炸高對(duì)線(xiàn)性聚能裝藥射流毀傷混凝土墻體效果的影響

［摘 要］ 采用一種新型線(xiàn)性聚能裝藥結(jié)構(gòu)，研究了不同炸高時(shí)線(xiàn)性聚能裝藥射流對(duì)混凝土墻體的毀傷效應(yīng)。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，藥型罩錐角為80°與50°時(shí)，能較好地避免拉斷現(xiàn)象。得到了線(xiàn)性聚能裝藥結(jié)構(gòu)的射流頭部速度、侵徹深度隨炸高的變化規(guī)律。炸高為60 mm時(shí)，最佳侵徹深度達(dá)130.6 mm。對(duì)炸高為60 mm與100 mm時(shí)的線(xiàn)性聚能裝藥進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，炸高100 mm時(shí)，侵徹深度達(dá)到125.0 mm，與仿真結(jié)果吻合較好。驗(yàn)證了該線(xiàn)性聚能裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土墻體的毀傷效果較好?？蔀榫€(xiàn)性聚能裝藥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究提供參考。

［關(guān)鍵詞］ 混凝土墻體；線(xiàn)性聚能裝藥；拉斷現(xiàn)象；藥型罩錐角；炸高

［分類(lèi)號(hào)］ TJ410.3

Influence of Stand-Off on the Damage of Linear Shaped Charge Jet on Concrete Walls

CHEN Siyu①②， HUANG Zhengxiang②

①School of Science， National University of Defense Technology （Hu’nan Changsha， 410073）

②School of Chemical Engineering， Nanjing University of Science and Technology （Jiangsu Nanjing， 210094）

［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］ A new type of linear shaped charge structure was adopted to study the influence of stand-off on the da-mage of linear shaped charge jet on concrete walls. In numerical simulations， it has found that when the cone angles of the shaped charge are 80° and 50°， it can effectively avoid the phenomenon of pulling and breaking. The variation law of jet head velocity and penetration depth with stand-off for linear shaped charge structure was obtained. The optimal penetration depth reaches 130.6 mm when the stand-off is 60 mm. Experimental study was conducted on linear shaped charge with stand-off of 60 mm and 100 mm. The results show that when the stand-off is 100 mm， the penetration depth reaches 125.0 mm， which is in good agreement with the simulation results. The linear shaped charge structure has been verified to have a good destructive effect on concrete walls. It can provide reference for the design and experimental research of linear shaped charge structures.

［KEYWORDS］ concrete wall; linear shaped charge; pull-off phenomenon; cone angle of liner; stand-off

0 引言

混凝土墻體在現(xiàn)代工程建設(shè)中具有非常廣泛的應(yīng)用，利用線(xiàn)性聚能射流侵徹混凝土墻體，能在迅速打破障礙物的同時(shí)減少附帶傷害。

線(xiàn)性聚能裝藥理論是基于錐形聚能裝藥理論而發(fā)展和擴(kuò)充的。曾吾新等［1］建立了三維線(xiàn)性聚能射流成型的準(zhǔn)定常理論模型。Feng等［2］采用SPH法研究線(xiàn)性聚能射流對(duì)鋼靶板的毀傷效應(yīng)，證明了該模型的有效性。王峰等［3］采用ALE法對(duì)線(xiàn)性聚能裝藥侵徹鋼靶進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)錐角80°的線(xiàn)性聚能裝藥具有較好的切割性能。王克波等［4］對(duì)線(xiàn)性聚能裝藥侵徹鋼板的性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)多次正交優(yōu)化，避免了射流成型出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象。崔云航等［5］對(duì)影響線(xiàn)性聚能裝藥侵徹能力的主要影響因素進(jìn)行分析，得到了侵徹能力隨炸高、裝藥形狀、藥型罩等因素的變化規(guī)律。陳沛［6］對(duì)炸高、炸藥高度、藥型罩錐角、壁厚等影響線(xiàn)性聚能裝藥形成射流侵徹鋼板的因素進(jìn)行研究，從中得到最佳工藝參數(shù)。陳寧等［7］對(duì)以膨化硝銨炸藥為主的線(xiàn)性聚能裝藥射流侵徹鋼材靶板的特點(diǎn)和規(guī)律進(jìn)行研究，得到線(xiàn)性聚能裝藥最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)：炸高40 mm，藥型罩錐角80°，藥型罩厚度1.0 mm。徐文龍等［8］對(duì)錐角藥型罩截頂，解決了傳統(tǒng)直錐角桿式線(xiàn)性聚能裝藥能量利用率低、速度小等缺點(diǎn)。Cheng等［9］設(shè)計(jì)了一種線(xiàn)性聚能裝藥結(jié)構(gòu)，通過(guò)數(shù)值模擬研究了藥型罩壁厚、炸藥類(lèi)型與炸高等因素對(duì)雙錐角線(xiàn)性聚能裝藥侵徹性能的影響。Bohanek等［10］通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了炸藥質(zhì)量、藥型罩材料和炸高對(duì)線(xiàn)性聚能裝藥侵徹深度的影響，給出了不同炸高下的特征切口與最佳炸高對(duì)應(yīng)的侵徹深度。張斐等［11］設(shè)計(jì)了一款截頂超聚能裝藥結(jié)構(gòu)，通過(guò)仿真模擬得到超聚能射流的成型特點(diǎn)、不同炸高下藥型罩射流對(duì)混凝土靶板的侵徹規(guī)律。

