線型藥型罩材料及其結(jié)構(gòu)參數(shù)對成形性能影響的數(shù)值研究

顧文彬，李旭鋒,2，徐小壯，李裕春，武雙章 ，王 諍

（1.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京，210007；2.中國人民解放軍，73049部隊70分隊，江蘇 蘇州，215101）

線型聚能裝藥(LSC，線型切割器)已在軍事和民用工業(yè)領(lǐng)域得到大量應(yīng)用，其高效、快速、操作簡便、安全可靠等特點使其具有其它普通切割方法所不可比擬的優(yōu)越性[1-3]。針對不同的切割目標(biāo)，由于其動態(tài)力學(xué)特性的差異需要設(shè)計不同的切割器材，劉千壽、李裕春對線型聚能裝藥侵徹現(xiàn)象進行了相關(guān)研究和單指標(biāo)結(jié)果的討論[4-5]。由于射流侵徹目標(biāo)屬于高速侵徹，此時射流與靶板均被認(rèn)為是不可壓縮流體，根據(jù)流體力學(xué)理論，在射流、目標(biāo)一定的前提下，侵徹深度僅取決于射流長度（暫不考慮炸高因素），因此射流只要滿足的一定的長度、寬度及頭部速度條件，即可實現(xiàn)對預(yù)定目標(biāo)的切割毀傷。本文運用正交設(shè)計方法[6]和數(shù)值模擬技術(shù)，以厚度達(dá) 300mm 的鋼包鋼筋混凝土構(gòu)件為切割對象，針對超大厚度、不同材質(zhì)組合體的特殊切割要求，對影響線型聚能裝藥射流成形的4個主要因素進行分析優(yōu)化，為滿足一次性切透防護門的切割器設(shè)計提供優(yōu)化方案。

1 計算模型

切割器裝藥斷面結(jié)構(gòu)為楔形，如圖 1所示（1/2模型圖），主要由炸藥和藥型罩組成，暫不考慮外加裝藥殼體。影響線型聚能裝藥成形效果的主要因素有裝藥形狀與種類、藥型罩材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)等（包括罩頂楔形角j和罩壁厚d、藥頂高h(yuǎn)、藥層厚度t、裝藥口寬c）。

圖1 線型聚能裝藥斷面結(jié)構(gòu)與參數(shù)Fig.1 LSC section structure and parameter

2 正交優(yōu)化設(shè)計

現(xiàn)取罩頂楔形角j、罩壁厚d、裝藥頂高h(yuǎn)、藥層厚度t為正交優(yōu)化設(shè)計的4個因素，每個因素選取3個水平，見表1。

表1 線型聚能裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的因素水平表Tab.1 Optimum design of structural parameters of factor level table of LSC

進行聚能裝藥切割器射流成型的優(yōu)化設(shè)計時，以射流的斷裂時間tmax、斷裂前射流的最大長度Lmax、射流斷裂前的頭部最大速度vHmax、尾部最大速度vTmax作為切割器成型性能的考核指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上分析選擇出優(yōu)化方案，爾后再考慮炸高h(yuǎn)、外加殼體等因素對靶板進行侵徹過程的影響，并以最大侵徹深度P作為切割器最終的優(yōu)化指標(biāo)。

3 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

3.1 有限元模型及計算過程

參照相關(guān)資料，第 1輪優(yōu)化采用的裝藥口為c=100mm，藥型罩材料為密度較大、成形及侵徹性能較好的工業(yè)純鐵材料，裝藥選擇工藝性較好的常用 B炸藥（wRDX/wTNT= 60/40）。鑒于線型聚能裝藥是面對稱結(jié)構(gòu)，在其斷面上只需建立如圖2所示的1/2模型，為節(jié)省計算資源在其與斷面垂直的長度方向只建立 1層網(wǎng)格?？梢杂么朔椒ń⑷S模型，使用三維實體164單元，并且有效地減小模型的大小、節(jié)省計算時間。模型采用cm-g-μs單位制。

圖2 數(shù)值模擬計算模型及網(wǎng)格劃分Fig.2 Numerical calculation model and mesh generation

本文采用 ANSYS/LS-DYNA軟件進行數(shù)值計算研究。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，B炸藥的材料模型和狀態(tài)方程分別為MAT_HIGH_ EXPLOSIVE_BURN和EOS_JWL；藥型罩材料分別選取紫銅和工業(yè)純鐵，材料模型和狀態(tài)方程分別為 MAT_JOHNSON_COOK和 EOS_GRUNEISEN；空氣采用MAT_NULL模型，狀態(tài)方程為EOS_GRU NEISEN。炸藥、藥型罩和空氣3種材料采用EULER網(wǎng)格建模，單元使用多物質(zhì)ALE算法。裝藥起爆方式為線起爆，即模型中定義沿裝藥面法線方向均勻分布于裝藥頂部中心線上的6個起爆點。裝藥、藥型罩和空氣計算網(wǎng)格均為六面體實體 solid164單元；計算時間設(shè)置為130μs；首輪計算了54個模型。典型的射流成形過程如圖3所示。

