線性聚能裝藥侵徹深度的影響因素

陳 寧，段衛(wèi)東，陳 沛，余福進(jìn)，徐華建

(1.北方爆破科技有限公司，北京 100089；2.武漢科技大學(xué)理學(xué)院，武漢 430065；3.湖北省智能爆破工程技術(shù)研究中心，武漢 430065；4.中鐵四院集團(tuán)工程建設(shè)有限責(zé)任公司，武漢 430063；5.武漢爆破有限公司，武漢 430023)

聚能侵徹技術(shù)始于19世紀(jì)，后在二戰(zhàn)中得到深入研究和廣泛應(yīng)用，主要用于摧毀坦克、裝甲車等裝甲目標(biāo)和防御工事，隨著破甲彈在戰(zhàn)爭中的投入使用，一定程度上撼動了坦克在陸戰(zhàn)中的統(tǒng)治地位，并促進(jìn)了坦克裝甲的研發(fā)。隨著聚能裝藥技術(shù)在精細(xì)化和智能化方面的長足發(fā)展，該技術(shù)廣泛用于石油、鋼鐵工業(yè)、船體打撈、建筑拆除，地質(zhì)勘探及礦業(yè)開采等非軍事用途。隨著社會的發(fā)展和技術(shù)上的日益成熟，強(qiáng)度更高、抗震性能更好、更加綠色環(huán)保的鋼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑體系中得到廣泛應(yīng)用。在現(xiàn)代建筑的拆除工藝中，大型高層鋼筋混凝土建筑主要采用爆破拆除，可以推斷對于大型高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的拆除工作將主要采用以聚能裝藥為原理的爆炸切割技術(shù)，所以對聚能侵徹技術(shù)的深入研究將具有十分廣闊的應(yīng)用前景[1-6]。筆者對膨化硝銨炸藥為主裝藥，在不同工藝參數(shù)下聚能射流的成型以及侵徹，采用數(shù)值模擬和切割實(shí)驗(yàn)分別研究線型聚能裝藥射流侵徹鋼靶板的特點(diǎn)和規(guī)律，從而得出最優(yōu)工藝參數(shù)，并為民用膨化硝銨炸藥在實(shí)際爆炸切割工程中的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及裝置

實(shí)驗(yàn)材料主要有膨化硝銨炸藥、紫銅、Q235鋼靶板、防護(hù)鋼板，選用彎折的紫銅薄板作為線性聚能裝置的藥型罩材料，金屬板材料尺寸參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)采用膨化硝銨炸藥作為主裝藥，主要是因?yàn)榕蚧蹁@作為民用炸藥，價格便宜，使用廣泛、方便。實(shí)驗(yàn)所用膨化硝銨炸藥猛度大于等于12.0 mm，爆速約為3 700 m/s，密度為1.1 g/cm3。

表1 金屬板材料尺寸

為將膨化硝銨炸藥裝填在紫銅藥型罩之上，同時滿足不同錐角、不同炸高的實(shí)驗(yàn)工況，采用杉木板制成聚能切割裝藥盒(見圖1)。

1.2 鋼靶板切割實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

依據(jù)Gurney速度公式[7]及定常理想不可壓縮流體力學(xué)理論[8]推算出最佳錐角應(yīng)在60°～90°之間，為避免偶然因素確定實(shí)驗(yàn)錐角的選取范圍為60°～110°[9]。

依據(jù)控制變量法將實(shí)驗(yàn)分為3大組，分別以藥型罩錐角(工況1#～4#)、炸高(工況5#～9#)、藥型罩厚度(工況1#～4#、5#～9#和10#～15#藥型罩厚度分別為0.8、1.0、1.2 mm)為單一變量，探究單一工藝參數(shù)變量對聚能裝藥侵徹鋼靶板深度(P)的影響，實(shí)驗(yàn)共計(jì)進(jìn)行15組，其中10#～15#工況亦作為之前實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充對照組。實(shí)驗(yàn)裝置按照前文所述方法提前預(yù)制，藥型罩材料均為紫銅，錐頂?shù)秸ㄋ庬斆娴木嚯x均為30 mm，具體的實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在5#工況條件下，即當(dāng)藥型罩錐角為80°、藥型罩厚度為1 mm、炸高為50 mm時，實(shí)驗(yàn)所形成的聚能射流較為集中，無明顯噴濺，且能將25 mm厚的鋼靶板完全切割，實(shí)驗(yàn)達(dá)到較好的侵徹深度。實(shí)際切割效果如圖2所示。

圖2 5#工況侵徹結(jié)果Fig.2 Penetration results under No.5 working condition

根據(jù)表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，聚能射流侵徹深度隨藥型罩錐角變化關(guān)系(工況1#～4#、10#～15#)如圖3所示，侵徹深度P隨炸高F的變化關(guān)系(工況5#～9#)如圖4所示。