在線(xiàn)性聚能射流侵徹靶板的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型線(xiàn)性聚能裝藥結(jié)構(gòu)，適當(dāng)避免線(xiàn)性聚能射流成型過(guò)程中的拉斷現(xiàn)象。采用50°、 80° 2種不同的藥型罩錐角，分別對(duì)侵徹混凝土靶進(jìn)行數(shù)值模擬，得到對(duì)混凝土靶毀傷效應(yīng)較好的新型線(xiàn)性聚能裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)。比較數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果，得出不同炸高下線(xiàn)性聚能裝藥結(jié)構(gòu)射流成型以及對(duì)混凝土靶的侵徹規(guī)律。

1 數(shù)值模擬

為構(gòu)建線(xiàn)性聚能裝藥的幾何模型，作出如下假設(shè)：炸藥、藥型罩、混凝土靶均為均勻連續(xù)介質(zhì)；整個(gè)侵徹過(guò)程為絕熱過(guò)程；裝藥結(jié)構(gòu)為嚴(yán)格的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)；采用點(diǎn)起爆方式。

經(jīng)典的線(xiàn)性聚能裝藥結(jié)構(gòu)在射流成型過(guò)程中易發(fā)生拉斷現(xiàn)象。主要原因是，藥型罩壁厚在母線(xiàn)方向的微元質(zhì)量不變，而炸藥微元的質(zhì)量變化很大，導(dǎo)致藥型罩微元質(zhì)量的速度梯度過(guò)大。為改變射流的成型狀態(tài)，對(duì)線(xiàn)性聚能裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。保持裝藥結(jié)構(gòu)的基本尺寸（長(zhǎng)、寬、高）不變，為適當(dāng)減少炸藥微元梯度的變化，采取炸藥微元質(zhì)量變化較小的新型線(xiàn)性聚能裝藥結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

適當(dāng)減少速度梯度，確保炸藥質(zhì)量縱向分布較為均勻，以此來(lái)減少聚能射流拉斷現(xiàn)象。同時(shí)，還可以適當(dāng)?shù)販p少裝藥量，提高炸藥利用率。

對(duì)新型線(xiàn)性聚能射流成型與侵徹混凝土過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，幾何模型如圖2所示。

