爆炸切割沖擊波防護仿真研究

鄭 英，鄒德波，趙 錚

(1.中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州 450015 2.南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，南京 210094)

1 引言

爆炸切割作為比較常用的切割手段，被廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天及工程領(lǐng)域，它是利用聚能裝藥爆炸時壓垮金屬藥型罩形成金屬射流對材料進行射流侵徹來實現(xiàn)切割。爆炸切割在作用的同時會產(chǎn)生強烈沖擊波，沖擊波的防護方面如果做得不得當，對結(jié)構(gòu)本身、相關(guān)人員以及想要達到的預(yù)期效果都會有很大的影響。

沖擊波的防護一直是爆炸領(lǐng)域的熱議話題。關(guān)于沖擊波傳遞過程中的衰減規(guī)律，在1955年Brode[1]便提出了關(guān)于高爆炸藥沖擊波超壓峰值的經(jīng)驗公式，1979年Henrych[2]對空氣中沖擊波的超壓峰值進行了推導(dǎo)，1987年Mills[3]使用數(shù)值模擬和相似理論結(jié)合的方式求得了TNT爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值經(jīng)驗公式。曹濤等[4]建立了特定當量的TNT自由場和近地爆炸模型，通過對比自由場沖擊波超壓經(jīng)驗公式，驗證數(shù)值模擬的準確性。王良全等[5]采用AUTODYN對靜爆、動爆過程進行了數(shù)值仿真，定量研究了不同裝藥運動速度下沖擊波演化云圖、沖擊波壓力峰值衰減曲面及沖擊波壓力峰值相對變化率曲面。

為了對沖擊波進行有效防護，文獻[6]通過試驗研究與數(shù)值仿真證實了某些爆炸墻構(gòu)造可以起到?jīng)_擊波的有效防護。何翔等[7]通過原型坑道內(nèi)爆炸試驗，研究了破片和空氣沖擊波的復(fù)合作用對防護門的宏觀破壞效應(yīng)。焦安龍等[8]對水下防護平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計及受到?jīng)_擊波作用時的穩(wěn)定性進行了理論計算與數(shù)值仿真研究。沖擊波在防護手段下傳播規(guī)律是提高防護效果的重要資料，范進等[9]利用有限元分析軟件ATUODYN，對接觸爆炸荷載作用下帶孔防護結(jié)構(gòu)內(nèi)沖擊波的傳播進行了數(shù)值模擬，得到了防護結(jié)構(gòu)內(nèi)部中心處爆炸沖擊波特征參數(shù)的預(yù)估公式。材料結(jié)構(gòu)本身的特性對沖擊波的防護效果也有很大的影響，張志理等[10]對爆炸載荷下波紋夾芯板的防護性能進行了研究，對波紋夾芯板進行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后波紋夾芯板的防護性能得到明顯提升。

本文將對爆炸切割情況下沖擊波防護進行有限元數(shù)值模擬分析。在無防護、不同厚度Q345鋼板、不同厚度的6061鋁合金板作為防護板3種情況下，對不同位置的沖擊波超壓進行監(jiān)測，觀察沖擊波傳遞規(guī)律，分析沖擊波防護材料及尺寸對沖擊波傳遞的影響，為軍事及工程方面沖擊波防護研究提供參考。

2 有限元模型及材料模型

2.1 有限元模型

采用以紫銅作為藥型罩，黑索金(RDX)裝藥的線型切割索進行爆炸切割。該切割索起爆后能夠形成明顯射流，具有很強的射流侵徹能力。圖1為該切割索截面示意圖。

圖1 切割索截面示意圖

整個模型由切割鋼板(Q345鋼)、防護板(Q345鋼與6061鋁合金)、炸藥、切割索以及空氣域構(gòu)成，如圖2所示。

切割鋼板總厚度20 mm，槽深15 mm，對槽內(nèi)剩下的5 mm板材進行爆炸切割；防護板厚度分別為5 mm、10 mm、15 mm。由于模型是線性對稱結(jié)構(gòu)，所以采用1/2模型建立，然后進行對稱操作，有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型示意圖

