被覆水對聚能爆破切割器切割效果的影響＊

邢春洪，龔建華，喬曉輝，李 慧

（特種警察學(xué)院，北京102211）

0 引言

聚能爆破切割器作為磚結(jié)構(gòu)建筑物、防盜門、車輛箱體以及飛機(jī)艙體等聚能定向破拆的主要工具，為作戰(zhàn)隊(duì)員快速突入封閉空間、解救被劫持人質(zhì)提供了裝備上的保障[1]。但是，由于普通聚能爆破切割器爆破切割時，因聚酯橡膠被覆層燃燒后產(chǎn)生的有害氣體多、灰塵大、噪聲大、爆破作業(yè)所需安全半徑大等突出問題，爆破完成后，作戰(zhàn)隊(duì)員需要在較遠(yuǎn)距離上占領(lǐng)攻擊發(fā)起位置，并需要等待一定的時間才能突入，這容易造成作戰(zhàn)時機(jī)上的延誤。為解決上述問題，采用被覆水的方式，不僅可產(chǎn)生填塞爆破效果，大大減少切割索的裝藥量；而且，爆炸形成的水霧，可吸收大量的灰塵。同時，被覆水聚能爆破切割器因?yàn)闊o聚酯橡膠的燃燒等原因，產(chǎn)生的有害氣體明顯減少。

為分析被覆水對聚能爆破切割器爆破切割效果的影響，利用LS－DYNA仿真軟件，建立無被覆水和有被覆水聚能爆破切割器的二維有限元模型，對其爆破后金屬射流的速度和動能進(jìn)行對比分析。

1 被覆水聚能爆破切割器結(jié)構(gòu)

被覆水聚能爆破切割器主要由切割索、支架、水袋和填充水等組成。依據(jù)不同的爆破目標(biāo)選擇不同裝藥量的切割索；支架利用復(fù)合工程材料制成，水袋由粘結(jié)性良好、耐老化、耐酸堿的纖維布制成；水袋上設(shè)計有兩個進(jìn)水孔和一個排氣孔。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 被覆水聚能爆破切割器結(jié)構(gòu)

2 被覆水聚能爆破切割器仿真模型

因?yàn)楸桓菜勰鼙魄懈钇鞯木€性聚能裝藥結(jié)構(gòu)具有平面對稱的特點(diǎn)，在線起爆方式的前提下，其模型可以轉(zhuǎn)化為二維平面應(yīng)變模型，計算模型中使用的起爆方式即轉(zhuǎn)化為點(diǎn)起爆方式，所以直接建立二維模型進(jìn)行計算。

模型使用SOLID162二維實(shí)體單元進(jìn)行劃分，對于炸藥和金屬罩由于其形狀規(guī)整，直接采用映射網(wǎng)格劃分，而空氣層和被覆水層由于形狀的不規(guī)則性，采用自由網(wǎng)格劃分[2]。

由于水袋和支架的強(qiáng)度對爆破效果的影響很小，在忽略其對爆破效果影響的情況下，被覆水聚能爆破切割器的二維仿真模型主要由4部分組成，即空氣層、水層、炸藥層和金屬罩層，各材質(zhì)的狀態(tài)方程見表1[3]。

表1 各材質(zhì)的材料模型和狀態(tài)方程

無被覆水和有被覆水的聚能爆破切割器網(wǎng)格劃分如圖2和圖3所示。

圖2 無被覆水的聚能爆破切割器網(wǎng)格劃分模型

圖3 有被覆水的聚能爆破 切割器網(wǎng)格劃分模型

3 數(shù)值仿真結(jié)果和分析

3.1 數(shù)值仿真結(jié)果

依據(jù)各材質(zhì)的材料模型和狀態(tài)方程，修改K文件，增加金屬罩自適應(yīng)網(wǎng)格劃分功能；定義空氣和水、水和炸藥、炸藥和金屬罩之間的接觸算法；定義金屬罩變形時自身的接觸；添加用于自適應(yīng)網(wǎng)格劃分控制的＊CONTROL＿ADAPTIVE關(guān)鍵字；添加接觸剛度控制的＊CONTROL＿CONTACT關(guān)鍵字；添加設(shè)置起爆點(diǎn)的＊INITIAL＿DETONATION關(guān)鍵字。分別對有、無被覆水聚能爆破切割器的模型進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖4～圖9所示。

