1組模型主要由有機(jī)玻璃(PMMA)平板、切割索及空氣域構(gòu)成；第2組模型主要由有機(jī)玻璃平板、切割索、空氣域及水域構(gòu)成；第3組模型主要由有機(jī)玻璃平板、切割索、橡膠板及空氣域構(gòu)成。

圖7 概念圖Fig.7 Concept map

依照概念圖建立有限元模型，模型尺寸與實(shí)際尺寸一致，建模過(guò)程中均采用cm-g-μs單位制。由于該模型的對(duì)稱性，所以在建模時(shí)采用1/2模型建立，在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，靶板端面施加全自由度約束，來(lái)模擬工裝對(duì)靶板的約束作用。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個(gè)模型為單層實(shí)體網(wǎng)格。這里只給出每組中一種厚度的有限元模型，如圖8所示。

圖8 有限元模型Fig.8 Finite element model

2.2 材料模型

利用LS-DYNA有限元軟件進(jìn)行數(shù)值仿真。其中，有機(jī)玻璃平板采用的是適用于陶瓷、玻璃和其他脆性材料的110＃材料模型(*Mat_Johnson_Holmquist_Ceramics)，即J-H塑性損傷模型；空氣域與水域采用的是009＃材料模型(*Mat_Null)和*Eos_Linear_Polynomial狀態(tài)方程；橡膠板、切割索所用鉛銻合金藥型罩，采用的是001＃材料模型(*Mat_Elastic)；切割索內(nèi)的炸藥采用的是008＃材料模型(*Mat_High_Explosive_Burn)，即高能炸藥模型，該材料模型中燃燒分?jǐn)?shù)F與高能炸藥的狀態(tài)方程相乘，可控制化學(xué)能的釋放以模擬爆炸，如式(1)。

采用JWL狀態(tài)方程來(lái)定義壓力:

式中:V是相對(duì)體積；W是單位體積炸藥的初始內(nèi)能；I、J、R1、R2、ω為狀態(tài)方程參數(shù)。表1給出了RDX的主要參數(shù)。

表1 RDX的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of RDX

2.3 仿真結(jié)果與分析

整個(gè)仿真過(guò)程采用流固耦合算法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算結(jié)束后，利用LS-Prepost軟件對(duì)每組的仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

對(duì)有機(jī)玻璃平板進(jìn)行爆炸切割主要是依靠切割索爆炸后所產(chǎn)生的沖擊波以及金屬射流來(lái)完成。圖9與圖10分別給出了切割索爆炸后的沖擊波云圖以及金屬射流形成及侵徹的整個(gè)過(guò)程，從而得到切割索起爆后對(duì)有機(jī)玻璃平板的作用情況。

圖9 沖擊波云圖Fig.9 Cloud images of shock wave

圖10 射流形成及侵徹過(guò)程Fig.10 Jet formation and penetration process

從圖9中可以看出，切割索內(nèi)的炸藥爆炸后產(chǎn)生了強(qiáng)大的沖擊波，沖擊波隨著時(shí)間不斷擴(kuò)散，其中一部分直接作用在下方靶板處，這是靶板產(chǎn)生層裂及沖擊斷裂的主要原因，最后切割索所產(chǎn)生的沖擊波逐漸消散。圖10中，0 μs為切割索初始狀態(tài)；在2 μs時(shí)，藥型罩受到爆轟波作用后全部被壓垮；在6 μs時(shí)，可以看見(jiàn)由藥型罩形成的射流已經(jīng)對(duì)靶板進(jìn)行侵徹；在20 μs時(shí)，射流的侵徹作用已完成，射流沿著斷裂的靶板向下方運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)有機(jī)玻璃平板下方介質(zhì)為空氣時(shí)，平板斷裂情況如圖11所示。5.0 mm有機(jī)玻璃平板斷裂后射流侵徹深度、層裂及沖擊斷裂厚度分別為2.3、2.7 mm；10.0 mm有機(jī)玻璃平板斷裂后，射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為3.6、4.3 mm和1.1 mm；15.0 mm有機(jī)玻璃平板斷裂后，射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為4.7、7.0 mm和3.3 mm。

圖11 第1組平板斷裂示意圖Fig.11 Schematic diagram of plate fracture of Group 1

當(dāng)有機(jī)玻璃平板下方介質(zhì)為水時(shí)，平板斷裂情況如圖12所示。5.0 mm有機(jī)玻璃平板斷裂后，射流侵徹深度、層裂及沖擊斷裂厚度分別為3.0、2.0 mm；10.0 mm有機(jī)玻璃平板斷裂后，射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度為4.6、2.6 mm和2.8 mm；15.0 mm有機(jī)玻璃平板斷裂后，射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為6.7、5.3 mm和3.0 mm。

圖12 第2組平板斷裂示意圖Fig.12 Schematic diagram of plate fracture of Group 2

當(dāng)有機(jī)玻璃平板下方介質(zhì)為橡膠板時(shí)，平板斷裂情況如圖13所示。5.0 mm有機(jī)玻璃平板斷裂后射流侵徹深度、層裂及沖擊斷裂厚度分別為3.0、2.0 mm；10.0 mm有機(jī)玻璃平板斷裂后，射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為4.2、3.8 mm和2.0 mm；15.0 mm有機(jī)玻璃平板斷裂后，射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為5.2、5.8 mm和4.0 mm。

圖13 第3組平板斷裂示意圖Fig.13 Schematic diagram of plate fracture of Group 3

從仿真結(jié)果來(lái)看，有機(jī)玻璃平板下方介質(zhì)為空氣時(shí)，層裂對(duì)平板斷裂的作用最大；改變平板下方介質(zhì)為水和橡膠板時(shí)，層裂效果明顯減弱，平板斷裂更依賴于射流侵徹，從斷裂示意圖也可以看出獲得的斷裂切口是比較整齊的。

表2 給出了試驗(yàn)與仿真結(jié)果的對(duì)比情況。

從表2中看出，數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。在多因素(如人工操作、環(huán)境等)影響情況下，微小誤差是不可避免的。綜合考慮可以確定，通過(guò)仿真數(shù)值模擬來(lái)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)是可行的。

表2 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of test and simulation results mm

這使得試驗(yàn)所得到的規(guī)律更具有說(shuō)服力。在之后的研究中，也可以先進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算得到一個(gè)預(yù)測(cè)性結(jié)果，然后再進(jìn)行試驗(yàn)，可以大大減少試驗(yàn)的工作量，從而為工程實(shí)際提供便利。

3 結(jié)論

基于爆炸切割脆性平板技術(shù)，在爆炸切割有機(jī)玻璃平板試驗(yàn)與仿真中，研究了有機(jī)玻璃平板下方介質(zhì)對(duì)爆炸切割的影響。首先進(jìn)行了試驗(yàn)研究，然后通過(guò)仿真進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了與試驗(yàn)相吻合的結(jié)果。結(jié)果表明，有機(jī)玻璃平板下方介質(zhì)會(huì)對(duì)脆性平板斷裂時(shí)射流侵徹、層裂及沖擊斷裂效果有很大的影響。下方介質(zhì)為空氣時(shí)，層裂效果是最明顯的；當(dāng)在有機(jī)玻璃平板下方粘一層橡膠板時(shí)，會(huì)減小層裂效果；下方介質(zhì)為水時(shí)，射流侵徹效果是最明顯的。相比于下方介質(zhì)為空氣，在下方介質(zhì)為水或者橡膠板時(shí)得到的平板斷裂切口更為整齊，在實(shí)際工程中應(yīng)對(duì)此進(jìn)行合理運(yùn)用。