對模型進行網(wǎng)格劃分，整個模型為單層實體網(wǎng)格，切割鋼板與防護板采用Lagrange實體網(wǎng)格，切割索的炸藥部分、藥型罩部分與空氣域采用ALE實體網(wǎng)格。在切割鋼板兩端施加全約束，防止鋼板運動；在防護板與切割鋼板接觸面施加部分共節(jié)點處理，這樣既保證了防護平板不會隨著沖擊波作用運動，又可以觀察到防護平板在沖擊波作用下的變化情況。該仿真將進行無防護、5 mm防護平板、10 mm防護平板、15 mm防護平板的研究，對切割索、切割鋼板與防護板的網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分情況示意圖

2.2 材料模型

切割索內(nèi)炸藥采用LS-DYNA中的高能炸藥模型即008#材料模型(*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN)，該材料模型中燃燒分數(shù)??乘以高能炸藥的狀態(tài)方程，可控制化學(xué)能的釋放以模擬爆炸，如下式。

P=FPeos(V,E)

(1)

因此需要定義狀態(tài)方程，本文中采用JWL狀態(tài)方程來定義壓力，定義為：

(2)

式中：P為爆轟產(chǎn)物的壓力，V為爆轟產(chǎn)物的相對比容，E為單位體積炸藥的初始內(nèi)能，A、B、R1、R2、ω為狀態(tài)方程常數(shù)。表1給出了RDX炸藥的主要參數(shù)。

表1 RDX炸藥材料參數(shù)

紫銅藥型罩采用的是LS-DYNA中001#材料模型(*MAT_ELASTIC)，這是各向同性的線彈性材料。切割鋼板材料為Q345鋼板，防護板材料為Q345鋼與6061鋁合金，均采用LS-DYNA中的003#材料模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)，該模型適用于模擬各向同性和運動硬化塑性，并可以選擇包含速率效應(yīng)。它們的主要參數(shù)在表2中給出。

表2 其他材料參數(shù)

空氣域采用的是LS-DYNA中009#材料模型(*MAT_NULL)和*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程，該狀態(tài)的線性多項式方程內(nèi)部能量是線性的，壓力由下式給出。

P=C0+C1u+C2u2+C3u3+(C4+C5u+C6u2)E

(3)

其中C0～C6為多項式方程系數(shù)，C5=3.25，其余為0，空氣質(zhì)量密度1.29e-3g/cm3，單位體積初始內(nèi)能E=1.0 J。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 射流侵徹過程

切割索可以成功切割鋼板是工程需要，之后才可以去考慮沖擊波的防護問題。為了成功爆炸切割5 mm厚度的Q345鋼板，在多次仿真與試驗研究后決定采用截面為圖1、藥型罩材料為紫銅、RDX裝藥的切割索，并在2 mm炸高的情況下對Q345鋼板進行爆炸切割。紫銅藥型罩形成的射流具有更好的侵徹能力，2 mm炸高會使射流完全形成后再對靶板作用。射流侵徹過程如圖5所示，相應(yīng)時刻的鋼板斷裂情況示意圖如圖6。

圖5 射流侵徹過程示意圖

圖6 鋼板斷裂過程示意圖

通過圖5與圖6可以得知，在2 μs時刻切割索內(nèi)炸藥爆炸，爆轟波沿藥型罩傳播，藥型罩斷裂并被膨脹空氣擠壓形成金屬射流，強大的爆轟波對鋼板已有所作用；在4 μs時刻金屬射流到達鋼板，在鋼板上開了一處侵徹坑；在15 μs時刻金屬射流對鋼板持續(xù)侵徹，射流本身能量在逐漸消耗；在50 μs時刻鋼板已經(jīng)完全斷裂，此時射流沿斷口繼續(xù)運動，可見在這種工況下，是可以成功爆炸切割5 mm厚度的Q345鋼板的。

