靶板硬度對線型聚能切割索侵徹效應(yīng)的影響

陳繼強，褚恩義，吳瑞德，尼志青

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靶板硬度對線型聚能切割索侵徹效應(yīng)的影響

陳繼強，褚恩義，吳瑞德，尼志青

（陜西應(yīng)用物理化研究所，陜西 西安，710061）

利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對V9、V7兩種線型聚能切割索切割45鋼靶板的過程進行數(shù)值模擬，并對模擬結(jié)果進行討論。在此基礎(chǔ)上，進行實際的線型聚能切割索切割靶板試驗。結(jié)果表明：數(shù)值模擬結(jié)果和切割試驗結(jié)果平均誤差為5.84%，有很好的一致性；靶板最大侵徹深度（）隨靶板材料硬度（H）的增加而減小，V9線型聚能切割索切割條件下的數(shù)學關(guān)系式為：=-0.004H+4.34，V7線型聚能切割索切割條件下的數(shù)學關(guān)系式為：=-0.003H+3.15。研究結(jié)果可以為工程技術(shù)人員選擇適當?shù)木€型聚能切割索提供參考。

線型聚能切割索；硬度；數(shù)值模擬；聚能射流；侵徹

線型聚能切割技術(shù)通過炸藥爆炸形成的壓力壓垮藥型罩形成高速的聚能射流，在很短的時間內(nèi)切割各種金屬、非金屬材料。該技術(shù)具有高速、高效、操作方便、安全可靠且不受環(huán)境限制等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在軍事、民用及航空航天領(lǐng)域[1]。

以前的研究主要關(guān)注線型聚能切割索本身參數(shù)對切割性能的影響，很少有人研究靶板的材料屬性與切割性能的關(guān)系。因此，本研究系統(tǒng)分析了靶板材料硬度對線型聚能切割索切割性能的影響，并針對不同硬度的靶板，進行了線型聚能切割索切割45鋼靶板的數(shù)值模擬研究與切割性能試驗研究。研究結(jié)果可以為工程技術(shù)人員選擇合適的線型聚能切割索提供參考。

1 研究對象的選擇

1.1 線型聚能切割索的選擇

線型聚能切割索由金屬外殼、藥型罩和炸藥組成，金屬外殼的橫截面根據(jù)聚能效應(yīng)設(shè)計，其形狀多為V形。線型聚能切割索的制造，需要經(jīng)過裝藥、拉拔、成型等工序，一般選用的藥型罩的材料與外殼的材料相同。

根據(jù)爆炸力學中的聚能效應(yīng)理論，制造聚能藥型罩應(yīng)選用密度高、塑性好的金屬材料，可以選用紫銅以及純鋁、銀、鉛銻合金等材料。純鋁制成的線型聚能切割索切割威力較小，不能在小藥量條件下切割分離鋁板；紫銅和白銀的密度高、強度較好，在大威力線型聚能切割索的制造中比較適用，但不容易制造小藥量且柔性較好的線型聚能切割索；鉛銻合金密度高、塑性好、加工工藝好、易于制造出藥型罩產(chǎn)生聚能效應(yīng)，同時在小藥量條件下形成的聚能射流效果好，而且試驗中無破片、飛片現(xiàn)象，爆炸切割時安全、可靠，且易于控制切割形狀。因此選定鉛銻合金作為線型聚能切割索的藥型罩和外殼材料。

裝藥是線型聚能切割索的能源，根據(jù)爆轟理論應(yīng)盡量選擇爆速高、密度大的炸藥。在充分考慮切割效果及生產(chǎn)安全性的基礎(chǔ)上，選用黑索今RDX炸藥作為線型聚能切割索裝藥。

V9、V7兩種常用線型聚能切割索藥型罩和外殼材料均為鉛銻合金，裝藥均為黑索今，其中V9線型聚能切割索的米藥量為29.6g/m，寬度為9mm，高度為6.6mm；V7線型聚能切割索的米藥量為11.6g/m，寬度為7mm，高度為5.3mm。本研究選用V9、V7兩種常用線型聚能切割索。

1.2 靶板材料的選擇

45鋼廣泛應(yīng)用于機械制造，這種鋼強度較高，塑性、韌性尚好，切削性良好，但是，其淬火性能并不好。常將45鋼熱處理，即淬火加回火，回火溫度不同硬度也不同。本研究選用45鋼靶板作為線型聚能切割索切割的對象。