圖3 不同時刻時的射流形態(tài)Fig.3 The jet form at different time

3.2 數(shù)值模擬計算結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

數(shù)值模擬計算結(jié)果及數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表2～4。對上述數(shù)據(jù)進行處理，可得到罩材分別為紫銅和工業(yè)純鐵時兩組不同的極差表。

由于極差大小反映了藥型罩某結(jié)構(gòu)參數(shù)（因素）對考核指標(biāo)的敏感程度，所以對于一定的考核指標(biāo)，某因素的極差越大，表明該因素對特定指標(biāo)的影響也就越大。從表3可知，當(dāng)罩材為紫銅時，各因素對射流斷裂時間影響的主次順序是d→j→h→t，交互作用影響小于獨立因素的影響；對射流長度影響的主次順序是d→h→d×h→j×d，獨立因素t、j小于某些交互作用因素的影響；對射流頭部速度影響的主次順序是d→j→h→t，交互作用因素的影響遠(yuǎn)小于獨立因素的影響；對射流尾部速度影響的主次順序是d→t→h→d×h。當(dāng)罩材為鐵時，由表4可知，各因素對射流斷裂時間影響的主次順序是d→h→j→d×h/j×t；對射流長度影響的主次順序是d→h→j→j×h；對射流頭部速度影響的主次順序是d→j→t→h；對尾部速度影響的主次順序是d→h→j→d×h/j×t。

表2 紫銅和純鐵罩切割器射流斷裂時模擬結(jié)果Tab.2 The simulation results of using copper and Fe as liner material

表3 罩材采用紫銅時不同優(yōu)化指標(biāo)模擬計算結(jié)果極差表Tab.3 The range of simulation result of using copper as liner material

表4 罩材采用鐵時不同優(yōu)化指標(biāo)模擬計算結(jié)果極差表Tab.4 The range of simulation result of using Fe as liner material

圖4～7為射流斷裂時間、射流長度、射流頭部和尾部速度與4個因素的關(guān)系。由圖4可見，針對紫銅罩射流斷裂時間指標(biāo)，4個因素的影響與各因素水平的增長相一致，即罩頂楔形角j為第3水平95°、罩壁厚d為第3水平3.0、藥頂高h(yuǎn)為第3水平50mm、藥層厚t為第3水平45mm時為最大，即針對射流斷裂時間的最佳組合條件為j3-d3-h3-t3；當(dāng)罩材為工業(yè)純鐵時，針對射流斷裂時間指標(biāo)的最佳組合結(jié)構(gòu)參數(shù)為j3-d3-h2-t2?？梢?，針對不同罩材料，獲得最長射流斷裂時間的切割器裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)組合形式不同，原因在于不同藥型罩的強度和延展性有較大區(qū)別。

由圖5可知，針對紫銅罩射流斷裂前長度指標(biāo)，罩頂楔形角j為第1水平85°、罩壁厚d為第3水平3.0、藥頂高h(yuǎn)為第3水平50mm、藥層厚t為第3水平45mm時最大，綜合4個因素的最好水平，最佳的條件為j1-d3-h3-t3；當(dāng)罩材為工業(yè)純鐵時，針對斷裂前射流長度的最佳條件為j1-d3-h3-t1。

圖4 射流斷裂時間與4因素關(guān)系趨勢圖Fig.4 Relation trend graph of jet breakup time and the 4 factors

圖5 射流斷前長度與4因素關(guān)系趨勢圖Fig.5 Relation trend graph of jet breaking length and the 4 factors

從圖6可看出，針對紫銅罩射流頭部速度指標(biāo)的最佳條件為j1-d1-h3-t3，針對工業(yè)純鐵罩射流頭部速度的最佳條件也是j1-d1-h3-t3。從圖7可看出，針對紫銅罩射流尾部速度指標(biāo)的 4因素最佳條件為j3-d1-h3-t3，當(dāng)罩材為工業(yè)純鐵時，針對射流尾部速度指標(biāo)的4因素最佳條件為j3-d1-h3-t3。

