两点起爆双槽聚能装药的模拟及实验研究.pdf

第 32 卷 第 1 期 2015 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 32 No. 1  Mar. 2015 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2015. 01. 008 两点起爆双槽聚能装药的模拟及实验研究 肖 雄 1， 2， 张建华2， 吴 芳2， 雷兴良3 （1. 武警 8710 部队 90 分队， 莆田 351100； 2. 武汉理工大学 资源与环境工程学院， 武汉 430070； 3. 武汉市江夏凯龙爆破工程有限公司， 武汉 430032） 摘 要 为了研究双槽聚能装药结构中采用两点起爆方式对聚能射流的影响， 运用数值仿真及实验论证相 结合的方法， 进行了两点起爆下聚能射流的形成及侵彻研究。模拟结果表明 LS-DYNA 2D 有限元软件可以 较好模拟出一点和两点起爆爆轰波波形、 爆轰波的碰撞、 聚能射流的形成， 验证了爆轰波碰撞引起爆轰压力 的大幅增大， 两点起爆形成聚能射流速度和长度均大于一点起爆。实验结果证明在工业炸药双槽聚能装药 中采用两点起爆方式能起到增强爆轰强度、 增大聚能射流侵彻能力的效果。 关键词 爆轰波碰撞；两点起爆；双槽聚能装药；聚能射流；爆轰压力 中图分类号 TJ510 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2015） 01 -0038 -05 Numerical Simulation and Experimental Study of Double Groove Shaped Charge Detonated by Two Initiations XIAO Xiong1， 2，ZHANG Jian-hua2， WU Fang2， LEI Xing-liang3 （1. Unit 90 of CAPF 8710， Putian 351100， China； 2. School of Resources and Environmental Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China； 3. Wuhan Jiangxia Chiron Blasting Engineering Group Co Ltd， Wuhan 430032， China） Abstract To study the influence of two initiations of double groove shaped charge on the shaped jet， the numerical simulation and experimental was used to simulate the shaped jet and penetration process produced by two-initiation charge. The simulation results revealed the detonation wave shape induced by one and two initia- tions， the collision of the detonation wave and the ing of the shaped jet well by the finite element software LS- DYNA 2D； the detonation wave collision caused detonation pressure sharply increased；the speed and length of the shaped jet induced by the two initiation charges were greater than by one initiation. The experimental results showed that two initiations in industrial explosive and double groove shaped charge