一種截頂線性聚能裝藥射流特性的數值模擬

關 榮，張樹海，李啟發，茍瑞君，陳亞紅

(1.中北大學化工與環境學院，山西 太原 030051；2.山西省公安廳治安總隊，山西 太原 030001)

一種截頂線性聚能裝藥射流特性的數值模擬

關 榮1，張樹海1，李啟發2，茍瑞君1，陳亞紅1

(1.中北大學化工與環境學院，山西 太原 030051；2.山西省公安廳治安總隊，山西 太原 030001)

為了得到特性更好的線性聚能射流，設計了一種截頂線性藥型罩加矩形輔助藥型罩的新型裝藥結構，利用ANSYS/LS-DYNA3D有限元程序對6組新型裝藥結構及傳統裝藥結構進行了模擬計算，分析了矩形輔助藥型罩寬度和截頂間隙長度對線性射流特性的影響。結果表明，該新型結構形成的線性射流的頭部最大速度總體較傳統線性聚能射流高，形成的線性射流形態更細更長，并且杵體相對較少，藥型罩質量利用率較高。在6組方案中，矩形輔助藥型罩寬度為1.0cm、截頂間隙為0.4cm時，該結構形成的線性聚能射流頭部速度最大，為3.58km/s，連續性較好，有效寬度最大。

線性聚能裝藥；輔助藥型罩；截頂；射流；數值模擬

引 言

聚能裝藥技術的研究及其在爆破工程中的應用已取得了較快發展。目前，線性聚能切割技術主要在拆除鋼架橋梁、快速挖坑、搶險和海灘救助以及切割電纜和錨鏈、打撈沉船疏通航道等方面應用廣泛[1]。早期對線性聚能裝藥的研究主要以試驗為主[2]。隨著科學技術的進步與發展，數值模擬技術在線性聚能裝藥方面也得到廣泛應用[3]。

王克波等[4]通過數值模擬設計出一種三錐形外錐的藥型罩，該裝藥結構在侵徹過程中的線性射流沒有拉斷現象。武雙章等[5]對橢圓形藥型罩下影響線性射流成型的主要結構參數進行了正交優化，通過數值模擬獲得了最佳參數組合方案。徐景林等[6]對帶隔板線性聚能裝藥的侵徹能力進行了正交優化研究，利用LS-DYNA軟件分析了5個因素對射流性能的影響，獲得了最佳結構組合。俄羅斯V.F.Minin等[7]對錐形截頂加輔助藥型罩裝藥結構進行了研究，得出這種結構形成的射流為超速度射流，具有較高的速度和較強的穿深能力。I.V.Minin等[8]以理論和試驗的方法對超聚能裝藥進行了研究，證明超聚能射流的速度高，并且其藥型罩利用率很高，這種超聚能結構是錐形截頂加輔助藥型罩裝藥結構。

目前，有關新型線性聚能裝藥結構的研究還較少。本研究根據超聚能結構設計了新型線性聚能裝藥結構。利用ANSYS/LS-DYNA3D模擬軟件，通過改變矩形輔助藥型罩寬度和截頂間隙寬度這2個因素，對射流的頭部速度、速度梯度、拉伸寬度以及斷裂時間等特性進行了數值模擬，以期為線性聚能裝藥的結構設計提供參考。

1 數值模擬

在傳統線性聚能裝藥的基礎上把線性藥型罩的頂部截掉，并在截頂位置處添加矩形輔助藥型罩，形成一種新的線性聚能裝藥結構。通過數值模擬對比分析該裝藥結構與傳統線性聚能裝藥結構所形成的線性射流特性。

1.1 裝藥結構設計

新型線性聚能裝藥及傳統線性聚能裝藥的結構示意圖如圖1所示。

2種結構的線性藥型罩錐角均為70°，裝藥寬度均為4cm，橫向寬度均為6cm，起爆方式均為中心點起爆。輔助藥型罩材料和線性藥型罩材料均為Cu，

藥型罩的厚度均為0.2cm，藥型罩頂部到裝藥頂部高度均為2cm，各方案裝藥密度均不變。6種新型線性聚能裝藥及傳統線性聚能裝藥方案見表1。

表1 6種新型線性聚能裝藥及傳統線性聚能 裝藥數值模擬方案Table 1 Numerical simulation scheme of six new linear sharped charge and traditional linear sharped charge

