磁性爆破切割裝置研究

趙 波，詹發(fā)民，王 濤

(海軍潛艇學(xué)院防險(xiǎn)救生系，山東 青島 266420)

特種作戰(zhàn)行動中如對港內(nèi)艦船、對近岸輸油管道、對灘頭鋼架障礙物等鐵質(zhì)金屬目標(biāo)的爆破，都需要使用爆破器材對破壞目標(biāo)進(jìn)行固定爆破［1］。目前，常規(guī)的爆破裝藥對于大型艦船的爆破，存在裝藥量大、破壞效果差、針對性不強(qiáng)、固定困難等缺點(diǎn)。因此，為了滿足未來戰(zhàn)爭的需要，研制和開發(fā)新型爆破器材，對于提高特種部隊(duì)爆破作戰(zhàn)行動能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

基于此，擬研制一種磁性爆破切割裝置，采用環(huán)形線性聚能裝藥，用于對艦船水下殼體大尺寸孔洞切割。

1 磁性吸附體設(shè)計(jì)原理

磁性吸附體是利用永磁體產(chǎn)生的強(qiáng)大磁能，與鐵質(zhì)金屬間形成閉合的磁場，從而產(chǎn)生吸附力，達(dá)到裝藥與目標(biāo)固定的目的。傳統(tǒng)的磁性吸附裝置，如國產(chǎn)某型破障器，其吸引力達(dá)到500 N，但對吸附有海洋生物的鋼軌，磁鐵面就難以直接吸附，需要松緊帶、尼龍搭扣的輔助才能將爆破器材固定在鋼軌上。針對傳統(tǒng)裝置在一定間隙情況下磁力不足，攜行使用不便等問題，對裝置磁路進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1.1 磁路類型

選用永磁體做為磁源，與電磁體相比永磁體吸附力的維持不需要外加能量，也不會因控制部件發(fā)生故障而脫離壁面，穩(wěn)定性更高。磁路設(shè)計(jì)采用可調(diào)式磁路類型，如圖1所示，該裝置由永磁體、軛鐵、磁路旋轉(zhuǎn)開關(guān)組成。釹鐵硼材料具有較大磁能積(BH)max、磁感矯頑力Hc與較高的剩磁Br，能夠在一定的空間內(nèi)(工作間隙)提供足夠強(qiáng)的磁場，所以選擇釹鐵硼N35作為永磁體材料，同時(shí)選擇低碳鋼作為軛鐵材料，銅作為隔磁材料［2］。使用時(shí)通過旋轉(zhuǎn)磁路開關(guān)，即改變磁力線的通路，使氣隙磁路內(nèi)的磁場發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)對金屬目標(biāo)的固定與解脫。

圖1 可調(diào)式磁路類型

1.2 吸附力計(jì)算公式

吸附力就是指磁路的磁場力，磁性固定裝置吸附力應(yīng)滿足在具有一定間隙的情況下，提供的磁力F大于裝藥重量G。根據(jù)磁路設(shè)計(jì)和計(jì)算實(shí)際，把求解磁場力大小的公式簡化表示為［3］

式(1)中:B為磁場與導(dǎo)磁材料作用面處的磁感應(yīng)強(qiáng)度;u0為真空絕對磁導(dǎo)率;S為磁場與導(dǎo)磁材料作用面的面積。

式(2)中L、W、H分別為磁體長、寬和厚度，磁體NdFeB Br=1.25T。

已知磁體尺寸長、寬和厚度可利用式(2)導(dǎo)出磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場導(dǎo)磁材料作用面的面積S，u0真空絕對磁導(dǎo)率已知，則根據(jù)式(1)可求得磁體磁場力大小。

2 有限元建模

聚能切割器在水中爆炸切割與空氣中爆炸切割相比要困難得多，因?yàn)樗拿芏?、傳熱速度和粘度等參?shù)比空氣大得多，以致于射流在水中高速運(yùn)動時(shí)，摩擦阻力增大，能量分散，使射流頭部運(yùn)動降低，導(dǎo)致聚能切割器水中爆炸切割鋼板的深度很淺或幾乎不能切割鋼板［4］。為此聚能切割器設(shè)計(jì)采用內(nèi)置炸高。

2.1 物理模型

采用AIVSYS/LS-DYNA軟件對環(huán)形切割器及其侵徹過程進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，由于模型是軸對稱的，為簡化計(jì)算采用1/4模型，如圖2所示，模型由炸藥、藥型罩、水、空氣和鋼板5部分組成。