could enhance the intensity of detonation and increase the effect of the shaped jet penetration ability. Key words detonation wave collision； two initiations； double groove shaped charge； the shaped jet； detonation pressure 收稿日期 2014 -11 -21 作者简介 肖 雄 （1987 - ） ， 男，硕士研究生、 教员， 从事弹药与爆破 技术研究，（E-mail） xxwut sina. com。 通讯作者 张建华 （1963 - ） ， 男， 教授、 博士生导师， 从事采矿技术与 工程研究，（E-mail） sjhwut sina. com。 双槽聚能装药是线性聚能装药 （LSC） 的一种， 属于平面对称型聚能装药， 在柱状装药中有平面对 称的两个楔形聚能罩。当炸药爆炸后产生的高温高 压爆轰产物作用于聚能罩时， 将聚能罩压垮并促使 其向对称轴闭合运动， 且在对称轴附近进行高速碰 撞， 且具有高温、 高压、 高能量密度等特征， 外观形状 呈片状射流， 这种片状射流通常被称之为 “聚能 刀” ［1］， 可以对靶体进行切割。如图 1 所示为两点 起爆双槽聚能药柱的截面图。采用理论分析、 数值 模拟及实验论证相结合的方法研究两点起爆对形成 聚能射流的影响。 1导爆索； 2爆轰波 1Detonating cord； 2Detonation wave 图 1 两点起爆双槽聚能装药示意图 Fig. 1 Structure of the double groove shaped charge with two initiations 1 理论分析 两点起爆相对于一点起爆， 炸药里的爆轰波传 播比较复杂， 改变了作用于聚能罩的爆轰波角度， 同 时在聚能罩上部实现爆轰波的碰撞效应； 作用于聚 能罩爆轰波角度的不同和爆轰波的碰撞作用共同导 致作用于聚能罩的压力增大， 产生聚能射流速度得 到增大。两点起爆在两侧产生的爆轰波波阵面作用 于聚能罩的角度较小， 压垮速度更大 ［2］， 形成射流 速度变大； 爆轰波碰撞后在碰撞面附近形成一片高 压带， 产生高能量流作用于聚能罩端部， 使药型罩顶 部获得更大的压垮速度。 1. 1 爆轰波角度对聚能射流的影响 如图 2 所示， 为两个不同方向爆轰波的传播示 意图， O1和 O2分别为两不同位置起爆点。从 O1发 出的球面爆轰波波阵面 OR1与罩母线的夹角为 θ1， 从 O2发出的球面爆轰波波阵面 OR2与罩母线的夹 角为 θ2， 则明显可以知道 θ1 θ 2。爆轰波波阵面与 罩母线夹角越小， 微元压垮速度越大， 则在中线处碰 撞形成的聚能射流速度越大。 图 2 不同角度爆轰波传播示意图 Fig. 2 Propagation of detonation wave with different angles 1. 2 爆轰波的碰撞 爆轰波碰撞是一个非常复杂的过程， 涉及爆轰 波的正反射、 斜反射和马赫反射。如图 1 所示爆轰 波碰撞示意图。图中 A、B、C 三点分别表示正碰 撞、 正规斜碰撞和非正规碰撞 （也叫马赫反射） ［3， 4］。 两爆轰波碰撞时， 可将其中一个爆轰波波面看作是 刚性壁面， 即刚性障碍物面 ［5］。 图 3 爆轰波碰撞示意图 Fig. 3 Schematic diagram of detonation wave collision 如图 4， 两点起爆双槽装药时， 两列爆轰波波阵 面在圆心处发生正碰， 碰撞处发生局部超压； 而后在 直径线上进行斜碰撞， 碰撞点处压力升高， 并且形成 两道斜反射冲击波， 以一定角度向两边的爆轰产物 传播， 碰撞区域的爆轰压力随夹角的变化而变化； 爆 轰波继续传播， 作用于药型罩顶部， 同时向爆轰产物 反射冲击波， 冲击波相互叠加， 叠加处压力明显升 高， 使药型罩顶部获得更大的压垮速度 ［6］。 图 4 爆轰波碰撞产生的聚能流示意图 Fig. 4 Diagram of energy-gathered flow produced by detonation wave collision 2 数值模拟 双槽聚能装药以圆柱状装药为原版， 在其两侧 对称开聚能槽， 如图 5 为立体图， 图中 （a） 为中心一 点起爆装药，（b） 为两侧对称两点起爆装药。 