1.2 數值模型建立

新型線性裝藥結構主要包括炸藥、截頂線性藥型罩、矩形輔助藥型罩和空氣4部分。數值模擬時，采用Euler網格建模，并采用耦合算法。線性聚能裝藥具有面對稱性，建模時可簡化為平面對稱問題，利用LS-DYNA建立三維1/4模型，單元類型選擇3D-164六面體結構。炸藥選用8701炸藥，采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型和JWL狀態方程，該方程能精確地描述爆轟氣體產物的體積、壓力、能量等特性。藥型罩均采用JOHNSON_COOK模型和GRUNEISEN狀態方程。各材料具體參數見表2和表3，模擬軟件構建模型示意圖見圖2。

表2 8701炸藥材料模型及其狀態方程參數Table 2 The material model and its parameters of equation of state for explosive 8701

表3 Cu材料模型及其狀態方程參數Table 3 The material model and its parameters of equation of state for Copper

2 數值模擬結果與分析

本研究通過改變矩形輔助藥型罩寬度和截頂間隙寬度，設計6種方案，采用控制變量方法對各方案進行數值模擬。各方案的截頂間隙通過一系列的模擬結果進行選擇，模擬結果表示當截頂間隙大于7mm時，線性聚能射流速度無明顯提高，截頂間隙太小，不足以體現間隙的作用，因此選用0.4、0.6、0.7cm共3組間隙來對比分析線性聚能射流的特性。

2.1 不同方案線性聚能射流形態分析

圖3和圖4分別為傳統線性聚能裝藥及方案1～6對應的新型聚能裝藥形成的射流在不同時刻的形態。

由圖3可知，傳統線性聚能裝藥在起爆后16μs時已經形成形態良好的射流，但是隨后射流并沒有被充分拉伸，30μs時，杵體已經與射流完全分離。傳統線性聚能裝藥的形態在總體上比較短，射流形態相對穩定。方案1中，起爆16μs后，射流頭部剛剛形成，并且矩形輔助藥型罩受到爆轟波的作用被壓垮，形成射流尾部。30μs時，射流得到很好的拉伸，可以明顯看出杵體部分主要為矩形輔助藥型罩，而線性藥型罩幾乎全部形成射流，質量利用率較高。隨著爆轟波的傳播，射流被進一步拉伸，在46μs時，射流形態仍然完整，杵體與射流出現分離。方案2中，起爆前期射流形態良好， 46μs時，射流出現斷裂，連續性相對較差。方案3中，截頂間隙較大，在起爆16μs時，射流頭部和尾部形態較粗，與方案1、方案2相比壓垮效果較差。起爆30μs時，射流同樣得到拉伸，但形態比方案1、方案2的射流粗，杵體和射流主體沒有分離。

矩形輔助藥型罩寬度增加后，射流形成情況發生明顯改變。由圖4可知，16μs時，方案6與方案4、方案5的射流形態差異較大，間隙為0.4cm和0.6cm時，射流已經初步形成，而間隙為0.7cm時，線性藥型罩并沒有完全被壓垮，剛剛形成射流頭部。30μs時，方案4形成的射流比較細長，方案5較短，方案6的射流寬度介于方案4和方案5之間，但是杵體更大。起爆46μs時，方案4和方案5分別出現不同程度的斷裂，而方案6射流連續性相對較好。矩形輔助藥型罩寬度為1.6cm時，其被壓垮程度較低，一部分隨著射流一起運動形成射流杵體，另一部分在爆轟波的作用下飛散出去，并以較小的速度向前運動。

綜上所述，在截頂線性聚能裝藥中添加矩形輔助藥型罩后，爆轟波對藥型罩的作用被改變，炸藥起爆以后，爆轟波率先作用在輔助藥型罩上，加大了爆轟產物與藥型罩的作用面積，延長了能量傳遞時間，從而提高了炸藥能量的利用率，防止爆轟產物過早泄出；此外，爆轟波通過輔助藥型罩作用于截頂線性藥型罩上，為壓合的線性藥型罩提供了一個軸向速度，使得藥型罩在軸線方向上獲得相當大的壓力，使罩壁微元起爆后的運動形式發生改變，壓垮角度大于180°，大部分藥型罩進入射流。

寬度為1.6cm的矩形輔助藥型罩形成杵體相對較多，藥型罩質量利用率低。截頂間隙對射流的形態也有一定的影響，截頂后藥型罩與軸線距離變長，在爆轟波的作用下，線性藥型罩被壓垮并向軸線閉合擠壓，使得藥型罩在閉合時能夠產生閉合加速度，并且該條件下射流不會立即擠壓到一起，使形成的射流得到良好發展；傳統的距離太小，在壓垮初期無法使線性射流得到良好的發展。