圖4 無被覆水的聚能切割器射流形成過程

圖5 無被覆水的聚能爆破切割器金屬罩頂點(diǎn)速度變化過程

圖6 無被覆水的聚能切割爆破器金屬罩動能變化過程

圖7 被覆水聚能爆破切割器射流形成過程

圖8 被覆水聚能爆破切割器金屬罩頂點(diǎn)速度變化過程

圖9 被覆水聚能爆破切割器金屬罩動能變化過程

3.2 結(jié)果分析

從圖4～圖9可以看出，未安裝被覆水前，金屬射流首次達(dá)到最高速度的時間約為5μs，速度達(dá)到780m／s；安裝被覆水后，達(dá)到最高速度的時間約為17.5μs，比原來有了一定的延遲，其速度最高達(dá)到1050m／s，比原來提高了34.6%。但是，金屬罩的最大動能卻由原來的26.5kJ，降低為改進(jìn)后的22.5kJ，比原來降低了15.1%。

分析其原因，被覆水聚能爆破切割器的金屬射流速度的提高，是由于被覆水在炸藥爆炸過程中形成了堵塞效果，延長了炸藥爆轟對金屬射流的作用時間；而金屬罩動能的下降也是因?yàn)楸桓菜畬饘僬值亩氯饔茫璧K了金屬罩兩邊速度的快速增加，該作用效果的另一方面就是金屬罩的汽化更加充分，破片飛散的速度、距離和飛散面積減小。

4 結(jié)論

從數(shù)值仿真和靶場實(shí)爆試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，采用被覆水聚能爆破切割器具有如下幾個方面的優(yōu)勢。

1）延長了炸藥對金屬罩的作用時間，提高了金屬射流的速度，顯著提高了切割效率。同時實(shí)爆試驗(yàn)證明了上述分析，即切割相同厚度的墻體，被覆水聚能爆破切割器的裝藥量明顯小于無被覆水時的裝藥量。

2）被覆水在爆炸過程中形成水霧，可有效地起到降塵作用，并吸收因爆破產(chǎn)生的部分有害氣體。

3）實(shí)爆中，被覆水具有屏蔽、吸收爆炸噪聲作用，可明顯降低爆炸產(chǎn)生噪聲。

4）實(shí)爆中，因被覆水能夠降低金屬罩的整體動能，降低爆炸破片的形成機(jī)率，爆炸破片數(shù)量減少，破片速度降低，飛散距離和面積縮小，縮短爆破作業(yè)所需安全半徑，更加便于特戰(zhàn)隊(duì)員更近距離占領(lǐng)攻擊發(fā)起位置，以達(dá)成攻擊的突然性。

由于本數(shù)值仿真模型，在建立的過程中對實(shí)際環(huán)境模型進(jìn)行了很大的簡化（如沒有考慮破拆目標(biāo)對金屬射流的影響），可能造成金屬射流速度、金屬罩動能仿真數(shù)據(jù)出現(xiàn)一定偏差。爆破切割目標(biāo)的強(qiáng)度、被覆水層的高度對金屬射流、金屬罩動能的影響和它們之間的關(guān)系，這些都是下一步需要系統(tǒng)研究的內(nèi)容。

[1]艾軍.特警突擊行動之破門技術(shù)[J].警察技術(shù)，2005（6）：52－54.

[2]時黨勇，李裕春，張勝民.基于 ANSYS／LS－DYNA 8.1進(jìn)行顯式動力分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3]LS－DYNA keyword user’s manual[M].Livermore Software Technology Corporation（LSTC），May，2007.

[4]劉曉蕾，曹紅松，張會鎖，等.彈丸殼體性能對聚能射流影響的數(shù)值模擬[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2009，29（4）：136－139.