異形炸藥部件的水射流安全分解技術(shù)

王金濤， 余文力， 王濤， 杭貴云， 沈慧銘， 張青， 張聰

(火箭軍工程大學 核工程學院, 陜西 西安 710025)

0 引言

隨著現(xiàn)代常規(guī)武器的不斷發(fā)展，為達到高效毀傷的目的，戰(zhàn)斗部裝藥逐漸呈現(xiàn)出豐富多樣的形式，裝藥量越來越大、炸藥件的形狀越來越復雜。這些裝藥設計在提高戰(zhàn)斗部毀傷效能的同時，也為裝藥的回收銷毀帶來了巨大困難。廢舊彈藥本身不僅是極度危險的爆炸物，而且是一種極大的污染源，如果處理不當，會造成嚴重的環(huán)境污染，甚至對人員生命安全造成巨大威脅。美國陸軍國防彈藥中心從1998年開始，逐步開展了對廢舊彈藥進行回收、再利用，并實現(xiàn)資源化技術(shù)研究[1]。國內(nèi)研究者也逐漸認識到對廢舊彈藥進行回收利用的必要性和緊迫性，提出要實現(xiàn)“彈藥非軍事化”，徹底廢除我國處理廢舊彈藥以燒、炸為主的基本銷毀方式，創(chuàng)立強調(diào)環(huán)保前提下的“變毀為生”新模式，為廢舊彈藥的回收再利用奠定了基本理論依據(jù)[2]。

目前，國內(nèi)已經(jīng)廣泛開展了廢舊彈藥回收利用技術(shù)的研究，例如，彈藥拆解技術(shù)、綠色銷毀技術(shù)、資源化再利用技術(shù)以及處置過程中的安全評估技術(shù)等[3-6]，主要涉及廢舊彈藥拆解和倒空技術(shù)，其中可用于裝藥倒空的技術(shù)手段有高壓水射流技術(shù)、高強度水力空化技術(shù)、高壓氨射流掏空技術(shù)、電磁加熱裝藥倒空技術(shù)等[7-12]。這些技術(shù)能夠?qū)ΤＲ?guī)彈藥進行安全有效的倒空，但處理后的炸藥材料已經(jīng)完全被粉碎或溶解，只能對其進行進一步化學處理，避免其污染環(huán)境。總體而言，目前對于廢舊彈藥進行處理的出發(fā)點仍以銷毀為主要目的，處理后的廢舊彈藥整體上失去了再利用價值，特別是對大質(zhì)量廢舊彈藥，部分彈藥仍具有再利用或者進行試驗研究的價值，但需要對其進行安全分解。

當前，和平時期彈藥庫中炸藥存量大，炸藥件在長期貯存過程中裝藥性能發(fā)生了較大變化，對炸藥性能參數(shù)的定量掌握是評估彈藥有效性和安全性的基礎。如果直接進行倒空銷毀，則炸藥性能參數(shù)將無從獲取。

炸藥作為易爆的高危材料，若采用刀具切割分解的常規(guī)方法，則由于機械摩擦容易升溫，無法確保作業(yè)過程的安全性。近年來，隨著水射流切割技術(shù)的不斷進步，該技術(shù)在炮彈銷毀方面也非常有效，尤其在銷毀彈藥方面更具優(yōu)勢[13-15]。水射流切割技術(shù)相對于其他切割技術(shù)更加安全、環(huán)保、可控，具有廣泛通用性。

常用水射流切割技術(shù)主要分為4類：純水射流、磨料射流、空化射流、脈沖射流。不同的水射流形式適用于不同材料類型。相對于純水射流，其他形式的射流特點主要為：

1)磨料射流，加入了多種添加劑和磨料形成的漿體射流為固體與液體兩相射流，沖擊力大，提高了射流的磨削能力和切割效率，適用于切割玻璃、陶瓷、混凝土等材料；

2)空化射流，在射流中通過一定方式產(chǎn)生空化氣泡，當射流沖擊被切割物體時，空泡破滅產(chǎn)生的微射流和沖擊波具有強大的作用力，以實現(xiàn)對高強度材料的切割，但切割質(zhì)量相對不好控制。

