磁性爆破切割裝置研究

趙 波，詹發民，王 濤

(海軍潛艇學院防險救生系，山東 青島 266420)

特種作戰行動中如對港內艦船、對近岸輸油管道、對灘頭鋼架障礙物等鐵質金屬目標的爆破，都需要使用爆破器材對破壞目標進行固定爆破［1］。目前，常規的爆破裝藥對于大型艦船的爆破，存在裝藥量大、破壞效果差、針對性不強、固定困難等缺點。因此，為了滿足未來戰爭的需要，研制和開發新型爆破器材，對于提高特種部隊爆破作戰行動能力具有重要的現實意義。

基于此，擬研制一種磁性爆破切割裝置，采用環形線性聚能裝藥，用于對艦船水下殼體大尺寸孔洞切割。

1 磁性吸附體設計原理

磁性吸附體是利用永磁體產生的強大磁能，與鐵質金屬間形成閉合的磁場，從而產生吸附力，達到裝藥與目標固定的目的。傳統的磁性吸附裝置，如國產某型破障器，其吸引力達到500 N，但對吸附有海洋生物的鋼軌，磁鐵面就難以直接吸附，需要松緊帶、尼龍搭扣的輔助才能將爆破器材固定在鋼軌上。針對傳統裝置在一定間隙情況下磁力不足，攜行使用不便等問題，對裝置磁路進行改進設計。

1.1 磁路類型

選用永磁體做為磁源，與電磁體相比永磁體吸附力的維持不需要外加能量，也不會因控制部件發生故障而脫離壁面，穩定性更高。磁路設計采用可調式磁路類型，如圖1所示，該裝置由永磁體、軛鐵、磁路旋轉開關組成。釹鐵硼材料具有較大磁能積(BH)max、磁感矯頑力Hc與較高的剩磁Br，能夠在一定的空間內(工作間隙)提供足夠強的磁場，所以選擇釹鐵硼N35作為永磁體材料，同時選擇低碳鋼作為軛鐵材料，銅作為隔磁材料［2］。使用時通過旋轉磁路開關，即改變磁力線的通路，使氣隙磁路內的磁場發生改變，實現對金屬目標的固定與解脫。

圖1 可調式磁路類型

1.2 吸附力計算公式

吸附力就是指磁路的磁場力，磁性固定裝置吸附力應滿足在具有一定間隙的情況下，提供的磁力F大于裝藥重量G。根據磁路設計和計算實際，把求解磁場力大小的公式簡化表示為［3］

式(1)中:B為磁場與導磁材料作用面處的磁感應強度;u0為真空絕對磁導率;S為磁場與導磁材料作用面的面積。

式(2)中L、W、H分別為磁體長、寬和厚度，磁體NdFeB Br=1.25T。

已知磁體尺寸長、寬和厚度可利用式(2)導出磁體磁感應強度B與磁場導磁材料作用面的面積S，u0真空絕對磁導率已知，則根據式(1)可求得磁體磁場力大小。

2 有限元建模

聚能切割器在水中爆炸切割與空氣中爆炸切割相比要困難得多，因為水的密度、傳熱速度和粘度等參數比空氣大得多，以致于射流在水中高速運動時，摩擦阻力增大，能量分散，使射流頭部運動降低，導致聚能切割器水中爆炸切割鋼板的深度很淺或幾乎不能切割鋼板［4］。為此聚能切割器設計采用內置炸高。

2.1 物理模型

采用AIVSYS/LS-DYNA軟件對環形切割器及其侵徹過程進行數值模擬與分析，由于模型是軸對稱的，為簡化計算采用1/4模型，如圖2所示，模型由炸藥、藥型罩、水、空氣和鋼板5部分組成。

其中，炸藥、藥型罩、空氣、水均采用歐拉網格劃分，單元使用多物質ALE算法，靶板采用拉格朗日網格劃分歐拉網格與拉格朗日網格之間采用流固藕合算法［5］。

2.2 模型尺寸

考慮到聚能切割器的參數選擇，模型各參數如下:內炸高為:2.8 cm，裝藥高度為7.3 cm，裝藥寬度為5.6 cm。藥型罩形狀采用圓錐型，錐角為 98°，罩口為 5.28 cm，厚度為2 mm，靶板為45#鋼。