圖3 侵徹深度隨錐角的變化Fig.3 Change of penetration depth with cone angle

圖4 侵徹深度隨炸高的變化Fig.4 Change of penetration depth with explosion height

由圖3可知，當(dāng)炸高相同時，聚能射流侵徹鋼靶板深度隨藥型罩錐角和厚度的變化具有明顯不同。隨著錐角的增大，0.8 mm厚藥型罩產(chǎn)生的射流刀對鋼靶板的侵徹深度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在錐角為80°時達(dá)到最大侵徹深度23.4 mm，且相同錐角條件下均大于1.2 mm厚藥型罩工況的侵徹深度。1.2 mm厚藥型罩產(chǎn)生的射流刀對鋼靶板的侵徹深度隨錐角的變化趨勢與0.8 mm厚藥型罩工況整體相同，呈現(xiàn)先增大后急劇減小的趨勢，在錐角為80°時達(dá)到最大侵徹深度21.8 mm，且大錐角藥型罩實(shí)驗(yàn)效果較差。2種藥型罩厚度工況均在80°錐角達(dá)到侵徹深度峰值，當(dāng)錐角小于80°時侵徹深度隨錐角的增加其變化趨勢較為平緩，當(dāng)錐角大于80°時侵徹深度隨錐角的增加其減少趨勢不斷加劇，受實(shí)驗(yàn)參數(shù)限制，判斷藥型罩最佳錐角在70°～80°。藥型罩最佳錐角與藥型罩材料及主裝炸藥種類有關(guān)，對于高能炸藥來說應(yīng)選取較小的藥型罩錐角[10]，所用膨化硝銨為低爆速、低爆壓民用炸藥，應(yīng)選取較大錐角，推測其最佳錐角應(yīng)為80°。

從圖4中可以看出，以膨化硝銨為主裝藥的聚能射流侵徹深度隨炸高的增加近乎成線性降低，說明侵徹深度對炸高的變化較為敏感。當(dāng)炸高為50 mm時，聚能射流達(dá)到最大侵徹深度為25 mm并將鋼靶板貫穿，實(shí)測該工況藥型罩開口寬度為52.5 mm，炸高為藥型罩開口寬度的0.95倍。由于實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置不全(鋼靶板厚度均為25 mm，最低炸高為50 mm)，導(dǎo)致侵徹深度隨炸高的變化曲線沒有出現(xiàn)峰值，所以無法確定其最佳炸高。判定實(shí)驗(yàn)最佳炸高小于等于50 mm，最佳炸高應(yīng)為紫銅藥型罩開口寬度0.5～1倍，這與經(jīng)驗(yàn)公式中2～3倍不相符[11]，需結(jié)合數(shù)值模擬相互印證得出最佳炸高。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立及網(wǎng)格劃分

在聚能射流侵徹鋼靶板的數(shù)值仿真中，材料模型會產(chǎn)生大的變形運(yùn)動，采用ALE流固耦合算法可有效解決單元嚴(yán)重畸變引起的數(shù)值計(jì)算困難[12]。所以聚能射流成型過程所涉及的材料(炸藥、空氣以及紫銅藥型罩)采用ALE網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，鋼靶板采用Lagrange網(wǎng)格，在對稱面施加對稱約束，并在建模過程中設(shè)置非反射邊界條件，為同實(shí)驗(yàn)條件保持一致在鋼靶板底面施加y方向豎直約束。利用LS-DYNA軟件，為使數(shù)值模擬結(jié)果精確可靠并具有參考意義，同時減小整個數(shù)值仿真過程的計(jì)算量，采取與實(shí)驗(yàn)完全相同的材料和尺寸，建立三維二分之一模型，單位制為cm-g-us，數(shù)值計(jì)算模型共生成節(jié)點(diǎn)1 170 904個，生成單元1 120 800個。數(shù)值計(jì)算模型如圖5所示。空氣、炸藥、紫銅藥型罩及鋼靶板的材料模型和材料參數(shù)如表3～表6所示。

圖5 有限元計(jì)算模型Fig.5 Finite element calculation model

表3 數(shù)值模擬的材料模型及狀態(tài)方程

表4 膨化硝銨炸藥參數(shù)

表5 紫銅材料參數(shù)

表6 鋼靶板材料參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

在5#工況條件下的聚能切割實(shí)驗(yàn)中，紫銅金屬射流將25 mm厚的Q235鋼靶板完全切割，在相同工況下的數(shù)值模擬中，金屬射流刀頭部速度最大值為2 093 m/s，對鋼靶板的最大侵徹深度為23.7 mm，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)接近。金屬射流在54 us時刻侵徹鋼靶板，整個侵徹過程用時48 us，侵徹鋼板的有效應(yīng)力云圖及侵徹過程如圖6所示。數(shù)值模擬效果與理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，說明使用ALE流固耦合算法計(jì)算聚能射流侵徹鋼靶板效果較好。

圖6 聚能射流侵徹靶板過程的有效應(yīng)力云圖Fig.6 Effective stress nephogram of jet penetrating target