3)脈沖射流，類似子彈射出的間斷射流，是利用水力沖擊——水錘作用產(chǎn)生的巨大瞬態(tài)能量來達到切割或破碎材料等目的，主要用來進行材料的破碎工作。

前人對于水射流切割炸藥的研究由來已久，宋擁政等[16]、張國文等[17]、鐘樹良等[18]國內(nèi)研究人員探索了水射流切割炸藥的技術(shù)方案，證明水射流切割炸藥是可行的、安全的，但水射流對炸藥結(jié)構(gòu)破壞嚴重，炸藥部件在水射流作用下內(nèi)部形成大量損傷裂紋，幾何結(jié)構(gòu)被完全摧毀?？梢?，水射流作為炸藥切割工具是安全可行的[19]，能夠保證在切割過程中炸藥不被引爆，但對于炸藥部件的幾何結(jié)構(gòu)完整性卻難以得到維持，無法為后續(xù)針對炸藥材料開展再利用或試驗研究提供合格的樣品。

本文針對一種某型高能、大尺寸、異形裝藥，提出基于水射流技術(shù)的安全分解方案，解決了百千克級以上炸藥部件安全分解為千克級炸藥部件的技術(shù)難題，保證了分解過程中炸藥材料的無損性，獲得的炸藥材料能夠很好地用于爆轟性能、力學性能等參數(shù)的試驗測試，能夠為全面掌握炸藥裝藥的性能變化規(guī)律提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

1 安全分解方案總體設計

本文所提大型復雜裝藥的安全分解方案的設計方案如下：

1)獲取炸藥材料的力學性能參數(shù)，如抗壓強度等，分析炸藥材料在水射流沖擊作用下的損傷模式和機理，為控制水射流速度、防止炸藥材料過度受損提供數(shù)據(jù)依據(jù)；

2)建立水射流沖擊炸藥部件的有限元仿真模型，通過流體與固體耦合方法描述水射流沖擊作用和炸藥材料的損傷過程；

3)改變水射流的速度，分析炸藥材料受損程度的變化，不斷優(yōu)化水射流速度，最終獲得合適的水射流速度范圍；

4)針對炸藥部件的幾何結(jié)構(gòu)特征，設計合適的水射流切割工裝，對炸藥部件實施安全分解。

本文需要分解的炸藥裝藥形狀為空心圓柱形，其中內(nèi)徑500 mm，外徑650 mm，高度750 mm，總質(zhì)量約105 kg，如圖1所示。這種類型的炸藥部件質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)復雜，對切割技術(shù)提出了較高的要求。

圖1 裝藥部件形狀及尺寸Fig.1 Shape and size of explosive component

本文進行炸藥部件切割的要求：一是安全不爆，即保證炸藥在切割過程中不被引爆，因此水射流瞬時沖擊能量不宜過大；二是結(jié)構(gòu)無損，即切割后的炸藥塊保持結(jié)構(gòu)完整，不能被水射流粉碎為顆粒狀，以保證后續(xù)可以利用其他工具對其進行進一步分解加工，滿足炸藥性能測試試驗要求。

綜合以上兩點，必須審慎地選擇水射流的類型和射流速度，才能滿足炸藥分解過程的安全和分解后結(jié)構(gòu)的相對完整。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，只有純水射流適合于本文試驗的要求，其他3種水射流類型均存在瞬時能量過高的問題，在切割過程中容易引爆炸藥。

本文最終確定的切割試驗方案如圖2所示。圖2(a)中展示了炸藥部件的總體切割方式為水平層狀切割，即將炸藥部件切成薄片(厚度為3 cm左右)；圖2(b)中展示了每一層切割時的水射流運動路徑，切割時炸藥部件固定不動，水射流做圓周運動，水射流的出射方向始終正對炸藥件表面，運動360°即可完成一層切割。