表1為線(xiàn)性聚能裝藥各模塊選用的材料模型和狀態(tài)方程。參考經(jīng)典線(xiàn)性聚能裝藥結(jié)構(gòu)，采用cm-g-μs單位制；空氣、炸藥、藥型罩采用ALE算法，采取共節(jié)點(diǎn)法；建立1/4模型；選擇Solid164網(wǎng)格單元，中央網(wǎng)格采用0.5 mm寬度，通過(guò)過(guò)度網(wǎng)格劃分，逐步采用2.0、 2.5 mm的網(wǎng)格劃分。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 線(xiàn)性聚能裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)藥型罩的厚度為2.5 mm，裝藥長(zhǎng)度為100 mm，寬度為100 mm，高度為120 mm。由正交優(yōu)化法得出，藥型罩錐角對(duì)線(xiàn)性聚能射流侵徹混凝土靶毀傷的影響最大；仿真計(jì)算得出，藥型罩錐角為80°時(shí)達(dá)到最佳侵徹深度；試驗(yàn)得出，50°錐角時(shí)的實(shí)際毀傷效果較好。故對(duì)50°與80°錐角的聚能射流成型進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖3～圖4分別展示了不同錐角時(shí)紫銅藥型罩在B炸藥作用下形成射流的具體過(guò)程。新型線(xiàn)性聚能裝藥射流成型持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，較經(jīng)典線(xiàn)性聚能裝藥射流成型，更不易出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象，如圖5所示。

線(xiàn)性聚能裝藥結(jié)構(gòu)中，錐角越大，藥型罩的罩高越小。即藥型罩的頂部材料較厚，有可能使對(duì)應(yīng)的炸藥微元處于拋散狀態(tài)［4］，速度梯度較低，導(dǎo)致射流拉斷，故錐角50°時(shí)的射流成型更好。

2.2 炸高對(duì)線(xiàn)性聚能射流侵徹混凝土的影響

線(xiàn)性聚能裝藥起爆時(shí)，不同的炸高對(duì)射流成型形態(tài)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。炸高較小時(shí)，射流速度還未達(dá)到最大便開(kāi)始侵徹混凝土靶；炸高太大時(shí)，又易出現(xiàn)拉斷、射流速度梯度過(guò)大等問(wèn)題。根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)，選取炸高0～100 mm進(jìn)行仿真模擬。為研究高炸高的影響，選取炸高150、160 mm進(jìn)一步對(duì)比。

圖6為不同炸高時(shí)射流頭部速度的變化曲線(xiàn)。由圖6可知：

1）在爆轟后短時(shí)間內(nèi)，射流頭部速度均迅速增大，再緩慢增長(zhǎng)至最大5 244 m/s，侵徹混凝土靶的瞬間，頭部速度大范圍降低，符合射流成型規(guī)律。

2）炸高為0 mm時(shí)，射流頭部最大速度僅為5 200 m/s，炸藥爆轟還未結(jié)束，便開(kāi)始侵徹混凝土靶，對(duì)侵徹混凝土靶會(huì)產(chǎn)生一定影響。

3）炸高越大，射流在空氣域運(yùn)行的時(shí)間越長(zhǎng)，射流頭部速度前期會(huì)略有降低，但仍維持在4 950～ 5 100 m/s之間。

4）隨著炸高增至150、160 mm后，射流在空氣域傳播過(guò)程中損失能量，在后期頭部速度減小幅度增大，降低至4 800 m/s左右。

由圖7中不同炸高時(shí)射流侵徹混凝土靶的深度可知，聚能射流侵徹混凝土墻體的深度隨炸高的增加呈先增大而后減小的趨勢(shì)，且在炸高為60 mm時(shí)，達(dá)到最大侵徹深度。

圖8反映了炸高為60 mm時(shí)射流侵徹混凝土靶的形態(tài)。在44.99 μs時(shí)，射流頭部開(kāi)始侵徹混凝土靶，射流在靶中建立起穩(wěn)定的三高區(qū)；隨著繼續(xù)侵徹，碰撞壓力較小，射流的能量分布變化緩慢，混凝土靶孔徑和切口大小相對(duì)比較均勻，相同時(shí)間間隔內(nèi)，射流侵徹深度增大；侵徹后期，射流尾部開(kāi)始侵徹混凝土靶，隨著射流能量的衰減，侵徹會(huì)持續(xù)一段時(shí)間繼續(xù)擴(kuò)展，同時(shí)方向上能保持穩(wěn)定；混凝土靶的最終侵徹深度為130.6 mm。

如圖9所示，堆積、擴(kuò)壺與拉斷現(xiàn)象會(huì)影響線(xiàn)性聚能射流對(duì)混凝土靶的侵徹效應(yīng)。相比經(jīng)典的線(xiàn)性聚能裝藥結(jié)構(gòu)，新型聚能裝藥結(jié)構(gòu)在射流成型與侵徹混凝土靶方面效果較優(yōu)。