3.2 沖擊波傳遞過程

在無防護板情況下，沖擊波的傳遞不會受到阻礙。選取4個測點，為切割鋼板上方50 mm處、200 mm處、350 mm處及500 mm處，來觀察沖擊波傳遞過程及沖擊波超壓峰值大小。無防護時沖擊波超壓曲線如圖7所示，觀測到50 mm處沖擊波在52.2 μs時達到峰值12.19 MPa；200 mm處沖擊波在126.0 μs時達到峰值6.64 MPa；350 mm處沖擊波在211.7 μs時達到峰值5.03 MPa；500 mm處沖擊波在300.0 μs時達到峰值4.26 MPa。為了更清楚地對沖擊波傳遞情況進行了解，圖8為52.2 μs、126.0 μs、211.7 μs、300.0 μs時刻的沖擊波超壓云圖。

通過圖7與圖8可以得知在無防護的情況下，沖擊波超壓數(shù)值是很大的，這會對工程結(jié)構(gòu)本身以及試驗人員有很大的威脅。對沖擊波進行防護是十分有必要的。

圖7 無防護時沖擊波超壓曲線

圖8 無防護時沖擊波超壓云圖

在切割鋼板上施加沖擊波防護板，當防護板材質(zhì)為Q345鋼時，改變防護板厚度，得到在防護板厚度分別為5 mm、10 mm、15 mm時切割鋼板上方50 mm處、200 mm處、350 mm處及500 mm處的沖擊波情況，以此來觀察沖擊波傳遞過程及沖擊波超壓峰值大小，防護板材質(zhì)為Q345鋼的沖擊波曲線如圖9。

圖9 防護板材質(zhì)為Q345鋼的沖擊波曲線

在用厚度5 mm的Q345鋼板進行防護情況下，50 mm處沖擊波在27.0 μs時達到峰值2.73 MPa，200 mm處沖擊波在119.5 μs時達到峰值0.86 MPa，350 mm處沖擊波在213.7 μs時達到峰值0.57 MPa，500 mm處沖擊波在307.7 μs時達到峰值0.44 MPa；在用厚度10 mm的Q345鋼板進行防護情況下，50 mm處沖擊波在31.0 μs時達到峰值2.63 MPa，200 mm處沖擊波在119.7 μs時達到峰值0.77 MPa，350 mm處沖擊波在212.7 μs時達到峰值0.51 MPa，500 mm處沖擊波在306.7 μs時達到峰值0.40 MPa；在用厚度15 mm的Q345鋼板進行防護情況下，50 mm處沖擊波在30.5 μs時達到峰值2.61 MPa，200mm處沖擊波在120.7 μs時達到峰值0.76 MPa，350 mm處沖擊波在214.0 μs時達到峰值0.45 MPa，500 mm處沖擊波在310.0 μs時達到峰值0.33 MPa。

改變防護板材質(zhì)，當防護板材質(zhì)為6061鋁合金時，改變防護板厚度，得到在防護板厚度分別為5 mm、10 mm、15 mm時切割鋼板上方50 mm處、200 mm處、350 mm處及500 mm處的沖擊波情況，以此來觀察沖擊波傳遞過程及沖擊波超壓峰值大小，防護板材質(zhì)為6061鋁合金的沖擊波曲線如圖10。

圖10 防護板材質(zhì)為6061鋁合金的沖擊波曲線

在用厚度5 mm的6061鋁合金板進行防護情況下，50 mm處沖擊波在93.7 μs時達到峰值11.60 MPa，200 mm處沖擊波在160.2 μs時達到峰值5.14 MPa，350 mm處沖擊波在255.5 μs時達到峰值3.56 MPa，500 mm處沖擊波在399.2 μs時達到峰值3.27 MPa；在用厚度10 mm的6061鋁合金板進行防護情況下，50 mm處沖擊波在27.2 μs時達到峰值2.41 MPa，200 mm處沖擊波在122.0 μs時達到峰值0.58 MPa，350 mm處沖擊波在216.2 μs時達到峰值0.34 MPa，500 mm處沖擊波在311.5 μs時達到峰值0.24 MPa；在用厚度15 mm的6061鋁合金板進行防護情況下，50 mm處沖擊波在27.2 μs時達到峰值2.14 MPa，200 mm處沖擊波在120.7 μs時達到峰值0.44 MPa，350 mm處沖擊波在216.2 μs時達到峰值0.30 MPa，500 mm處沖擊波在311.0 μs時達到峰值0.23 MPa。