2. 1 建立模型及划分网格 药柱模型直径 40 mm， 聚能罩角度为 90、 厚度 为 1 mm、 母线长 12 mm。双槽聚能装药其实质为线 性聚能装药结构， 具有平面轴对称的特点， 假设药包 中实现线起爆方式， 则可以用二维平面应变问题来 对其进行分析， 计算模型中使用的起爆方式也可以 93第 32 卷 第 1 期 肖 雄， 张建华， 吴 芳， 等 两点起爆双槽聚能装药的模拟及实验研究 转化为点起爆方式， 所以可以建立二维模型进行计 算分析； 为了增大金属聚能罩部分的计算精度并使 其在模拟计算中能够顺利进行， 需将变形较大的金 属罩部分进行网格密化， 即对聚能罩金属材料部分 进行自适应网格划分设置。取实际药柱的一半建立 模型并划分网格如图 6， 计算时分两种情况即一点 起爆和两点起爆 ［7-10］。 图 5 双槽聚能装药 Fig. 5 Double grooves shaped charge 图 6 模型及网格划分 Fig. 6 Mesh of the model 2. 2 材料模型的选择 炸药模型材料选用8701 炸药， 采用 MAT HIGH EXPLOSIVE BURN 高能炸药材料模型和 JWL 状 态方程描述， 状态方程为 P A 1 - ω R1 V e -R1V B 1 - ω R2 V e-R2V ωE 0 V 式中 P 为压力； V 为爆轰产物的相对体积； E 为初 始比内能。A、 B、 R1、 R2和 ω 为输入的与材料性质相 关的待定常数。聚能罩材料为紫铜， 计算所使用的 材料模型为 Steinberg 模型， 状态方程为 Gruneisen 状态方程。 2. 3 模拟结果及分析 如图 7 中为一点起爆爆轰波传播过程的应力云 图， 为两点起爆时爆轰波传播过程的应力云图。图 中可以明显看到爆轰波的传播， 其中两点起爆可以 看到两股爆轰波向中间传播。图 8 中 （a） 为一点起 爆形成的聚能射流，（b） 为两点起爆形成的聚能射 流。可以从外观上看出两点起爆形成的聚能射流较 为细长。 图 7 炸药的爆轰 Fig. 7 The explosive detonation 图 8 形成的聚能射流 Fig. 8 ation of the shaped jet 在 LS-PrePost 中分析两种方式下产生的聚能射 流， 记录各个时间点聚能射流端部的速度， 并绘制成 图表， 如图 9 所示， 两种起爆方式下形成的聚能射流 端部的速度曲线。从图 9 中可以看出， 黑色曲线的 表示值均高于红色曲线， 即说明两点起爆方式下产 生的聚能射流速度明显大于一点起爆； 两条线均有 一个突跃增长、 下降变稳的趋势。一点起爆方式下 在， t 0 3 μs 时间段内聚能罩基本没有产生聚能 射流； 在 t 3 6 μs 时间段内聚能罩产生的聚能射 流端部的射流速度有一个突跃并增大的过程， 在 t 6 μs 时炸药爆轰结束， 聚能射流端部速度达到峰值 V1max3313. 00 m/ s； 在 t 6 μs 以后的时间段内， 聚 能射流端部速度有一个下降趋而后达到稳定， 其速 度稳定在 V1a 3050. 00 m/ s 左右。两点起爆方式 下， 在 t 1 3 μs 时间段内聚能罩已经开始形成聚 能射流， 聚能射流端部的速度也有突跃式增长， 在 t 3 μs 时， 聚能射流端部速度达到峰值 V2max 3997. 46 m/ s； 在 t 3 μs 以后的时间段内， 聚能射流 端部速度有一个下降趋而后达到稳定， 其速度稳定 在 V2a3745. 00 m/ s左右。 通过对两种起爆方式下聚能射流形成过程中不 同时间的状态分析可以得出以下结论（1） 两点起 04爆 破 2015 年 3 月 爆方式改变了作用于聚能罩的爆轰波波形、 实现了 爆轰波的碰撞效应， 聚能罩受到压力得到大幅度提 高；（2） 两点起爆方式下形成的聚能射流较细， 拉伸 长度较长；（3） 两点起爆形成聚能射流速度大于一 点起爆， 平均大 700 m/ s 左右， 则其侵彻切割能力 更强。 