圖2 水射流切割方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of water jet cutting scheme

2 水射流切割炸藥部件仿真計算

確定水射流類型為純水射流之后，對于水射流的速度也必須進行慎重地選擇，主要原因有兩點：一是保證水射流能量滿足切割要求；二是由于本文切割的炸藥件為大尺寸空心圓柱形，在進行切割時需保證對面的炸藥不被破壞，如圖2(b)所示。因此，對于水射流的速度需要進行優(yōu)化選擇，本文采取的方法是利用LS-DYNA軟件進行數(shù)值計算[20]，通過對不同水射流速度切割過程進行仿真計算，分析切割過程中炸藥部件的受力特點，篩選合適的速度范圍。

2.1 網(wǎng)格模型

由于炸藥部件為軸對稱體，可以簡化為二維模型進行分析。同時為更好地處理水射流作為高速流體的特點，采用流體與固體耦合的方法建立數(shù)值模型。此外，水射流與炸藥部件作用過程中，忽略光泳和熱泳產(chǎn)生的作用力，將水射流假設為定常流動。

炸藥件部分建立1∶1數(shù)值模型，選取圖2(a)中水射流沖擊位置作為仿真計算的初始工況，炸藥部件定義為拉格朗日網(wǎng)格，對水射流沖擊區(qū)域的網(wǎng)格采用兩級過渡加密設計，水射流沖擊區(qū)域的網(wǎng)格尺寸0.3 mm，如圖3所示。水射流與空氣場定義為歐拉網(wǎng)格，水射流寬度為1 mm，網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，幾何模型和網(wǎng)格劃分模型如圖4所示。

圖3 炸藥部件的網(wǎng)格圖Fig.3 Mesh model of explosive component

圖4 水射流與空氣場的網(wǎng)格圖Fig.4 Mesh models of water jet and air

圖5 水射流切割炸藥部件的數(shù)值仿真模型Fig.5 Numerical simulation model of water jet cutting explosive component

圖5所示為整體仿真模型。圖5中，炸藥部件模型與空氣場模型重疊，為流體與結(jié)構(gòu)耦合作用區(qū)域，炸藥部件定義為拉格朗日網(wǎng)格，描述炸藥部件的變形和失效破損等力學行為；空氣場和水射流定義為歐拉網(wǎng)格，描述二者的流動特性。流體與固體耦合作用由LS-DYNA軟件中的關鍵字*CONSTRAINED_ LAGRANGE_IN_SOLID定義。

2.2 材料模型和狀態(tài)方程

為準確描述炸藥部件在高速水射流作用下的力學行為、損傷情況及安全性，選擇包含有彈性、塑性及流體動力特性的材料模型，關鍵字為*MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO，該模型結(jié)合點火增長狀態(tài)方程，能夠很好地描述炸藥、推進劑等材料的力學行為和損傷判據(jù)，同時能夠模擬炸藥的沖擊起爆過程。在本文中利用該模型可以很好地對水射流沖擊炸藥部件的安全性進行描述，如果計算過程中炸藥被沖擊引爆，則表明水射流強度過大，不滿足設計要求。炸藥材料參數(shù)如表1所示，數(shù)值來源于試驗測量，部分參數(shù)見參考文獻[21]。在該模型中，材料的屈服應力σy用(1)式表示：

(1)

表1 炸藥材料的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of explosive

對于水射流，采用空材料模型(*MAT_NULL)結(jié)合格林奈森(*EOS_Gruneisen)狀態(tài)方程，以準確描述二者的流體特性，參數(shù)如表2所示?？諝獠捎每詹牧夏Ｐ?*MAT_NULL)結(jié)合線性多項式(*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL)狀態(tài)方程，材料參數(shù)如表3所示。