圖11為無防護、不同厚度的Q345鋼防護板及6061鋁合金防護板時的沖擊波超壓峰值直方圖，可以更清晰地了解到?jīng)_擊波的防護情況。

圖11 沖擊波超壓峰值對比圖

與無防護相對比，采用Q345鋼板進行防護。在5 mm厚度情況下，50 mm處沖擊波強度下降了77.6%，200 mm處沖擊波強度下降了87.0%，350 mm處沖擊波強度下降了88.7%，500mm處沖擊波強度下降了89.7%；在10 mm厚度情況下，50 mm處沖擊波強度下降了78.4%，200 mm處沖擊波強度下降了88.4%，350 mm處沖擊波強度下降了89.9%，500 mm處沖擊波強度下降了90.6%；在15 mm厚度情況下，50 mm處沖擊波強度下降了78.6%，200 mm處沖擊波強度下降了88.6%，350 mm處沖擊波強度下降了91.1%；500 mm處沖擊波強度下降了92.3%。

與無防護相對比，采用6061鋁合金板進行防護。在5 mm厚度情況下，50 mm處沖擊波強度下降了4.84%，200 mm處沖擊波強度下降了22.6%，350 mm處沖擊波強度下降了29.2%，500 mm處沖擊波強度下降了23.2%；在10 mm厚度情況下，50 mm處沖擊波強度下降了80.2%，200 mm處沖擊波強度下降了91.3%，350 mm處沖擊波強度下降了93.2%，500 mm處沖擊波強度下降了94.4%；在15 mm厚度情況下，50 mm處沖擊波強度下降了82.4%，200 mm處沖擊波強度下降了93.4%，350 mm處沖擊波強度下降了94.0%；500 mm處沖擊波強度下降了94.6%。

通過分析可以得知在施加防護板后，沖擊波強度都有了顯著的下降趨勢。圖12與圖13給出了爆炸切割后防護板的防護狀態(tài)，這對分析防護板對沖擊波強度的影響很有幫助。

圖12 Q345鋼防護板防護狀態(tài)示意圖

圖13 6061鋁合金防護板防護狀態(tài)示意圖

對于Q345鋼防護板，從圖12可以看見，防護板在爆炸切割時并沒有受到很大的破壞。從前面的數(shù)據(jù)分析可知Q345鋼防護板對沖擊波的防護效果隨著防護板厚度的增加有著穩(wěn)定的提高。對于6061鋁合金防護板，從圖13可以得知，厚5 mm的6061鋁合金防護板在沖擊波作用下已經(jīng)斷裂，厚10 mm與厚15 mm的6061鋁合金防護板在沖擊波作用下板面上開了一處小坑。6061鋁合金板對沖擊波的防護效果受到了防護板狀態(tài)的影響，厚度5 mm的6061鋁合金防護板由于斷裂，導(dǎo)致測點的沖擊波超壓數(shù)值很大，所起到的防護效果還是不足的，厚度10 mm與厚度15 mm的6061鋁合金防護板對沖擊波防護效果是很明顯的，并隨著厚度的增加，防護效果也會有著穩(wěn)定的提升。

不同材質(zhì)的防護板，對沖擊波的防護效果也有所不同。在防護板未斷裂的前提下，6061鋁合金板比Q345鋼板有著更好的防護效果，這與材料本身的性質(zhì)有關(guān)。但可以見到，對于厚度為5 mm的6061鋁合金板其承受沖擊波的能力要低于Q345鋼板，防護板一旦斷裂對沖擊波的防護能力便會降低。所以在選擇防護板時，防護板材質(zhì)與尺寸的選擇是至關(guān)重要的。

4 結(jié)論

基于切割索爆炸切割Q345鋼板，對沖擊波防護進行了仿真研究，結(jié)果表明施加防護板后，可以有效降低沖擊波的強度；隨著防護板厚度的增加，沖擊波的防護效果會較穩(wěn)定提升；6061鋁合金板比Q345鋼板有著更好的防護效果；若防護板最終斷裂，防護效果降低。在實際工程中，應(yīng)合理選擇防護板材質(zhì)與尺寸。