圖6 射流頭部速度與4因素關(guān)系趨勢圖Fig.6 Relation trend graph of velocity of jet head and the 4 factors

圖7 射流尾部速度與4因素關(guān)系趨勢圖Fig.7 Relation trend graph of velocity of jet tail and the 4 factors

本模型最主要的指標(biāo)是射流最大長度和頭部速度。根據(jù)以上分析，對于射流長度指標(biāo)，分別采用紫銅和工業(yè)純鐵罩時，綜合4個因素的最佳條件為j1-d3-h3-t3和j1-d3-h3-t1。在已有的27個模擬計算中沒有現(xiàn)成的方案與之對應(yīng)，只有9號方案的j1-d3-h3-t2與之相近。將條件組合j1-d3-h3-t3和j1-d3-h3-t1分別作為新的模擬計算方案，編為第28號和第29號，重新建模計算，得到的計算結(jié)果如表5所示。

表5 優(yōu)化后28和29號方案的4指標(biāo)結(jié)果Tab.5 4 index result of 28th and 29th project after optimization

對比表5和表2可以看出，對于紫銅罩，采用28號方案時射流長度和頭部速度均無明顯增加，采用29號方案時射流長度明顯增加，但頭部速度無增益甚至有所減少。對于工業(yè)純鐵罩，采用28號方案時射流長度和頭部速度均無明顯增加，采用29號方案時，射流長度有明顯增加，但同時頭部速度無明顯增加甚至還有所減少。綜上所述，若以射流長度為主，無論罩材選用紫銅或工業(yè)純鐵，均可采用 29號方案。如果兼顧兩種材料，可以采用的最佳條件組合為j1-d3-h3-t2，對應(yīng)的是9號計算方案；如果進一步考慮材料影響，則在罩材使用工業(yè)純鐵時，宜采用的最佳條件組合為j1-d3-h3-t1，對應(yīng)的是29號計算方案。對于射流頭部速度指標(biāo)，分別采用紫銅和工業(yè)純鐵罩時，綜合4個因素的最佳條件組合都為j1-d1-h3-t3，對應(yīng)的試驗為3號計算方案。

3.3 X光成型試驗

基于上述結(jié)論，當(dāng)罩材采用工業(yè)純鐵時最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為j1-d3-h3-t1，即罩頂楔形角、壁厚、藥頂高和藥層厚分別為85°、3mm、50和35mm。根據(jù)該組參數(shù)加工出的切割器及罩如圖8所示。

圖8 線型聚能裝藥切割器與藥型罩實物照Fig.8 Physical picture of LSC and liner

圖9 兩相互垂直位置得到的X光照片F(xiàn)ig. 9 Photos of X-ray from the two mutually vertical position

為考核該種結(jié)構(gòu)工業(yè)純鐵罩切割器的成型性能，用X光機做了一組試驗，圖9為從相互垂直的兩位置得到的X光照片。經(jīng)計算，在上述兩個位置所對應(yīng)的時刻（18.68μs，50.734μs），射流頭部的速度為3 360 m/s和3 420m/s，與數(shù)值模擬結(jié)果（3 256 m/s和3 283 m/s）吻合較好。

4 結(jié)論

通過正交優(yōu)化設(shè)計和數(shù)值模擬計算，對銅罩和工業(yè)純鐵罩切割器結(jié)構(gòu)參數(shù)計算進行了分析，得到：（1）對于不同考核指標(biāo)，裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)對優(yōu)化指標(biāo)影響敏感度的排序不同，但藥型罩壁厚參數(shù)d是對所有考核指標(biāo)影響最大的因素；（2）對于不同罩材料，針對相同考核指標(biāo)，4個因素對該指標(biāo)敏感度的主次順序也不相同，因此不同罩材料的線性切割器的結(jié)構(gòu)方案不具有幾何相似性；（3）采用紫銅罩和工業(yè)純鐵罩時，除了射流斷裂時間指標(biāo)，其它3個指標(biāo)隨4個因素的變化趨勢均一致；（4）對于射流頭部速度指標(biāo)，分別采用紫銅和工業(yè)純鐵罩時，綜合4個因素的結(jié)構(gòu)參數(shù)最佳條件都為j1-d1-h3-t3；對于射流長度指標(biāo)，兼顧兩種材料，可以采用的結(jié)構(gòu)參數(shù)最佳條件為j1-d3-h3-t2；如果進一步考慮材料影響，使用工業(yè)純鐵罩時結(jié)構(gòu)參數(shù)最佳條件為j1-d3-h3-t1。

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