綜上所述，起爆后，施加到截頂藥型罩上的壓力主要來自兩部分：一部分是與其直接接觸的爆轟波帶來的；另一部分是與其接觸的矩形輔助藥型罩間接傳播的爆轟波壓力。同時輔助藥型罩改變了爆轟波對線性藥型罩頭部的作用方式，在這兩種壓力下，藥型罩向軸線方向閉合的整體速度提高，進而形成速度更高的頭部射流。

2.2 不同方案線性聚能射流速度分析

線性聚能射流進行切割時，射流速度對切割效果具有重要的影響。利用ANSYS后處理軟件LS-POST分析各方案形成線性射流的速度分布。表4為4種線性聚能裝藥結構射流的頭部最大速度分布(no表示傳統聚能裝藥)。

表4 不同裝藥結構線性聚能射流頭部最大速度Table 4 The maximum velocity for jet head of different linear shaped charge

由表4可知，矩形輔助藥型罩寬度為1.0cm時，形成的線性聚能射流頭部最大速度均比傳統聚能裝藥的大，并且截頂間隙為0.4cm時的速度最大；而矩形輔助藥型罩寬度為1.6cm時，對爆轟波具有一定的干擾作用，所以形成的射流頭部速度相差比較大，射流頭部最大速度隨著截頂間隙的增大而增大，但是截頂間隙為0.4cm時，最大速度小于傳統線性射流。

圖5分別為不同裝藥結構在不同時刻對應的線性射流速度分布折線圖。

由圖5可知，當矩形輔助藥型罩寬度為1.0cm時，新型線性聚能裝藥結構形成的線性射流速度在不同時刻均比傳統射流要大，當截頂間隙為0.6cm時，其速度大于其他結構，并且在30μs以后射流速度梯度分布較小；截頂間隙為0.4cm和0.7cm時，在30μs以后，速度相差不大。當矩形輔助藥型罩寬度為1.6cm時，射流速度分布穩定性較差，只有截頂間隙為0.6cm時，射流前期速度比傳統射流大，但是在30μs時開始以較大的速度梯度下降，46μs左右速度已低于其他結構射流速度。截頂間隙為0.4cm時，速度分布與傳統射流幾乎一致，而截頂間隙為0.7cm時，在30μs之前速度較小，但是30μs以后速度較為穩定，且大于傳統射流速度。

綜上所述，矩形輔助藥型罩寬度和截頂間隙對線性聚能裝藥射流速度具有很大的影響。當矩形輔助藥型罩寬度為1.0cm時，線性聚能射流速度較傳統射流大，但是隨著截頂間隙的變化，射流速度相應發生改變。截頂間隙為0.6cm時，射流速度最大。矩形輔助藥型罩寬度增加后，在一定程度上干擾爆轟波對線性藥型罩的作用，但總體上可以增大爆轟壓力對線性藥型罩的作用壓力，從而對射流速度產生影響。通過對新型線性聚能裝藥形成的射流與傳統線性聚能射流對比分析，可以看出添加矩形輔助藥型罩可以提高線性射流的速度，并且速度受到截頂間隙的影響。因此，存在一種結構可以使得形成的射流形態和速度更好，在理論上可以提高其侵徹能力，為線性聚能裝藥的結構設計提供參考。

3 結 論

(1)與傳統聚能裝藥相比，新型線性聚能裝藥形成的射流形態較為細長。矩形輔助藥型罩寬度為1.0cm、截頂間隙為0.4cm時射流形態最長，并且杵體相對較少，藥型罩質量利用率較高。

(2)矩形輔助藥型罩可以影響爆轟波對線性藥型罩的作用，一方面防止爆轟產物過早泄出，另一方面為壓合的截頂線性藥型罩提供一個軸向速度，從而增大壓垮速度，產生速度更高的頭部射流，并且矩形輔助藥型罩寬度為1.0cm、截頂間隙為0.4cm的裝藥結構形成的射流速度整體較高。

(3)矩形輔助藥型罩寬度在一定程度上影響射流特性，寬度為1.0cm的聚能裝藥比1.6cm時形成的線性射流特性要好，因此，存在一種可以得到特性更好的線性射流的聚能裝藥結構。截頂間隙和輔助藥型罩寬度之間存在的最佳配比關系成為今后需要繼續研究的方向。

[1] 晏俊偉,龍源,唐獻述,等. 線性聚能切割器在不同連接角度下切割能力的研究[J]. 工程爆破,2005,11(3):5-8. YAN Jun-wei, LONG Yuan, TANG Xian-shu, et al. Study on incising ability of linear shaped charge cutter at different connecting angle[J].Engineering Blasting,2005,11(3):5-8.