3 試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)布置

通過(guò)數(shù)值仿真分析可得，炸高60 mm時(shí)，射流侵徹混凝土靶的深度達(dá)到最大，但與炸高100 mm時(shí)的結(jié)果相差不大。故進(jìn)行炸高60 mm與100 mm下侵徹混凝土墻體的近爆威力試驗(yàn)。侵徹試驗(yàn)中使用的線(xiàn)性聚能裝藥結(jié)構(gòu)與2.2小節(jié)一致：藥型罩錐角50°，壁厚2.5 mm，罩頂高103.5 mm，頂部尺寸40 mm。試驗(yàn)布置如圖10所示。

3.2 毀傷試驗(yàn)結(jié)果及規(guī)律分析

試驗(yàn)過(guò)程中，混凝土靶受到射流切割時(shí)，起爆點(diǎn)最先受力，然后朝徑向深度擴(kuò)展，最終混凝土以塊狀飛濺而出，形成切割坑。具體毀傷結(jié)果見(jiàn)圖11。

對(duì)圖11中混凝土靶漏斗坑地的尺寸以及侵徹深度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，炸高為100 mm時(shí)，新型線(xiàn)性聚能射流侵徹混凝土的侵徹深度吻合較好，誤差僅為4.16%；但炸高為60 mm時(shí)，聚能射流對(duì)混凝土靶的侵徹深度存在一定誤差。

鋼筋的作用是承受拉力，防止混凝土破壞和開(kāi)裂。材料性能直接決定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的最終強(qiáng)度與性能。在試驗(yàn)過(guò)程中，混凝土墻內(nèi)部的鋼筋增強(qiáng)了靶體的強(qiáng)度，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

為確保混凝土靶在數(shù)值模擬中所使用的材料參數(shù)具有準(zhǔn)確性，通過(guò)查閱大量與混凝土靶相關(guān)的數(shù)值模擬與試驗(yàn)，選取前人大量使用的材料參數(shù)，故仿真采用混凝土材料參數(shù)與實(shí)際性能基本一致?；炷涟羞x用H-J-C材料模型［12］，具體材料參數(shù)如表3所示。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于線(xiàn)性聚能裝藥侵徹混凝土墻體的研究大多以數(shù)值仿真為多，試驗(yàn)研究參考經(jīng)驗(yàn)較少，加工工藝處于摸索階段。數(shù)值模擬中，采用理想的加工工藝，炸高在60～100 mm變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的侵徹深度變化不超過(guò)5 mm，符合所得規(guī)律。試驗(yàn)中，與數(shù)值模擬相比，炸高100 mm時(shí)的侵徹深度誤差不超過(guò)10%?？蔀楹罄m(xù)線(xiàn)性聚能射流侵徹混凝土靶試驗(yàn)提供一定的參考。

4 結(jié)論

為研究不同炸高對(duì)線(xiàn)性聚能裝藥射流毀傷混凝土墻體效果的影響，設(shè)計(jì)了一款新型線(xiàn)性聚能裝藥結(jié)構(gòu)。結(jié)合仿真結(jié)果與試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

1）新型線(xiàn)性聚能裝藥結(jié)構(gòu)可以較好地避免射流成型過(guò)程中的拉斷現(xiàn)象，且藥型罩錐角為50°時(shí)的射流成型形態(tài)更優(yōu)，確定了模型的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2）在爆轟瞬間，射流頭部速度迅速增大至最大5 244 m/s；隨著炸高的增大，頭部速度呈現(xiàn)先小幅度降速、侵徹混凝土靶后迅速降低的規(guī)律。

3）低炸高有利于藥型罩錐頂部形成高速射流，故線(xiàn)性聚能射流侵徹混凝土靶在炸高60 mm達(dá)到最大侵徹深度；高炸高時(shí)，射流在空氣域傳播過(guò)程中損失能量，頭部速度減小，侵徹深度略小。

4）炸高100 mm時(shí)，線(xiàn)性聚能射流侵徹混凝土靶的數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較好。驗(yàn)證了新型結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土墻體具有較好的毀傷效應(yīng)。對(duì)新型線(xiàn)性聚能裝藥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與發(fā)展提供一定的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

［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， 8（2）： 97-105.