2 數(shù)值模擬

2.1 算法和模型的建立

線型聚能切割索爆炸形成的聚能射流與靶板作用過程是一個高速碰撞過程，涉及到大變形和高應(yīng)變率下的材料響應(yīng)。聚能射流的形成、拉伸及射流對靶板的侵徹均會造成網(wǎng)格較大的畸變，而采用Euler網(wǎng)格建模和ALE算法既可克服單元嚴重畸變引起的數(shù)值計算困難，又能實現(xiàn)流固耦合的動態(tài)分析。因此，炸藥、藥型罩和空氣3種材料采用Euler網(wǎng)格建模并設(shè)置多物質(zhì)ALE算法，靶板采用Lagrange網(wǎng)格建模。建模過程中施加對稱約束和無反射邊界條件，各材料之間使用流固耦合算法，建模單位制采用cm-μs-g-K。

本文所建三維模型的特點：建立線型聚能切割索縱截面模型，在厚度方向上只建立一層網(wǎng)格，同時必須對這些母線與厚度方向平行的面上的節(jié)點進行約束。這樣數(shù)值模擬過程中既可使用三維單元的材料模型又能節(jié)省計算時間。由于線型聚能切割索是線性的并且結(jié)構(gòu)關(guān)于YOZ平面對稱，所以只建立二分之一模型，模型所用到的尺寸與試驗中線型聚能切割索的尺寸保持一致，采用六面體進行網(wǎng)格劃分。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，V9線型聚能切割索切割靶板模型炸高設(shè)置為3mm時，侵徹效果最好；V7線型聚能切割索切割靶板模型炸高設(shè)置為2mm時，侵徹效果最好。數(shù)值計算模型見圖1。

圖1 數(shù)值計算模型

2.2 材料模型及狀態(tài)方程參數(shù)

聚能射流對靶板切割過程具有高壓、高溫的特點，面臨大應(yīng)變率和短歷時等極端條件。對于高速、高壓、高應(yīng)變的結(jié)構(gòu)材料，特別涉及到炸藥的爆炸、燃燒等快速物理化學變化過程，必須使用材料模型和狀態(tài)方程來同時進行描述和研究，表1給出各個部分的材料模型和狀態(tài)方程。

表1 材料模型和狀態(tài)方程

Tab.1 Material model and equation of state

裝藥選用黑索今RDX，表2為RDX炸藥材料模型參數(shù)。

表2 RDX 材料模型參數(shù)

Tab.2 RDX material model parameters

炸藥爆炸過程中，其壓力與比容之間的關(guān)系通常被稱為狀態(tài)方程。目前爆轟過程應(yīng)用比較廣泛的狀態(tài)方程是JWL狀態(tài)方程，其具體表達形式為：

表3 RDX 狀態(tài)方程參數(shù)

藥型罩材料選用鉛銻合金，其本構(gòu)材料模型采用Steinberg模型[3]。彭建祥的研究表明，在沖擊壓力達到10～20GPa的情況下，采用Steinberg模型獲得的結(jié)果更為真實[4]。表4為鉛銻合金的Steinberg本構(gòu)方程參數(shù)[5]。藥型罩材料的狀態(tài)方程采用Gruneisen狀態(tài)方程。

表4 鉛銻合金材料模型參數(shù)

表5 鉛銻合金的狀態(tài)方程參數(shù)

Tab.5 Lead-bismuth alloy State equation parameters

空氣域使用LS-DYNA自帶的MAT_NULL 材料模型[6]。狀態(tài)方程用線性多項式EOS_LINEAR_POLY NOMIAL描述，其壓力的表達式如下所示：

式（2）中：為壓力；0、1、2、3、4、5、6為方程相關(guān)系數(shù)，0、1、2、3、6一般為0；4=5=-1，多方指數(shù)一般為1.4；、0為空氣的當前密度和初始密度；=/0-1，為與空氣多方指數(shù)有關(guān)的常數(shù)；為材料單位初始體積內(nèi)能。

靶板材料為45鋼，其材料模型采用Johnson-Cook本構(gòu)模型[7]。該模型特別適用于描述金屬材料在大應(yīng)變和大變形時的力學行為，在金屬爆炸成型、彈道侵徹等過程中被廣泛使用。45鋼Johnson- Cook材料模型參數(shù)解見表6[8]。45鋼Gruneisen狀態(tài)方程參數(shù)見表7[9]。

表6 45鋼材料模型參數(shù)

表7 45鋼狀態(tài)方程參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬得到了射流的形成過程以及射流對靶板的侵徹過程，獲得了射流對靶板侵徹深度數(shù)據(jù)。以線型聚能切割索裝藥端面中點為起爆點，起爆后在爆轟波和爆轟產(chǎn)物膨脹作用下壓縮藥型罩，形成金屬射流。圖2為射流的形成過程圖。