[2] 杜學良,茍瑞君,候紅霄,等. 線性聚能切割器切割靶板過程相似率的數值模擬[J]. 工程爆破,2012,18(2):18-21. DU Xue-liang, GOU Rui-jun, HOU Hong-xiao, et al. Numerical simulation of analogue rule in the process of linear shaped charge cutter penetrating the target plate[J].Engineering Blasting,2012,18(2):18-21.

[3] 吳碩,楊清文,楊玉林,等.線性聚能裝藥切割鋼靶的數值模擬[J]. 火炸藥學報,2006,29(3):77-80. WU Shuo, YANG Qing-wen, YANG Yu-lin, et al. Numerical simulation for penetration of a steel slab by a linear shaped charge[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao),2006,29(3):77-80.

[4] 王克波,鄭宇. 線性聚能裝藥結構的數值仿真優化[J]. 爆破,2012,29(2):99-103. WANG Ke-bo, ZHENG Yu. Numerical simulation and optimization of the liner shaped charging struction[J].Blasting,2012, 29(2):99-103.

[5] 武雙章,顧文彬,李旭鋒. 橢圓形罩線型聚能裝藥結構參數正交優化研究[J]. 工程爆破,2013,19(3):1-5. WU Shuang-zhang, GU Wen-bin, LI Xu-feng. Study on the orthogonal optimization design of structure parameters of the linear shaped charge with oval cover[J]. Engineering Blasting, 2013,19(3):1-5.

[6] 徐景林,顧文彬,武雙章,等. 帶隔板線性聚能裝藥侵徹能力的正交優化[J]. 工程爆破,2016,22(1):77-81. XU Jing-lin, GU Wen-bin, WU Shuang-zhang, et al. Orthogonal optimization of penetration ability of linear shaped charge with wave-shaper[J]. Engineering Blasting,2016,22(1):77-81.

[7] Minin V F, Minin O V, Minin I V. Physics hypercumulation and comdined shaped charges[C] ∥Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE), 2012 11th International Conference on IEEE.Novosibirsk:IEEE,2012:34-52.

[8] Minin I V，Minin V F. Physics of hypercumulation: jet formation in shaped charge and ablatively-driven implosion of hollow cones[J]. International Letters of Chemistry, Physics and Astronomy,2014(3):76.

Numerical Simulation on the Jet Characteristics of a Truncated Linear Shaped Charge

GUAN Rong1, ZHANG Shu-hai1, LI Qi-fa2, GOU Rui-jun1, CHEN Ya-hong1

(1.School of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Taiyuan 030051, China；2.Security Corps of Department of Public Security of Shanxi Province, Taiyuan 030001, China)

To achieve the linear shaped charge jet with better characteristics, a truncated linear liner with rectangular auxiliary liner charge structure was designed. Six new charge structures and the traditional charge structure were simulated and calculated by the ANSYS/LS-DYNA 3D finite element program. The effect of rectangular auxiliary liner width and truncated gap length on the linear jet characteristics was analyzed. The results show that the maxium velocity of linear jet head formed by this new structure is overall higher than traditional linear shaped charge jet; and the linear jet shape is longer and thinner, the slug is relatively small, and the quality utilization rate of liner is higher. In the six sets of schemes, when the rectangular auxiliary liner width is 1.0cm and truncated gap is 0.4cm, the velocity of linear jet head formed by this structure is the maximum of 3.58km/s with better continuity,maximum effective width.

linear shaped charge; auxiliary liner; truncation; jet; numerical simulation

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.03.015

2017-01-17；

2017-03-28

關榮(1993-)，女，碩士研究生，從事線性聚能裝藥切割技術研究。E-mail:best_gr@126.com

張樹海(1969-)，男，博士，教授，從事新型火工藥劑技術及工程爆破研究。E-mail:zsh93y@nuc.edu.cn

TJ55;TJ410.3+33

A

1007-7812(2017)03-0080-05