帶殼切割索應(yīng)用研究

山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院　徐斌

帶殼切割索應(yīng)用研究

山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院徐斌

切割索廣泛應(yīng)用于鋼板等的快速切割任務(wù)中，分為有殼體、無(wú)殼體兩種。理論分析認(rèn)為帶殼體情況類(lèi)似于雙側(cè)平板裝藥，可減小稀疏波侵入，提高金屬板微元的運(yùn)動(dòng)速度。通過(guò)AUTODYN-2D計(jì)算機(jī)仿真方法對(duì)無(wú)殼體、有殼體切割索進(jìn)行了對(duì)比仿真，驗(yàn)證理論模型的正確性，對(duì)切割索的研制具有指導(dǎo)意義。

切割索；殼體；射流刀

引言

線(xiàn)型聚能切割器（LSC）可以應(yīng)用于各種鋼制結(jié)構(gòu)的快速破拆［1、2］，切割斷面整齊，具有效率高、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)勢(shì)。在應(yīng)用領(lǐng)域切割索一般分為有殼體和無(wú)殼體兩種（圖1），本文應(yīng)用數(shù)值仿真算法分析爆轟波陣面的傳播形式以及對(duì)藥型罩的作用方式，確定有殼體切割索結(jié)構(gòu)具備更好的射流形態(tài)和更好的侵徹能力。

圖1　無(wú)殼和有殼結(jié)構(gòu)切割索截面圖

1數(shù)學(xué)模型與仿真模型

1.1數(shù)學(xué)模型

在考慮單側(cè)平板裝藥的情況下，平板金屬初速度公式如（1）所示，與兩板對(duì)稱(chēng)情況下的金屬板初速度公式（2）比較［3］，后者具有更大的初速度。

1.2仿真模型

采用AUTODYN-2D作為建模軟件［4］，應(yīng)用Euler方法建立空氣裝藥和LSC模型，多次調(diào)整網(wǎng)格尺寸，以0.7比例縮減網(wǎng)格尺寸，直到網(wǎng)格尺寸變化對(duì)射流速度偏差低于10%為止，最后選定0.05mm尺寸網(wǎng)格?？諝獠捎肎runeisen狀態(tài)方程（3），裝藥采用JWL狀態(tài)方程（4），裝藥結(jié)構(gòu)采用Steinberg本構(gòu)方程（5）和Gruneisen狀態(tài)方程。仿真計(jì)算對(duì)空氣邊界設(shè)置所有物質(zhì)流出邊界flow-out，模擬無(wú)限空氣域，建立有限差分網(wǎng)格如圖2所示。

表1　裝藥C-J參數(shù)和JWL狀態(tài)方程參數(shù)

在Steinberg本構(gòu)方程中，剪切模量G隨著壓力增加而增加，隨溫度升高而降低，當(dāng)達(dá)到材料的融化溫度時(shí)，二值都為零，公式（5）為剪切模量G在融化前與內(nèi)能、壓力和比容之間的關(guān)系。

公式中G0、b、h、f為試驗(yàn)確定的材料常數(shù)，p為壓力，v為比容，ec為冷壓縮能，em為熔化能量，ei為比內(nèi)能，R為普適氣體常數(shù)，ρ為密度，A為摩爾質(zhì)量，Rρ/A=R1。

圖2為模型藥型罩部分計(jì)算網(wǎng)格。在藥結(jié)構(gòu)口徑處設(shè)置固定測(cè)速高斯點(diǎn)對(duì)射流各微元測(cè)速。

圖2　藥型罩網(wǎng)格及測(cè)速點(diǎn)設(shè)置

2仿真結(jié)果

無(wú)殼體時(shí)，爆轟產(chǎn)物擴(kuò)散速度快，稀疏波在C-J面?zhèn)确窖杆僮汾s，有效降低了爆轟能量。如圖3所示，左側(cè)為無(wú)殼體裝藥射流形成情況，右側(cè)為有殼體裝藥射流形成情況。應(yīng)力云圖表示壓力分布，射流為最終穩(wěn)定時(shí)的形態(tài)，可以觀(guān)察左側(cè)射流直徑較小，斷裂時(shí)間早，射流微元段數(shù)量比較多，右側(cè)有殼體裝藥結(jié)構(gòu)射流拉伸長(zhǎng)度稍短，射流體積較大，中間“翼”狀結(jié)構(gòu)基本消失，微元數(shù)量較少。

圖3兩種裝藥形成射流的壓力與形態(tài)

圖4為固定高斯測(cè)速點(diǎn)測(cè)量射流各個(gè)微元的速度變化情況。

圖4　兩種裝藥形成射流的速度

有殼體速度峰值比無(wú)殼體高出220 m/s?？芍趯?duì)破片飛散并不十分敏感的應(yīng)用條件下，切割索加殼可以有效改善射流速度和形態(tài)，提高射流切割能力。

3結(jié)論

通過(guò)理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明采用有殼體裝藥結(jié)構(gòu)比無(wú)殼體裝藥結(jié)構(gòu)形成射流速度更高，射流形態(tài)更好，最終能提高射流侵徹能力，為線(xiàn)型切割索切割各類(lèi)材質(zhì)板的設(shè)計(jì)制造及應(yīng)用提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支持。

［1］曾新吾，薛鴻陸.線(xiàn)型聚能裝藥的理論研究［J］.爆炸與沖擊，1988.Vol.8 NO.2.P97～106.

［2］崔軍.聚能射流對(duì)靶板侵徹的數(shù)值仿真［J］.兵工自動(dòng)化，2010.Vol.29 NO.1.P24～26.

［3］隋樹(shù)元，王樹(shù)山.終點(diǎn)效應(yīng)學(xué)［M］.國(guó)防工業(yè)出版社，2000. ISSN：7-118-02200-4.中圖分類(lèi)號(hào)：TJ012.4.