表2 水射流的材料參數(shù)Tab.2 Main parameters of water jet

表3 空氣的材料參數(shù)Tab.3 Main parameters of air

2.3 初始條件和邊界條件

對炸藥部件的圓環(huán)平面設為固定邊界，模擬實際試驗過程中對炸藥的固定位置；對空氣場的外表面設為無反射邊界，模擬無限空氣場。

為優(yōu)化水射流的速度值，分兩個步驟進行設置仿真模型中的水射流初始速度。第1步，初速度分別設為200 m/s、300 m/s、400 m/s、500 m/s；第2步，根據(jù)第1步計算結(jié)果，縮小初速度值的范圍和間距，繼續(xù)進行計算仿真。最終根據(jù)仿真結(jié)果，確定合適的水射流速度值。

2.4 炸藥部件損傷判據(jù)

為在材料模型中準確描述炸藥材料的損傷情況，根據(jù)炸藥材料的力學特性，采用抗壓強度作為其損傷判據(jù)。根據(jù)試驗測量，炸藥材料的抗壓強度為30 MPa，因此在仿真過程中設定損傷判據(jù)為30 MPa.

2.5 第1步速度優(yōu)化

圖6 不同水射流速度下炸藥部件的切割情況Fig.6 Cutting conditions of explosive component under different water jet velocities

圖6所示為水射流速度分別為200 m/s、300 m/s、400 m/s、500 m/s時炸藥部件的切割仿真結(jié)果。由圖6中可以看到：當水射流速度為200 m/s時，水射流無法完全穿透炸藥部件，不能完成切割任務；當水射流速度為300 m/s、400 m/s、500 m/s時，水射流均能完全穿透炸藥部件，完成切割任務；當水射流速度為400 m/s、500 m/s時，水射流對炸藥部件背面的損傷明顯加劇，造成顯著損傷。根據(jù)試驗設計要求，從結(jié)構(gòu)性和安全性角度出發(fā)，當水射流速度為400 m/s、500 m/s時，雖然沒有造成炸藥的沖擊起爆，但炸藥結(jié)構(gòu)損傷嚴重，此時水射流速度偏大。

通過對仿真結(jié)果進行分析，炸藥材料在遭受水射流沖擊時首先受到擠壓作用，由于水射流作用點高度集中，造成炸藥表面受沖擊處所受壓強急劇增大，此時在沖擊點附件形成較大的壓力梯度分布，使沖擊點處的炸藥材料迅速受損、結(jié)構(gòu)破壞，而沖擊點附近區(qū)域仍然保持完整。由于水射流沖擊的持續(xù)性，從沖擊點處向炸藥內(nèi)部形成連續(xù)的壓縮波以聲速開始向四周傳播，壓縮波初始強度較大，但在炸藥材料內(nèi)部呈球面?zhèn)鞑ィ鋸姸妊杆俳档?，不足以使材料受損。但當壓縮波傳播到炸藥另一面時，會發(fā)生自由面反射，形成稀疏波，對炸藥材料造成拉伸作用，將可能導致炸藥結(jié)構(gòu)受損。

圖7所示為炸藥部件內(nèi)部應力分布情況。由圖7可見：當水射流速度為400 m/s、500 m/s時，由于水射流沖擊形成的應力波在炸藥部件內(nèi)部傳播并在其背面發(fā)生反射，形成稀疏波，造成背面拉伸損傷，即層裂現(xiàn)象，形成大片炸藥材料剝落；當水射流速度為300 m/s時，由于應力波強度低，炸藥部件背面損傷程度明顯降低。因此，從控制炸藥部件損傷的角度出發(fā)，在保證可靠分解的同時，應盡量降低水射流速度。

圖7 不同水射流速度下炸藥部件的損傷情況Fig.7 Damage conditions of explosive component under different water jet velocities

綜合4種工況的仿真結(jié)果分析，可以得到以下3個結(jié)論：

1)為保證水射流能夠?qū)φㄋ幉考嵤┩暾懈?，水射流速度約為300 m/s；

2)為確保切割后炸藥部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無損，水射流速度應控制在400 m/s以下；