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在低炸高時聚能射流表現(xiàn)出較好的侵徹能力。采用控制變量法進(jìn)行數(shù)值模擬工作，以藥型罩錐角為單一變量(分別為60°、80°、90°、100°)，其余工藝參數(shù)保持一致，炸高為25 mm，裝藥高度為30 mm，藥型罩母線長為40 mm，研究金屬射流頭部速度及侵徹深度隨藥型罩錐角的變化關(guān)系。數(shù)值模擬結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 不同錐角下的射流頭部速度Fig.7 Velocity of jet head at different cone angles

圖8 不同錐角下的侵徹深度Fig.8 Penetration depth at different cone angles

分析圖7、圖8可知，隨藥型罩錐角的增大金屬射流刀頭部速度明顯降低，當(dāng)藥型罩錐角為60°時射流刀頭部速度最大為2 277 m/s，但此錐角下射流刀的侵徹深度卻最小僅為19.5 mm。通過有限元后處理軟件對不同錐角下聚能射流的成型及其侵徹過程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，雖然60°錐角下射流刀頭部速度較高，但與其他工況相比60°錐角下高速射流部分的質(zhì)量占比較小，無法對鋼靶板形成持續(xù)的侵徹能力。當(dāng)藥型罩錐角過大時，在爆轟壓力的作用下，藥型罩遠(yuǎn)端發(fā)生翻轉(zhuǎn)從而無法有效匯聚形成高速射流，其射流杵體質(zhì)量占比較小，從而減小了聚能射流對鋼靶板的侵徹深度。結(jié)合實(shí)驗(yàn)及上述分析可知，聚能射流對鋼靶板的侵徹深度不僅與射流刀速度有關(guān)，還與高速射流刀的質(zhì)量占比有關(guān)；以膨化硝銨炸藥為主裝藥的聚能切割裝置其藥型罩最佳錐角為80°。

為考察不同藥型罩的厚度對射流刀侵徹鋼靶板的性能影響，在藥型罩最佳錐角80°的情況下，采用厚度為0.8、1.0、1.2 mm的藥型罩，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。得出3種工況下的侵徹深度分別為23.6、24.5、19.6 mm，故在3種工況下藥型罩最佳厚度為1.0 mm。

為考察不同炸高對射流刀侵徹鋼靶板的性能影響，以表2中5#工況為基準(zhǔn)，采取不同炸高作為單一變量進(jìn)行數(shù)值模擬，得到侵徹深度隨炸高變化關(guān)系曲線(見圖9)。

圖9 侵徹深度隨炸高的變化Fig.9 Change of penetration depth with blast height

結(jié)合圖9可知，聚能裝藥侵徹深度隨炸高的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)炸高為40 mm時，聚能射流達(dá)到最大侵徹深度26.6 mm，大于實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果。此工況下的數(shù)值模擬中藥型罩開口寬度為51.4 mm，適宜炸高僅為藥型罩開口寬度的0.78倍，與文獻(xiàn)[11]中2～3倍的比例不相符。其主要原因是：聚能切割所選主裝藥為低爆速、低爆壓的民用膨化硝銨炸藥，相較于高能炸藥其對紫銅藥型罩的做功能力較弱，導(dǎo)致藥型罩遠(yuǎn)端無法有效匯聚形成高速射流，其高速射流金屬主要來自藥型罩錐頂部位且成型較早，故應(yīng)當(dāng)選取小炸高。

對不同工藝參數(shù)下聚能射流侵徹鋼靶板的全過程進(jìn)行數(shù)值模擬，能達(dá)到預(yù)期效果，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相近，說明將聚能射流的成型及其對鋼靶板的侵徹過程采用流固耦合(ALE)的方法進(jìn)行數(shù)值模擬是較為合適的。通過對不同工藝參數(shù)下的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，確定藥型罩錐角和炸高是影響金屬射流刀侵徹深度的重要參數(shù)。其中得出最佳參數(shù)，即當(dāng)藥型罩厚度為1.0 mm時，紫銅藥型罩最佳錐角為80°、最佳炸高為40 mm。

3 結(jié)論

1)采用與實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)相同的數(shù)值模擬結(jié)果，準(zhǔn)確地描述了聚能射流的成型及其對鋼靶板的侵徹全過程，數(shù)值模擬侵徹深度與實(shí)驗(yàn)接近，說明了所建立的三維數(shù)值模型的有效性及其所選算法的優(yōu)越性，可以為研究金屬高速變形等方面提供參考。

2)民用炸藥膨化硝銨可作為線性聚能切割的主裝藥。且膨化硝銨炸藥的爆速、爆壓低，適宜炸高僅為藥型罩開口寬度的0.78倍。聚能射流對鋼靶板的侵徹深度不僅與射流刀速度有關(guān)，還與其高速射流部分的質(zhì)量占比有關(guān)。

3)結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)侵徹深度隨各變量的變化趨勢明顯，對以膨化硝銨炸藥為主裝藥聚能切割裝置中，最佳工藝參數(shù)為：在裝藥高度為30 mm情況下，紫銅藥型罩厚度應(yīng)為1.0 mm，藥型罩錐角應(yīng)為80°，炸高應(yīng)為40 mm。