2.3 本構方程與材料參數

1)炸藥選用B炸藥，密度1.724 g/cm3，爆速8080 m/s，裝藥量2 kg。炸藥爆轟產物的狀態方程采用JWL方程，其公式如下:

2)水的密度取1.025 g/cm3。水受沖擊壓縮時，采用GRUNEISEN狀態方程:

水膨脹過程的狀態方程為

3)藥型罩材料為紫銅，密度8.96 g/cm3，剪切模量47.7 GPa，泊松比0.34;靶板采用造船裝甲鋼，密度7.83 g/cm3，楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.28。

藥型罩和靶板均采用Johnson-Cook本構方程模擬

2.4 仿真結果分析

模型采用1/4模型，起爆方式為單點起爆，數值計算結果如圖3所示。T=15.969 μs時，射流首先在起爆點形成。T=31.996 μs時，起爆點射流開始侵徹靶板，以起爆點為中心裝藥射流依次形成。T=36.995-80 μs時，射流完成靶板侵徹過程。從射流形成的過程可以看出，采用單點起爆方式射流形成存在一定的時間梯度，對于射流形態有較大的影響。

圖3 射流侵徹靶板過程

如圖4所示，從靶板的切割效果看，由于環形聚能裝置設計采用內置炸高，所以水對射流的影響可以忽略，能完全切斷2 cm厚45#鋼，切割效果良好。

3 試驗驗證

3.1 試驗設計

為了驗證數值模擬結果是否準確，依據數值計算模型設計了環型切割器。環型切割裝置內徑47 cm，外徑54 cm，裝藥寬度為5.6 cm，裝藥高度7.3 cm，采用內置炸高，裝藥殼體與炸高防水板均采用2 mm厚鋼板，藥型罩采用紫銅，厚2 mm，炸藥采用B炸藥，采用擴爆藥柱與7號電雷管單點起爆。靶板采用80 cm×80 cm×2 cm的45#鋼，如圖5所示。

圖4 環型裝置切割靶板效果圖

圖5 環型切割裝器水中實驗

3.2 試驗方法

試驗場地選擇在某靶場的水池中進行，將裝藥和靶板固定置于水池中，加入一定深度的水，用電起爆法起爆傳爆藥柱與主裝藥。

3.3 試驗結果

裝藥起爆后，靶板被完全切斷，形成一個較為規則的圓板，如圖5所示。由此可見，環形切割器內置炸高設計合理，能夠避免水對射流造成的影響，從而保證切割效果。試驗結果與數值模擬結果一致，這說明有限元模型建立合理，參數選取合適，數值模擬結果具有較大的可信度。

4 結論

磁吸附裝置使用釹鐵硼N35作為磁源，根據水下一定氣隙條件下爆破切割器艦船殼體固定的要求，設計了磁體磁路的類型，根據對磁場力計算研究，得出了滿足磁力F大于裝藥重量G要求的吸附力計算公式。使用本文通過建立環型切割裝置水中接觸爆炸鋼質靶板的力學物理模型，并利用大型有限元軟件LS-DYNA進行數值模擬計算，得到了環型切割裝置對靶板的毀傷效果，通過試驗驗證了環形聚能裝藥設計的合理性。經過研究表明:該磁性環型切割裝置能夠用于艦船水下壁面固定切割，下一步可基于該模型對裝藥結構展開優化設計，以進一步提升裝藥的爆破效果。

［1］蔡仁照，劉萬軍.外軍特種部隊作戰寫真［M］.北京:軍事誼文出版社，2001.

［2］夏平疇.永磁機構［M］.北京:北京工業大學出版社，2000.

［3］王瑜.永磁裝置中磁場力的計算［J］.磁性材料及器件，2007，38(5):49-60.

［4］顏事龍，王尹軍，王昌建.水下爆炸切割鋼板的試驗研究［J］.爆破器材，2004，33(2):26-29.

［5］趙海鷗.LS-DYNA動力分析指南［M］.北京:兵器工業出版社，2003.

［6］時黨勇，李裕春，張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA8.1進行顯式動力分析［M］.北京:清華大學出版社，2005.