3)為保證炸藥部件在切割過程中的安全，水射流速度也應控制在400 m/s以下。

2.6 第2步速度優(yōu)化

圖8 不同水射流速度時炸藥部件的切割過程Fig.8 Cutting process of explosive component under different water jet velocities

為進一步細化研究水射流速度對炸藥切割過程的影響，為實際切割試驗提供更為詳細的指導，在水射流速度300 m/s的工況基礎上，繼續(xù)設置4種工況：320 m/s、310 m/s、290 m/s、280 m/s，通過仿真計算，深入分析水射流速度對切割過程的影響，優(yōu)化水射流的速度范圍。

圖8所示為4種工況下水射流對炸藥部件切割過程的仿真結(jié)果。由圖8可見：當水射流速度為280 m/s時，由于水射流沖擊力偏弱，難以有效貫穿整個炸藥部件，最終主要靠水流的積累形成的慣性完成切割，致使切割后段創(chuàng)面較大；當水射流速度為290 m/s時，整個切割過程流暢完整，炸藥部件的切割面平整；水射流到達炸藥部件背面時，速度降為50 m/s左右，不會對對面炸藥造成損傷；當水射流速度為310 m/s和320 m/s時，水射流在炸藥部件背面形成的切割創(chuàng)口較大，不利于炸藥部件的安全。

從圖8中應力云圖還可以看出：當水射流開始切割炸藥部件時，應力最大值集中在水射流與炸藥部件的作用區(qū)域，即應力損傷區(qū)域；隨著切割過程的推進，應力波在水射流前方的炸藥部件表面發(fā)生反射，反射形成的稀疏波在炸藥內(nèi)部形成拉伸應力，由于炸藥材料拉伸強度較弱，會形成拉伸損傷，即在水射流尚未達到的區(qū)域形成層裂或裂紋；當水射流速度為310 m/s和320 m/s時，應力波造成的結(jié)構(gòu)損傷較為明顯，不滿足炸藥部件切割過程中其余部分結(jié)構(gòu)無損的要求。

綜合4種工況的仿真結(jié)果可以看出，水射流的最佳速度應當在290～300 m/s之間。在此速度區(qū)間內(nèi)，既可以保證水射流具有足夠的沖擊強度，完成對炸藥部件的完整切割，同時又能夠保證炸藥部件的其余部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)無損和安全性。

3 炸藥部件切割試驗

3.1 切割裝置設計

根據(jù)仿真計算得到的水射流速度優(yōu)化結(jié)果，開展切割試驗。由于炸藥部件尺寸大、結(jié)構(gòu)復雜、危險性高，國內(nèi)尚無安全的專用切割裝置。為保證安全可靠地分解炸藥，同時能夠?qū)崿F(xiàn)遠程實時控制，需要專用的切割工裝才能完成切割試驗。在分析研究水射流分解工藝的基礎上，本文設計并制造了切割分解試驗裝置，分解裝置包括炸藥夾具和水射流切割試驗平臺，如圖9所示。圖9中，水射流切割試驗平臺包括支架、水射流旋轉(zhuǎn)運動裝置、遠程在線可視化控制系統(tǒng)。利用該平臺，在兵器051基地對炸藥進行了安全分解。

3.2 試驗參數(shù)控制

對于水射流速度的控制方式，采用調(diào)節(jié)水壓的方式。為獲取水壓和水射流速度之間的準確關系，對不同水壓下形成的水射流速度進行試驗測定，并獲取二者之間的定量變化關系；經(jīng)測試可知，在恒定水壓下，水射流速度波動在10 m/s以內(nèi)。

對于水射流噴嘴的運動控制，采用步進電機進行數(shù)字化精確控制，如圖9所示，圖9中的“水射流旋轉(zhuǎn)控制裝置”主體為步進電機，步進角為0.09°，精度5%(不累積)。在步進電機控制下，水射流噴嘴做圓周運動，并保持水射流出射速度方向始終垂直于炸藥表面。

