炸高對柔爆索爆炸切割脆性材料的影響研究

楊 洋，趙 錚

(南京理工大學 能源與動力工程學院，南京 210094)

柔爆索是用來快速而有效切割金屬和非金屬的一類索類火工品[1]。它本質上是一種線性的聚能裝藥，具有易于彎曲制造各種形狀，分離同步性好、重量輕、預分離面密封性好等優點，因此在不同領域的爆炸切割中得到了廣泛應用。Mallery等[2]、Gonzalez等[3]對航天用的線性聚能裝藥進行了相關研究。趙波等[4]建立了環型切割裝置爆炸切割靶板的力學物理模型，并通過試驗和仿真研究驗證了計算模型的準確性。許多學者對線性聚能裝藥進行了理論研究。曾新吾等[5]較早提出了一端起爆的線型聚能裝藥射流形成的不定常理論棋型，對線性聚能裝藥進行了理論研究。Rollins R R等[6]對聚能裝藥的參數設計和靶板材料特性進行了研究，以確定它們對侵徹和破壞的影響。Ning J G等[7]提出了一種MOCL算法對聚能射流的形成過程進行了數值模擬，得出大錐角聚能射流兼有爆炸成形彈丸和小錐角射流的優點。基于前人的理論研究，Yang L C等[8]利用TCH計算機程序，對切割索的傳爆進行了定量的評估。Hsiao[9]利用有限元方法研究了聚能射流的特性。段卓平等[10]設計了4種柔性切割索，并通過實驗研究了其性能和最佳炸高范圍。祝逢春等[11]對線性聚能裝藥侵徹深度進行了分析，給出了理論計算公式。許兵[12]、黃寅生等[13]都使用線性聚能切割索對硬鋁板進行了爆炸切割試驗，并得出炸高為1 mm是較為理想的。傳統理論認為炸高一般為切割器裝藥寬度的5～8倍時為聚能切割器的最佳炸高，而脆性材料由于其特殊的材料特性，最佳炸高會有所不同。但相關的研究中對爆炸切割脆性材料的研究較少，因此，本文根據實際情況，選用ZL114A鋁合金平板作為切割靶板，主要研究炸高對柔爆索爆炸切割脆性材料的影響。首先采用型號為RBS-R4S的柔爆索對6 mm靶板進行不同炸高的爆炸切割試驗，再結合數值模擬結果與試驗結果進行比對分析，最后得到炸高對柔爆索爆炸切割脆性材料的影響規律。

1 爆炸切割靶板試驗

1.1 試驗材料及方法

型號為RBS-R4S的柔爆索外殼為鉛銻合金，藥芯裝藥為起爆威力大，化學穩定性好，并具有較高的爆溫和爆炸能量的RDX[1]，其密度1.717 g/cm3，爆速為7 980 m/s。柔爆索截面如圖1。

圖1 柔爆索截面

靶板為ZL114A鋁合金，是一種典型的脆性材料，其憑借其出色的鑄造性能、力學性能和加工性能被廣泛應用于軍工、民用等領域，常用于制造飛行器、導彈上承受高負荷的零部件以及汽車上的高性能結構件等[14]。ZL114A鋁合金具有一定的力學性能要求，試驗中使用的靶板測定的抗拉強度為325MPa，伸長率為5%，布氏硬度為103。

爆炸切割試驗在平板工裝上進行，工裝放置在地面上，平板兩邊夾持在工裝上，切割索位于平板中間，雷管位于切割索一端。切割索與平板之間的距離(炸高)通過發泡雙面膠實現，炸高用游標卡尺測量。選擇0 mm，1 mm，2 mm，4 mm，5.5 mm五種炸高對靶板厚度為6 mm的靶板進行爆炸切割，試驗裝置如圖2所示。

圖2 切割索切割靶板的試驗裝置

1.2 試驗結果及分析

切割試驗后靶板如圖3，其中炸高為5.5 mm時射流侵徹一定深度后，靶板沒能切開，炸高為0 mm、1 mm、2 mm和 4 mm都成功切開，從實驗現象可以看出，炸高較低時，隨著炸高的增加，切縫越來越規則，切口凸起部分逐漸減少，斷面平整度越來越好；當炸高增加到4 mm以上時，切口凸起部分增多，平整度下降。

