下方介質對爆炸切割脆性平板的影響研究?

李木易 鄒德波 趙 錚

①海裝重大項目中心(北京，100071)

②南京理工大學能源與動力工程學院(江蘇南京，210094)

引言

爆炸切割是一種比較成熟的切割手段，被廣泛地應用于軍事、航空航天及工程領域。爆炸切割有著切割能量大、切割時間短、安全性高及環境適應性強等特點。因此，在一些特定環境，爆炸切割手段有著很大的優勢。

爆炸切割是利用聚能裝藥爆炸時產生的強烈爆轟波與金屬射流對材料進行切割處理的一種技術。聚能裝藥起源于空穴效應理論[1]。后來，在X射線和壓垮試驗研究基礎上，Birkhoff及他的團隊[2]于1948年提出了一種理論，使得藥型罩聚能裝藥理論模型被大大地簡化；之后在1952年，Pugh等[3]改進了Birkhoff的分析方法，模型變得稍微復雜，但精度得到很大的提高，即PER(Pugh-Eichelberg-Rostoker)理論。

為了讓爆炸切割有更好的應用，國內外學者針對爆炸切割技術進行了很多技術性研究。Pai等[4]研究了聚能射流形成過程中藥型罩的不穩定性，利用黑索今(RDX)炸藥對藥型罩進行壓垮，然后使用閃光照相技術記錄了整個射流形成過程，確定了金屬流動形態。劉志躍等[5]對鋁銅藥型罩不同錐角時的射流形成及侵徹過程進行了數值模擬，結果表明:射流頭部速度隨著鋁銅藥型罩錐角的減小而增大，在錐角為38°時射流深度達到最大。為了獲得某線型聚能裝藥的主要結構參數，武雙章等[6]運用正交表獲得了不同的試驗方案，然后利用LS-DYNA對各方案進行了數值模擬，獲得了不同方案的最大射流速度和射流斷裂前的最大長度。同樣利用正交設計方法，龔文濤等[7]針對鋼結構目標優化設計了一種組合式的爆炸切割裝置，此裝置可以實現對鋼結構目標的快速高效切割。潘書才等[8]借助LSDYNA軟件對線型聚能切割器水下切割鋼板性能的影響因素進行了數值模擬，重點分析了水介質、有無藥型罩和帶有空氣槽等因素對射流侵徹靶板的特性影響，結果表明:聚能槽內的水介質會阻礙射流的形成，嚴重影響切割性能；帶有空氣槽的切割器可以提供射流形成的空間，大幅提高射流的侵徹能力。Elshenawy等[9]提出了一種改進的Allison-Vitali模型，試驗和數值模擬研究表明，靶板的屈服強度可以大大降低聚能射流的侵徹深度。

本文中，將進行爆炸切割脆性平板試驗及仿真研究。通過改變脆性平板下方介質(空氣、水及橡膠)，對爆炸切割結果進行對比分析，得到不同介質對爆炸切割的影響，為軍事及工程方面提供參考。

1 爆炸切割脆性平板試驗

1.1 試驗材料及方法

爆炸切割試驗中采用的是以鉛銻合金作為藥型罩、RDX進行裝藥的線型切割索。RDX起爆威力大，具有較高的爆溫和爆速，且化學穩定性好，密度為1.717 g/cm3，爆速為7 980 m/s。圖1給出了該切割索截面。

圖1 切割索截面(單位:mm)Fig.1 Section of cutting cable(unit:mm)

有機玻璃密度為1.18 g/cm3，彈性模量為2.5 GPa，泊松比為0.31，抗拉強度為50 MPa。橡膠板密度為1.0 g/cm3，彈性模量為0.2 MPa，泊松比為0.49。

試驗分為3組:第1組，有機玻璃下方介質為空氣；第2組，有機玻璃下方介質為水；第3組，有機玻璃下方粘有2 mm厚度的橡膠板。每組試驗中，分別對厚度為5.0、10.0、15.0 mm的有機玻璃平板進行爆炸切割，共需切割9塊有機玻璃平板。采用零炸高進行爆炸切割試驗:一方面，工藝上容易保證炸高精度；另一方面，零炸高時切割索與平板完全接觸，爆炸產生的沖擊波幾乎完全作用于有機玻璃平板，能夠提高層裂和沖擊斷裂的效果。試驗前需將有機玻璃平板固定在工裝上，再接電爆管用于起爆。第1組與第3組試驗中所用工裝相同，如圖2(a)所示；第2組試驗時將有機玻璃板固定在工裝后，如圖2(b)所示。

圖2 爆炸切割試驗裝置Fig.2 Explosive cutting experimental device

1.2 試驗結果與分析

試驗結束，將有機玻璃平板回收，對切口進行拍照，再利用Image J軟件測量切口尺寸。在爆炸切割手段下，脆性平板結構動態斷裂主要受到射流侵徹、層裂和沖擊斷裂的綜合作用。本文中，將針對這幾部分對斷裂組成進行劃分。