ZENG X W， XUE H L. A theoretical study on linear shaped charge ［J］. Explosion and Shock Waves， 1988， 8（2）： 97-105.

［2］ FENG D L， LIU M B， LI H Q， et al. Smoothed particle hydrodynamics modeling of linear shaped charge with jet formation and penetration effects ［J］. Computers amp; Fluids， 2013， 86： 77-85.

［3］ 王峰， 李必紅， 王喜， 等. 藥型罩錐角對(duì)線(xiàn)性聚能裝藥切割性能的影響［J］. 火工品， 2019（3）： 22-25.

WANG F， LI B H， WANG X， et al. Effect of the cone angle of the liner on the cutting performance of linear shaped charge ［J］. Initiators amp; Pyrotechnics， 2019（3）： 22-25.

［4］ 王克波， 鄭宇. 線(xiàn)性聚能裝藥結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真優(yōu)化［J］. 爆破， 2012， 29（2）： 99-103.

WANG K B， ZHENG Y. Numerical simulation and optimization of the liner shaped charging struction ［J］. Blasting， 2012， 29（2）： 99-103.

［5］ 崔云航， 李裕春， 吳騰芳， 等.線(xiàn)型聚能裝藥數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］. 爆破， 2005， 22（3）： 26-29.

CUI Y H， LI Y C， WU T F， et al. Numerical simulation and optimization design of linear shaped charge ［J］. Blasting， 2005， 22（3）： 26-29.

［6］ 陳沛. 膨化硝銨炸藥線(xiàn)性聚能裝藥切割深度的影響因素研究［D］. 武漢： 武漢科技大學(xué)， 2019.

CHEN P. The study on the influencing factors of penetration depth of expanded AN explosive linear charge ［D］. Wuhan： Wuhan University of Science and Technology， 2019.

［7］ 陳寧， 段衛(wèi)東， 陳沛， 等. 線(xiàn)性聚能裝藥侵徹深度的影響因素［J］. 工程爆破， 2021， 27（4）：100-106.

CHEN N， DUAN W D， CHEN P， et al. Influence factors of penetration depth of linear shaped charge ［J］. Engineering Blasting， 2021， 27（4）： 100-106.

［8］ 徐文龍， 王成， 徐斌， 等. 新型聚能裝藥爆炸成型桿式射流數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究［J］. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2017， 37（6）： 579-583， 589.

XU W L， WANG C， XU B， et al. Numerical simulation and experimental investigation on new type jetting projectile charge ［J］. Transactions of Beijing Institute of Technology， 2017， 37（6）： 579-583，589.

［9］ CHENG X， HUANG G Y， LIU C M， et al. Design of a novel linear shaped charge and factors influencing its penetration performance ［J］. Applied Sciences， 2018， 8（10）： 1863.

［10］ BOHANEK V， DOBRILOVICM， SKRLEC V. The efficiency of linear shaped charges ［J］. Tehnicki Vjesnik， 2014， 21（3）： 525-531.

［11］ 張斐， 周春桂， 張春輝， 等. 超聚能射流成型及侵徹混凝土的數(shù)值模擬研究［J］. 火工品， 2018（5）： 16-20.

ZHANG F， ZHOU C G， ZHANG C H， et al. Numerical simulation of hypercumulation jet formation and penetration into concrete ［J］. Initiators amp; Pyrotechnics， 2018（5）： 16-20.

［12］ HOLMQUIST T J， JOHNSON G R. A computational constitutive model for glass subjected to large strains， high strain rates and high pressures ［J］. Journal of Applied Mechanics， 2011， 78（5）： 051003.

收稿日期：2023-05-30

第一作者：陳思羽（2000—），女，碩士研究生，主要從事爆炸力學(xué)的研究。E-mail：2233188591@njust.edu.cn

通信作者：黃正祥（1967—），男，教授，博導(dǎo)，主要從事爆炸力學(xué)的研究。E-mail：huangyu@mail.njust.edu.cn