圖3 切割試驗后的靶板

靶板的切口形貌如圖4、圖5所示，其中h表示炸高，Ⅰ表示切割索對靶板上表面的沖刷區域，Ⅱ為射流侵徹區域，Ⅲ拉伸斷裂區域。

從圖4和圖5的切口形貌可以看出，切割索射流侵徹端面比較整齊，射流侵徹結束后，切口下方發生動態拉伸斷裂，形成凹凸不平的斷面。由此可見，由于靶板是脆性材料，對切口有較高敏感性，高速射流在靶板上切開一定深度的切槽后，在沖擊波的作用下，達到脆性材料的動態破壞強度[15]，然后沿著切槽處斷裂。另外，切割索爆炸時在切縫垂直方向上對靶板的上表面有一定的沖刷作用，靶板在切割位置的上表面更加毛糙。試驗結果如表1所示，從表1可以看出，炸高過低，由于射流未充分拉伸使得侵徹能力不足，侵徹深度未達到最大；炸高過高，切割索的侵徹能力有所降低，這是因為射流產生了擺動，能量不集中，侵徹能力減小。因此選擇2 mm炸高為此聚能切割索的最佳炸高。

圖4 靶板的切口形貌

圖5 0 mm炸高時切口形貌

表1 爆炸切割試驗結果

2 數值模擬

2.1 有限元模型

有限元模型如圖6所示，模型尺寸與實際尺寸一致，建模過程中均采用cm-g-μs單位制。由于該模型是線性且對稱結構，所以采用單層實體建立1/2模型，在對稱面上施加對稱約束，靶板端面施加全自由度約束，以模擬工裝對靶板的約束作用。全部模型均采用六面體映射網格進行劃分，并且加密了靶板被切割部分的網格，其他部分網格稀疏。

圖6 有限元模型

2.2 材料模型

炸藥為RDX，其密度為1.717 g/cm3，爆速為7 980 m/s，采用JWL狀態方程對炸藥爆炸過程進行描述，其表達式為[16]：

(1)

其中：P為爆轟產物的壓力；V為爆轟產物的相對比容；e為爆轟產物的比內能；A、B、R1、R2、ω為常數。

其材料關鍵字為高能炸藥關鍵字*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和JWL狀態方程關鍵字*EOS_JWL；起爆點數量對切割效果有所影響[17]，本文設置1個起爆點，為頂點起爆。切割索外殼和靶板均采用*MAT_ELASTIC關鍵字，外殼密度為11.35 g/cm3，楊氏模量為1.7 GPa，泊松比為0.42，靶板的密度為2.7 g/cm3，楊氏模量為70 GPa，泊松比為0.35。靶板通過添加失效關鍵字*MAT_ADD_EROSION來控制單元的失效。

2.3 仿真結果和分析

采用流固耦合的方法對型號為RBS-R4S的柔爆索爆炸切割ZL114A平板過程進行了有限元數值模擬。切割靶板的過程如圖7所示，其中時刻t的單位為μs。

圖7 有限元數值模擬過程

從圖7可以看出，5.5 mm炸高的靶板未能切開；在其他切透靶板的過程中，可以看到聚能射流會先對靶板上表面有不同程度的沖刷作用，炸高越大，沖刷作用越小。隨后射流侵徹一定深度，并且隨著炸高的增加，侵徹深度先增加后減少，然后在沖擊波的作用下，靶板的背部逐漸出現動態拉伸斷裂現象，并發生脆性斷裂，4 mm炸高時沖擊波作用占整個切割部分的70%～80%，這與試驗結果是基本一致的。同時，2 mm炸高情況下的侵徹深度最深，靶板背部發生斷裂后形成的切割效果更佳。通過后處理，選取靶板中心位置上表面的單元得到不同炸高下單元的壓力載荷，如圖8所示，其中h表示炸高，單位為mm。從圖中可以看出，隨著炸高的增加，靶板上表面的壓力峰值為先增加后減少，2 mm炸高時載荷最大，最有利于切割靶板。由此可得出最佳炸高約為切割索裝藥寬度的0.9倍。

圖8 靶板上表面的壓力時間曲線

3 結論

1) 柔爆索爆炸切割ZL114A鋁合金平板時，最佳炸高約為切割索裝藥寬度的0.9倍。

2) ZL114A的爆炸切割是射流侵徹和動態拉伸斷裂共同作用的結果，并且隨著炸高的增加，柔爆索的切割能力先增強再減弱。

3) 在炸高不大于4 mm時，RBS-R4S柔爆索能夠可靠切開6 mm厚的ZL114A鋁合金平板。