聚能切割索切割過(guò)程的數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究

徐漢中 梅新良 張君發(fā)

摘 ?要：本文采用數(shù)值仿真和試驗(yàn)的手段對(duì)聚能切割索切割金屬靶板的過(guò)程進(jìn)行了研究，仿真和試驗(yàn)結(jié)果證明：聚能切割索切割金屬靶板的過(guò)程包括侵徹和拉斷過(guò)程，拉斷厚度最大占切割厚度的46%，切割過(guò)程仿真可指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：聚能切割索;數(shù)值仿真;切割過(guò)程

引言

聚能切割索是最近發(fā)展起來(lái)的一種特殊切割技術(shù)，它是利用成型裝藥的爆轟來(lái)壓垮金屬藥型罩形成高速的線型射流，能在瞬間切割各種金屬或非金屬材料。聚能切割索具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、切割能力強(qiáng)、性能可靠的特點(diǎn)，在切割的過(guò)程中無(wú)飛片、破片現(xiàn)象，切縫規(guī)則，易于控制切割形狀。聚能切割索多用在常規(guī)機(jī)械工業(yè)手段（如鋸切、車削、氣割等）無(wú)法實(shí)施安全作業(yè)的特殊環(huán)境中，如運(yùn)載火箭的級(jí)間分離裝置[1]、飛機(jī)救生系統(tǒng)[2-4]、核設(shè)施的拆除[5]、海底沉船的切割打撈、地下或水下石油井架的切割拆除[6]等。

聚能切割索切割金屬靶板主要依靠金屬射流對(duì)靶板的侵徹作用。射流侵徹過(guò)程通常分為三個(gè)階段[7]：（1）開(kāi)坑階段，侵徹初始階段，從射流頭部撞擊靜止靶板開(kāi)始，到射流在靶板建立穩(wěn)定的三高區(qū)（高溫、高壓、高應(yīng)變率）為止;（2）準(zhǔn)定常階段，此階段碰撞點(diǎn)處的壓力比較小，射流能量分布變化緩慢，侵徹參數(shù)變化不大，侵徹孔徑變化也不大，基本與侵徹時(shí)間無(wú)關(guān);（3）終止階段，射流速度降低，靶板強(qiáng)度的作用越來(lái)越明顯，射流的侵徹速度減慢，擴(kuò)孔能力降低，前面的射流殘?jiān)绊懥撕罄m(xù)射流與靶板材料的直接接觸，這導(dǎo)致了射流侵徹能力的減弱，此外射流在侵徹的后期產(chǎn)生頸縮和斷裂，對(duì)侵徹過(guò)程產(chǎn)生不利影響。

目前，大量的研究聚焦在聚能切割索工作時(shí)射流的侵徹過(guò)程，但是聚能切割索在工程應(yīng)用時(shí)并沒(méi)有要求完全侵徹靶板，允許一部分靶板被金屬射流拉斷。這樣能夠降低聚能切割索的線密度，減小其工作時(shí)產(chǎn)生的沖擊對(duì)系統(tǒng)的影響。

1 ?有限元模型

1.1物理模型

2 ?數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果與分析

本文主要仿真計(jì)算了一種聚能切割索對(duì)不同厚度鋁靶板的切割過(guò)程（包括侵徹和拉斷）。

圖2為聚能切割索切割4mm鋁板的仿真計(jì)算結(jié)果。其中圖2（a）和（b）分別為6μs和15μs鋁板切割過(guò)程圖，圖2（c）為鋁板完全切斷時(shí)的應(yīng)力云圖。從仿真過(guò)程和切割截面形狀可知，靶板完全被金屬射流侵徹。侵徹過(guò)程經(jīng)歷了開(kāi)坑階段和準(zhǔn)定常階段[7]。