图 9 两种起爆方式下形成的聚能射流端部的速度曲线 Fig. 9 The speed curve of the end of the shaped jet 3 实验验证 3. 1 药包的制作 制作两种药包， 药包 A 采用中心一点起爆； 药 包 B 采用两侧对称两点同时起爆。所用到的器材 有 直径 50 mm 的 2 号岩石乳化炸药药卷； 直径 50 mm、 长 150 mm PVC 管若干； 长度 200 mm 直角 铜质楔形罩若干； 导爆索； 工业 8 号电雷管若干； 石 膏等。制作药包的参数如表 1 所示。 3. 2 刻槽实验 刻槽实验。靶板为长 300 mm， 宽 200 mm， 厚度 为 10 mm 的 45 号钢板， 在钢板中间位置加工切割 出一个直径为 60 mm 的圆心空孔， 为保证聚能射流 侵彻效果明显， 炸高不能过大， 故加工一个直径 60 mm 的圆孔。将药包放置于靶板空孔中心并将 其固定住。药包 A 的实验装置如图10 所示， 中心处 用一个 8 号电雷管起爆； 药包 B 的实验装置如图 11 所示， 两侧对称固定两根长度相等的导爆索， 端部齐 平用胶布和电雷管缠紧。 表 1 药包材料参数 Table 1 Parameters of drug package materials 2 号岩石乳化炸药 导爆索 铜聚能罩 PVC 管 直径/ mm 高度/ mm 密度/ （gcm -3） 爆速/ （ms -1） 直径/ mm 爆速/ （ms -1） 厚度/ mm 锥角/ （） 母线长/ mm 内径/ mm 管壁厚/ mm 501001. 2535006680019018502 实验结果如图 12 和表 2 所示。 表 2 实验结果 Table 2 The experimental results 药包侵彻深度/ mm 平均值切口宽度/ mm 平均值 A867978. 0 B131112655. 5 药包 A 形成的切槽深度浅， 平均侵彻深度为 7 mm； 切口宽度大， 说明其形成的聚能射流形状短 粗， 头部速度较低， 速度梯度较小。而药包 B 比药 包 A 的侵彻深度要大， 其平均侵彻深度为12 mm； 切 口宽度要小， 且药包 B 形成的侵彻切槽宽度随切割 深度变化要明显一些， 说明其形成的聚能射流形状 较细长， 头部速度较高， 速度梯度大； 这种聚能射流 对于切割深度来说是相对有利的。通过刻槽对比实 验分析可以看出在炸高较小的情况下， 药包 B 所形 成的聚能射流的侵彻深度大， 效果好。实验结果与 理论分析和仿真模拟分析是比较符合的， 都证明了 两点起爆聚能装药能够提高聚能射流的侵彻能力。 图 10 实验装置 A 图 11 实验装置 B Fig. 10 Experimental Fig. 11 Experimental device A device B 图 12 药包 A、 B 侵彻结果 Fig. 12 The penetration results of charge A and B 14第 32 卷 第 1 期 肖 雄， 张建华， 吴 芳， 等 两点起爆双槽聚能装药的模拟及实验研究 4 结语 （1） 用 ANSYS/ LS-DYNA 软件对两种起爆方式 进行了二维模拟， 较好模拟出两种不同爆轰波波形、 爆轰波的碰撞和聚能射流的形成， 验证了两点起爆 产生爆轰波波形有助于提高作用于聚能罩的压力， 爆轰波碰撞引起了爆轰波压力较大幅度的增大； 两 点起爆形成聚能射流速度和长度均大于一点起爆， 则其侵彻能力更强。 （2） 实验结果证明了所制作药包能够实现爆轰 波的碰撞作用； 表明用低爆速的工业炸药制作聚能 切割器可以产生聚能射流并且有相当的侵彻能力。 药柱 B 所形成的聚能射流的侵彻深度大、 效果好， 证明了两点起爆聚能装药能够提高聚能射流的侵彻 能力。 （3） 某些工程实践中应用药包 B 类型的装药， 以工业炸药代替高能炸药形成聚能射流达到切割效 果， 可以起到节省炸药、 降低成本、 保证效果和增强 安全性的作用。 参考文献 （References） ［1］ 高接东. 基于变壁厚药型罩的 LEFP 成型机理研究 ［D］ . 南京 南京理工大学， 2013. ［1］ GAO Jie-dong. 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