為了研究分析靶板材料硬度對聚能切割索切割鋼板的侵徹深度的影響，針對不同靶板材料硬度，對聚能射流侵徹鋼板進行數(shù)值模擬計算。圖4為V9線型聚能切割索切割硬度為HBW385的45鋼靶板數(shù)值模擬計算過程。

圖2 射流的形成過程

圖3 線型聚能切割索切割靶板過程

由圖3可知，當2.1μs時，射流基本形成，并開始對鋼板進行侵徹；6.6μs時，射流對鋼板的侵徹完成；切割深度隨時間的增加先快速增加，后緩慢增加，最終開坑，此時侵徹深度為2.90mm。

3 切割試驗

3.1 切割試驗方案

圖4為切割試驗裝置示意圖，實物見圖5。試驗中使用的鋼板尺寸為110mm × 50 mm ×20 mm，在線型聚能切割索的一端連接電雷管，采取端面起爆方式。

圖4 試驗裝置示意圖

圖5 試驗裝置實物圖

根據(jù)試驗設(shè)計方案選取V9和V7兩種線型聚能切割索。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，選用V9線型聚能切割索切割靶板試驗時，炸高為3mm侵徹效果最好；選用V7線型聚能切割索切割靶板試驗時，炸高為2mm侵徹效果最好。選取28種不同布氏硬度的45鋼靶板，將線型聚能切割索、炸高支墊塊固定在鋼板中心，并用膠帶固定。

3.2 試驗結(jié)果及分析

試驗主要研究靶板材料硬度對切割索切割鋼板性能的影響，試驗設(shè)計了28組工況，選取不同硬度的鋼板數(shù)進行切割試驗。線型聚能切割效果如圖6所示，由圖6可以看出，切縫平整，切縫周邊有下陷，鋼板無明顯彎曲。

圖6 切割效果圖

圖7 靶板硬度—最大侵徹深度線性擬合

3.3 數(shù)值模擬與試驗結(jié)果比對分析

V9線型聚能切割索的數(shù)值計算值與試驗值對比見表8，V7線型聚能切割索的數(shù)值計算值與試驗值對比見表9。

表8 V9線型聚能切割索計算值與試驗值對比

Tab.8 Comparison of numerical calculation values and test values of V9

表9 V7線型聚能切割索計算值與試驗值對比

Tab.9 Comparison of numerical calculation values and test values of V7

由表8~9可知，數(shù)值模擬與試驗的誤差在1.74%~8.27%范圍內(nèi)，平均誤差為5.84%，該誤差在可接受的范圍之內(nèi)，且模擬結(jié)果大于試驗結(jié)果。這可能是由于數(shù)值模擬是在理想的狀態(tài)下進行計算的，而在試驗過程中可能會受其它因素干擾，如線型聚能切割索裝藥密度不均勻，加工尺寸的誤差等。此外，網(wǎng)格劃分不恰當也將直接影響計算結(jié)果的精度。

通過上述數(shù)值模擬與試驗結(jié)果的對比分析，認為數(shù)值模擬結(jié)果可信，誤差在可接受的范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

本研究對線型聚能切割索切割靶板過程進行了數(shù)值模擬，可以大大節(jié)約其研制成本，縮短研制周期。同時可以對試驗結(jié)果進行較為準確的預(yù)測，從而指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計與試驗；根據(jù)所得數(shù)學關(guān)系式和所測靶板的硬度，可預(yù)估線型聚能切割索的侵徹靶板深度。研究結(jié)果可以為工程技術(shù)人員選擇合適的線型聚能切割索可靠切割靶板提供參考。

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The Influence of Target Hardness on Penetration Effect of Linear Shaped Charge Cutting Cable

CHEN Ji-qiang, CHU En-yi, WU Rui-de, NI Zhi-qing

(Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi'an, 710061)

The numerical simulation of cutting process for linear shaped charge cutting cable of type V9 and V7 on the 45 steel target is conducted, by ANSYS/LS- DYNA finite element software. Based on this, the cutting experiments of linear shaped charge cutting cable on the target were performed as well. The results indicate that the average difference between the data of the experiments and numerical simulation is 5.84%, which show a good consistency, the penetrating depthis reduced as hardness(H) of the target material increasing. For V9 linear shaped charge cutting cable, its mathematical relation is=-0.004H+4.34, and that of V7 linear shaped charge cutting cable is=-0.003H+3.15.The research results can provide reference for engineers to select the appropriate linear shaped charge cutting cable.

Linear shaped charge cutting cable；Hardness；Numerical simulation；Shaped charge jet；Penetration

1003-1480（2018）06-0009-05

TJ45+9

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.06.003

2018-10-25

陳繼強（1985 -），男，在讀碩士研究生，主要從事爆炸切割及切割索切割效應(yīng)研究。