圖3為聚能切割索切割6mm鋁板的仿真計(jì)算結(jié)果。其中圖3（a）、（b）和（c）分別為8μs、10μs和12μs鋁板切割過(guò)程，圖3（d）為鋁板切割斷面形狀。在8μs時(shí)刻，圖3（a）應(yīng)力云圖顯示靶板背面受到拉應(yīng)力達(dá)到480MPa，大于2A14 T6鋁板的抗拉強(qiáng)度430MPa;在一段時(shí)間的拉伸作用下，10μs時(shí)靶板背面開(kāi)始出現(xiàn)裂紋;最終在12μs時(shí)，整塊平板斷裂。此外，由切割斷面形狀也可以判斷，圖3（d）方框內(nèi)的斷面形狀不規(guī)則，而射流侵徹的斷面較平整（侵徹厚度大約為4.3mm），由此可判定鋁板背面是在拉伸應(yīng)力作用下拉斷的。

圖4為聚能切割索切割8mm鋁板的仿真計(jì)算結(jié)果。其中圖4（a）和（b）分別為6μs和15μs鋁板侵徹過(guò)程圖，圖4（c）為15μs時(shí)鋁板的應(yīng)力云圖。鋁板的侵徹深度大約為4.2mm，在射流侵徹初期，主要靠高速、高溫、高壓的射流切割鋁板，鋁板幾乎不發(fā)生形變;在侵徹過(guò)程中，射流速度不斷減小，侵徹能力不斷下降，此時(shí)，鋁板發(fā)生彎曲變形。依據(jù)鋁板的應(yīng)力云圖可知，鋁板背面受到的最大拉應(yīng)力為402MPa，小于其屈服應(yīng)力430MPa，故其背面未出現(xiàn)拉斷痕跡。

3 ?試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)方法

采用楔形靶板進(jìn)行切割試驗(yàn)（見(jiàn)圖5），圖5（a）為試驗(yàn)裝置的三維圖，圖5（b）為試驗(yàn)裝置的截面圖。楔形靶板材料為2A14-T6（抗拉強(qiáng)度430MPa，延伸率為13%），楔形靶板的厚度范圍為（4.0～11.0）mm。某V型聚能切割索的主裝藥的主要成分為黑索今，炸高為1.7mm，切割索露出80mm，采用電雷管軸向起爆的方式起爆切割索。試驗(yàn)后，回收靶板殘骸，觀察切割截面并測(cè)量侵徹厚度和拉斷厚度。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6為楔形靶板切割試驗(yàn)殘骸，靶板的切割截面可以劃分為：侵徹區(qū)、拉斷區(qū)和未切斷區(qū)。其中侵徹區(qū)表面光滑，有熔融痕跡;拉斷區(qū)表面不規(guī)則，有細(xì)小的尖銳角，拉斷區(qū)和侵徹區(qū)之間有明顯地分界面;未切斷區(qū)是試驗(yàn)完成后用工裝掰開(kāi)，表面與侵徹區(qū)和拉斷區(qū)顯著不同。侵徹區(qū)厚度為（4.11～4.58）mm，拉斷區(qū)厚度為（0～3.61）mm。拉斷厚度最大占到切割厚度的46%。

4 ?結(jié)論

通過(guò)對(duì)聚能切割索切割鋁板的數(shù)值仿真和楔形靶板的切割試驗(yàn)過(guò)程的研究，認(rèn)為聚能切割索切割鋁板主要分為三個(gè)階段：（1）高速射流侵徹鋁板，鋁板在高溫、高壓、高速的射流作用下發(fā)生侵徹;（2）射流速度不斷降低，最終銅粒子和鋁板粘在一起，未切斷部分不斷拉伸，鋁板厚度不斷減小;（3）在拉應(yīng)力的作用下，鋁板背面發(fā)生斷裂，鋁板整體倍切斷。若鋁板較薄，則只發(fā)生（1）過(guò)程;若鋁板較厚，則不發(fā)生（3）過(guò)程。此外，拉斷厚度最大占到切割深度的46%。這對(duì)切割索的工程應(yīng)用和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

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作者簡(jiǎn)介：徐漢中（1975-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榛鸸ぱb置技術(shù)。