第1組試驗結果如圖3所示。5.0、10.0、15.0 mm 3種厚度的有機玻璃平板全部切割成功。5.0 mm的有機玻璃平板由于厚度過薄、切割索裝藥量偏大，導致斷口處層裂和沖擊斷裂區域較難區分。這里便將其斷裂分為兩部分，斷裂后射流侵徹深度為2.0 mm，層裂及沖擊斷裂厚度為3.0 mm；10.0 mm有機玻璃平板斷裂后射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為3.2、4.6 mm和2.2 mm；15.0 mm有機玻璃平板斷裂后射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為4.6、6.5 mm和3.9 mm。

圖3 第1組爆炸切割試驗結果Fig.3 Results of explosive cutting test of Group 1

第2組試驗結果如圖4所示。5.0、10.0、15.0 mm 3種厚度的有機玻璃平板全部切割成功。5.0 mm有機玻璃平板斷裂后射流侵徹深度為2.7 mm，層裂及沖擊斷裂厚度為2.3 mm；10.0 mm有機玻璃平板斷裂后射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為4.5、2.8 mm和2.7 mm；15.0 mm有機玻璃平板斷裂后射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為6.8、5.4 mm和2.8 mm。

圖4 第2組爆炸切割試驗結果Fig.4 Results of explosive cutting test of Group 2

第3組試驗結果如圖5所示。5.0、10.0、15.0 mm 3種厚度的有機玻璃平板全部切割成功。5.0 mm有機玻璃平板斷裂后射流侵徹深度、層裂及沖擊斷裂厚度分別為2.6、2.4 mm；10.0 mm有機玻璃平板斷裂后射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為3.8、4.4 mm和1.8 mm；15.0 mm有機玻璃平板斷裂后射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為5.4、5.7 mm和3.9 mm。

圖5 第3組爆炸切割試驗結果Fig.5 Results of explosive cutting test of Group 3

將每組試驗進行對比，如圖6所示?？梢钥闯?有機玻璃平板下方介質為空氣時進行爆炸切割試驗，層裂對平板斷裂的貢獻更大，在射流侵徹與沖擊斷裂的綜合作用下平板完全斷裂；有機玻璃平板下方介質為水時進行爆炸切割試驗，射流侵徹作用對平板斷裂的貢獻更大，同下方介質為空氣時相比，爆炸切割所產生的層裂要小很多，從試驗結果可以看出這樣獲得的切口更加整齊；有機玻璃平板下方介質為橡膠板時進行爆炸切割試驗，與下方介質為空氣時相比射流侵徹作用有所提高，層裂效果也有所減小，因此第3組試驗的切口也是比較整齊的。整體來看，改變有機玻璃下方介質會對爆炸切割效果造成影響，下方介質為空氣時，有機玻璃平板層裂效果明顯，平板切口整齊度較低；下方介質為水與橡膠板時，會減少有機玻璃平板的層裂效果，有機玻璃平板斷裂更依賴射流侵徹，可以獲得更好的切口。

圖6 下方介質對爆炸切割有機玻璃平板的影響Fig.6 Influence of the underlying medium on explosive cutting of PMMA

2 爆炸切割脆性平板仿真

2.1 有限元模型

每組試驗中工況的概念圖見圖7。第1組模型主要由有機玻璃(PMMA)平板、切割索及空氣域構成；第2組模型主要由有機玻璃平板、切割索、空氣域及水域構成；第3組模型主要由有機玻璃平板、切割索、橡膠板及空氣域構成。

圖7 概念圖Fig.7 Concept map

依照概念圖建立有限元模型，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。由于該模型的對稱性，所以在建模時采用1/2模型建立，在對稱面上施加對稱約束，靶板端面施加全自由度約束，來模擬工裝對靶板的約束作用。對模型進行網格劃分，整個模型為單層實體網格。這里只給出每組中一種厚度的有限元模型，如圖8所示。

圖8 有限元模型Fig.8 Finite element model

2.2 材料模型

利用LS-DYNA有限元軟件進行數值仿真。其中，有機玻璃平板采用的是適用于陶瓷、玻璃和其他脆性材料的110＃材料模型(*Mat_Johnson_Holmquist_Ceramics)，即J-H塑性損傷模型；空氣域與水域采用的是009＃材料模型(*Mat_Null)和*Eos_Linear_Polynomial狀態方程；橡膠板、切割索所用鉛銻合金藥型罩，采用的是001＃材料模型(*Mat_Elastic)；切割索內的炸藥采用的是008＃材料模型(*Mat_High_Explosive_Burn)，即高能炸藥模型，該材料模型中燃燒分數F與高能炸藥的狀態方程相乘，可控制化學能的釋放以模擬爆炸，如式(1)。

采用JWL狀態方程來定義壓力:

式中:V是相對體積；W是單位體積炸藥的初始內能；I、J、R1、R2、ω為狀態方程參數。表1給出了RDX的主要參數。

表1 RDX的主要參數Tab.1 Main parameters of RDX

2.3 仿真結果與分析

整個仿真過程采用流固耦合算法進行數值計算。計算結束后，利用LS-Prepost軟件對每組的仿真結果進行分析。

對有機玻璃平板進行爆炸切割主要是依靠切割索爆炸后所產生的沖擊波以及金屬射流來完成。圖9與圖10分別給出了切割索爆炸后的沖擊波云圖以及金屬射流形成及侵徹的整個過程，從而得到切割索起爆后對有機玻璃平板的作用情況。

圖9 沖擊波云圖Fig.9 Cloud images of shock wave

圖10 射流形成及侵徹過程Fig.10 Jet formation and penetration process

從圖9中可以看出，切割索內的炸藥爆炸后產生了強大的沖擊波，沖擊波隨著時間不斷擴散，其中一部分直接作用在下方靶板處，這是靶板產生層裂及沖擊斷裂的主要原因，最后切割索所產生的沖擊波逐漸消散。圖10中，0 μs為切割索初始狀態；在2 μs時，藥型罩受到爆轟波作用后全部被壓垮；在6 μs時，可以看見由藥型罩形成的射流已經對靶板進行侵徹；在20 μs時，射流的侵徹作用已完成，射流沿著斷裂的靶板向下方運動。

當有機玻璃平板下方介質為空氣時，平板斷裂情況如圖11所示。5.0 mm有機玻璃平板斷裂后射流侵徹深度、層裂及沖擊斷裂厚度分別為2.3、2.7 mm；10.0 mm有機玻璃平板斷裂后，射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為3.6、4.3 mm和1.1 mm；15.0 mm有機玻璃平板斷裂后，射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為4.7、7.0 mm和3.3 mm。

圖11 第1組平板斷裂示意圖Fig.11 Schematic diagram of plate fracture of Group 1

當有機玻璃平板下方介質為水時，平板斷裂情況如圖12所示。5.0 mm有機玻璃平板斷裂后，射流侵徹深度、層裂及沖擊斷裂厚度分別為3.0、2.0 mm；10.0 mm有機玻璃平板斷裂后，射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度為4.6、2.6 mm和2.8 mm；15.0 mm有機玻璃平板斷裂后，射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為6.7、5.3 mm和3.0 mm。

圖12 第2組平板斷裂示意圖Fig.12 Schematic diagram of plate fracture of Group 2

當有機玻璃平板下方介質為橡膠板時，平板斷裂情況如圖13所示。5.0 mm有機玻璃平板斷裂后射流侵徹深度、層裂及沖擊斷裂厚度分別為3.0、2.0 mm；10.0 mm有機玻璃平板斷裂后，射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為4.2、3.8 mm和2.0 mm；15.0 mm有機玻璃平板斷裂后，射流侵徹深度、層裂厚度和沖擊斷裂厚度分別為5.2、5.8 mm和4.0 mm。

圖13 第3組平板斷裂示意圖Fig.13 Schematic diagram of plate fracture of Group 3

從仿真結果來看，有機玻璃平板下方介質為空氣時，層裂對平板斷裂的作用最大；改變平板下方介質為水和橡膠板時，層裂效果明顯減弱，平板斷裂更依賴于射流侵徹，從斷裂示意圖也可以看出獲得的斷裂切口是比較整齊的。

表2 給出了試驗與仿真結果的對比情況。

從表2中看出，數值仿真結果與試驗數據吻合較好。在多因素(如人工操作、環境等)影響情況下，微小誤差是不可避免的。綜合考慮可以確定，通過仿真數值模擬來對試驗進行預測是可行的。

表2 試驗與仿真結果對比Tab.2 Comparison of test and simulation results mm

這使得試驗所得到的規律更具有說服力。在之后的研究中，也可以先進行數值仿真計算得到一個預測性結果，然后再進行試驗，可以大大減少試驗的工作量，從而為工程實際提供便利。

3 結論

基于爆炸切割脆性平板技術，在爆炸切割有機玻璃平板試驗與仿真中，研究了有機玻璃平板下方介質對爆炸切割的影響。首先進行了試驗研究，然后通過仿真進行數值模擬，得到了與試驗相吻合的結果。結果表明，有機玻璃平板下方介質會對脆性平板斷裂時射流侵徹、層裂及沖擊斷裂效果有很大的影響。下方介質為空氣時，層裂效果是最明顯的；當在有機玻璃平板下方粘一層橡膠板時，會減小層裂效果；下方介質為水時，射流侵徹效果是最明顯的。相比于下方介質為空氣，在下方介質為水或者橡膠板時得到的平板斷裂切口更為整齊，在實際工程中應對此進行合理運用。