其中，炸藥、藥型罩、空氣、水均采用歐拉網(wǎng)格劃分，單元使用多物質(zhì)ALE算法，靶板采用拉格朗日網(wǎng)格劃分歐拉網(wǎng)格與拉格朗日網(wǎng)格之間采用流固藕合算法［5］。

2.2 模型尺寸

考慮到聚能切割器的參數(shù)選擇，模型各參數(shù)如下:內(nèi)炸高為:2.8 cm，裝藥高度為7.3 cm，裝藥寬度為5.6 cm。藥型罩形狀采用圓錐型，錐角為 98°，罩口為 5.28 cm，厚度為2 mm，靶板為45#鋼。

2.3 本構(gòu)方程與材料參數(shù)

1)炸藥選用B炸藥，密度1.724 g/cm3，爆速8080 m/s，裝藥量2 kg。炸藥爆轟產(chǎn)物的狀態(tài)方程采用JWL方程，其公式如下:

2)水的密度取1.025 g/cm3。水受沖擊壓縮時(shí)，采用GRUNEISEN狀態(tài)方程:

水膨脹過程的狀態(tài)方程為

3)藥型罩材料為紫銅，密度8.96 g/cm3，剪切模量47.7 GPa，泊松比0.34;靶板采用造船裝甲鋼，密度7.83 g/cm3，楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.28。

藥型罩和靶板均采用Johnson-Cook本構(gòu)方程模擬

2.4 仿真結(jié)果分析

模型采用1/4模型，起爆方式為單點(diǎn)起爆，數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖3所示。T=15.969 μs時(shí)，射流首先在起爆點(diǎn)形成。T=31.996 μs時(shí)，起爆點(diǎn)射流開始侵徹靶板，以起爆點(diǎn)為中心裝藥射流依次形成。T=36.995-80 μs時(shí)，射流完成靶板侵徹過程。從射流形成的過程可以看出，采用單點(diǎn)起爆方式射流形成存在一定的時(shí)間梯度，對于射流形態(tài)有較大的影響。

圖3 射流侵徹靶板過程

如圖4所示，從靶板的切割效果看，由于環(huán)形聚能裝置設(shè)計(jì)采用內(nèi)置炸高，所以水對射流的影響可以忽略，能完全切斷2 cm厚45#鋼，切割效果良好。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果是否準(zhǔn)確，依據(jù)數(shù)值計(jì)算模型設(shè)計(jì)了環(huán)型切割器。環(huán)型切割裝置內(nèi)徑47 cm，外徑54 cm，裝藥寬度為5.6 cm，裝藥高度7.3 cm，采用內(nèi)置炸高，裝藥殼體與炸高防水板均采用2 mm厚鋼板，藥型罩采用紫銅，厚2 mm，炸藥采用B炸藥，采用擴(kuò)爆藥柱與7號電雷管單點(diǎn)起爆。靶板采用80 cm×80 cm×2 cm的45#鋼，如圖5所示。

圖4 環(huán)型裝置切割靶板效果圖

圖5 環(huán)型切割裝器水中實(shí)驗(yàn)

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)場地選擇在某靶場的水池中進(jìn)行，將裝藥和靶板固定置于水池中，加入一定深度的水，用電起爆法起爆傳爆藥柱與主裝藥。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

裝藥起爆后，靶板被完全切斷，形成一個(gè)較為規(guī)則的圓板，如圖5所示。由此可見，環(huán)形切割器內(nèi)置炸高設(shè)計(jì)合理，能夠避免水對射流造成的影響，從而保證切割效果。試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致，這說明有限元模型建立合理，參數(shù)選取合適，數(shù)值模擬結(jié)果具有較大的可信度。

4 結(jié)論

磁吸附裝置使用釹鐵硼N35作為磁源，根據(jù)水下一定氣隙條件下爆破切割器艦船殼體固定的要求，設(shè)計(jì)了磁體磁路的類型，根據(jù)對磁場力計(jì)算研究，得出了滿足磁力F大于裝藥重量G要求的吸附力計(jì)算公式。使用本文通過建立環(huán)型切割裝置水中接觸爆炸鋼質(zhì)靶板的力學(xué)物理模型，并利用大型有限元軟件LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到了環(huán)型切割裝置對靶板的毀傷效果，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了環(huán)形聚能裝藥設(shè)計(jì)的合理性。經(jīng)過研究表明:該磁性環(huán)型切割裝置能夠用于艦船水下壁面固定切割，下一步可基于該模型對裝藥結(jié)構(gòu)展開優(yōu)化設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提升裝藥的爆破效果。

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