圖9 水射流切割試驗示意圖Fig.9 Site layout of water jet cutting experiment

3.3 試驗結(jié)果分析

基于水射流速度的仿真優(yōu)化結(jié)果，在切割分解過程中，通過對水射流速度進行微調(diào)，最終確定水射流速度為293 m/s，水射流噴嘴圓周運動的角速度為0.02 rad/min，能夠保證水射流噴嘴旋轉(zhuǎn)一周完成一次切割任務。切割試驗與仿真計算過程一致，對炸藥成功進行切割，達到了試驗目標。

通過試驗實施過程觀測發(fā)現(xiàn)：當速度超過310 m/s時，水射流將正對的炸藥層切割完畢后水射流仍具有較大的動能，對另一側(cè)炸藥造成了一定程度的損傷，同時由于水射流噴嘴距離對面炸藥較遠，水射流發(fā)散，作用面變大，形成了較大的損傷面；當水射流速度低于280 m/s時，水射流切割能力受限，切割時間增大，在噴嘴0.02 rad/min轉(zhuǎn)速下，水射流未能完整切割炸藥部件，僅形成了一道溝槽。由此可見，本文中數(shù)值仿真的結(jié)論準確度較高，既對切割試驗提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，又驗證了數(shù)值模型的正確性。

試驗將炸藥件切成3 cm厚的薄片后，為進一步減小尺寸，利用水射流繼續(xù)將每個圓環(huán)薄片分解為兩個半圓環(huán)。圖10所示為切割后的炸藥圖片。從圖10中可以看到，炸藥的切割面平整光滑，切割后的炸藥塊結(jié)構(gòu)完好，通過進一步計算機斷層掃描試驗觀測，掃描圖像如圖11所示。由圖11可以清晰地看到，炸藥內(nèi)部無裂紋損傷，結(jié)構(gòu)保持完好?？梢姺纸夂笳ㄋ帀K滿足炸藥爆轟性能、力學性能試驗的基本要求，為進一步研究炸藥性能參數(shù)的老化規(guī)律奠定了良好的基礎。

圖10 切割后的炸藥Fig.10 Cut explosive

圖11 切割后炸藥薄片的CT掃描圖像Fig.11 CT scanning image of explosive flake after cutting

4 結(jié)論

根據(jù)大尺寸、大當量、異形炸藥部件的特點與切割分解要求，本文提出了基于水射流的炸藥部件安全分解技術(shù)設計方案。以厚度為75 mm空心圓柱型的百千克級軍用高能炸藥為例，根據(jù)提出的設計方案建立了數(shù)值仿真模型，通過計算分析獲取了最佳的水射流切割速度為293 m/s，并據(jù)此設計加工了切割裝置，成功開展了切割試驗。得到主要結(jié)論如下：

1)對于抗壓強度為30 MPa的炸藥材料，水射流對炸藥部件的切割過程是通過形成小范圍高強度壓縮損傷實現(xiàn)的，同時在內(nèi)部會形成壓縮波；壓縮波在自由面的反射會形成稀疏波，可能造成拉伸損傷。在不同情況下，需要根據(jù)炸藥部件的實際形狀分析壓縮波的傳播，控制并減弱其損傷程度。

2)水射流切割炸藥部件的數(shù)值仿真模型具有較高的可靠度，通過試驗驗證表明數(shù)值計算結(jié)果與試驗參數(shù)吻合良好；對于其他形狀的炸藥部件，可以采用相同的方法建立數(shù)值模型進行計算分析，針對性地優(yōu)化水射流速度參數(shù)。

3)水射流切割安全、環(huán)保，具有較強的推廣應用前景；針對當前急需的大當量炸藥部件的性能變化研究，可以根據(jù)本文提出的安全分解方案對炸藥進行結(jié)構(gòu)無損分解，獲取高質(zhì)量炸藥樣品，為進一步開展試驗，測試炸藥性能參數(shù)變化奠定基礎。