钢板局部接触爆炸破片形成过程分析.pdf

第2 7 卷第4 期 2 0 1 0 年1 2 月 爆破 B L A S T I N G V o I ．”N o ．4 D e c ．2 0 l O D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 0 ．0 4 ．0 0 2 钢板局部接触爆炸破片形成过程分析木 刘飞1 ，唐献述2 ，任新见1 1 ．总参T 程兵科研三所，洛阳4 7 1 0 2 3 ；2 ．桂林空军学院，桂林5 4 1 0 0 3 摘要对钢板进行局部接触爆炸试验，分析了钢板破坏的主要特征。在此基础上基于A u t o D y n 进行数值 计算，剖析了破片的形成过程，计算出破片初速度并与基于金属材料临界破坏功理论估算出的破片速度进行 比较。接触爆炸破坏试验和数值模拟结果验证了用绝热剪切破坏理论解释钢板接触爆炸破片的生成现象是 合适的。 关键词接触爆炸；贯穿；有限元；破片 中图分类号0 3 8 3文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 0 0 4 0 0 0 5 0 5 A n a l y s i so nF r a g m e n tF o r m a t i o nP r o c e s so f L o c a lC o n t a c tB l a s t i n g L I UF e i l ，T A N GX i a n - s h u 2 ，R E NX i n - j i a n l 1 ．T h eT h i r dS c i e n t i f i cR e s e a r c hI n s t i t u t eo fE n g i n e e r i n gG r o u p s ，G e n e r a lS t a f fo fP E A ， L u o y a n g4 71 0 2 3 ，C h i n a ；2 ．G u i l i nA i rF o r c eA c a d e m y ，G u i l i n5 4 1 0 0 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h el o c a lc o n t a c tb l a s t i n gt e s t so ns t e e lp l a t ew e r ec a r r i e do u ta n da n a l y z i n gt h em a i nc h a r a c t e r i s t i co f s t e e lp l a t ed e s t o r y ．T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sd o n eb yA u t o D y no nt h i sb a s i s e sa n da n a l y z e dt h ef o r m a t i o np r o - g r e s so ff r a g m e n t s ．T h ei n i t i a lv e l o c i t yo ff r a g m e n t sb yc a l c u l a t i o nw 踞c o m p a r e dw i t ht h ee s t i m a t e dv e l o c i t yb yc r i t i c a l f a i l u r ew o r kt h e o r yo fm e t a lm a t e r i a l ．T h er E s u l t so ft e s t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ea d i a b a t i cs h e a rb a n d t h e o r yi ss u i t a b l et oe x p l a i nt h ef o r m a t i o no ff r a g m e n t si nc o n t a c tb l a s t i n gw i t hs t e e lp l a t e s ． K e yw o r d s c o n t a c tb l a s t i n g ；p e r f o r a t i o n ；F E M ；f r a g m e n t 0 引言 炸药与钢板接触爆炸，如果接触面长与宽远大 于装药厚度，炸药厚度与钢板厚度相比较小，爆炸后 一般使钢板产生一定程度的压缩与塑性变形；如果 这个比值增大，可能使钢板发生层裂破坏；继续增 大，则可能使钢板发生贯穿破坏。在接触爆炸条件 下，药量的大小须结合板类型和结构来区别。如果 收稿日期2 0 1 0 0 2 2 5 作者简介刘 飞 1 9 7 7 一 男。湖南攸县人，博士，主要从事防护工 程研究，E - m a i l p l a 4 1 4 1 0 0 1 6 3 ．c o n l 。 基金项目南京科技创新工作站项目 编号N J C X R W - 2 0 0 3 0 2 3 5 装药能够炸穿某种板，使板产生较大面积的贯穿破 坏，对这种板来说装药量即为大药量；如果装药使板 产生层裂，认为装药是小药量；如果装药不至于使板 破坏，爆炸后使板产生一定程度的变形，这种装药为 极少量装药。 对于大药量与板的接触爆炸，特别是炸药与金 属板的接触爆炸，既有研究主要集中在研究炸断或 者炸穿钢板的临界药量，研究方法主要是通过大量 的爆炸试验，利用试验数据总结出计算炸断或者炸 穿板的装药量经验公式引。主要基于X 7 0 钢板的 化爆试验和数值计算研究钢板的贯穿破坏模式与破 片的速度问题。 万方数据 6 爆破2 0 1 0 年1 2 月 1 试验研究 。 犟塞篆塞冀臻主鬻嚣芸墓 将X 7 0 钢板静置于地面，钢板几何中心集团装记录如表1 所示。 表1 接触爆炸试验记录 试验4 结果示意如图2 ～图4 所示。 图1 炸药量设置方式 图2 爆炸后与炸药接触处形成的孔洞 图3 爆炸形成类似弹丸的破片 图4 爆炸后与炸药接触处形成的翻唇 通过试验得到如下认识 1 发生贯穿破坏时，不但在爆炸部位形成孔 洞、裂缝，而且形成类似弹丸的破片，这种破片具有 较大的质量，面积与装药接触面积相近，速度极高， 携带很大动能。 2 破片的变形程度与钢板厚度关系密切，相同 的装药结构与钢板接触爆炸，板厚时破片变形程度 较轻，而板薄时破片变形程度较重，接近于弹丸形 状；而对于薄板则会产生花瓣状翻转裂片，这种现象 与锥形弹丸贯穿薄板类似。 3 钢板局部接触爆炸贯穿破坏时，断裂形成破 片的区域与接触面积相近，具有明显的“剪切”作用 效果，钢板下表面有翻唇现象。 2 数值模拟 为了拓展试验结果，通过数值模拟分析了试验 4 对应工况下钢板局部外接触爆炸作用的破坏过程 与破片初速度。数值模拟采用A L E 算法，在A u t o - D y n 平台下进行。 2 ．1 算法与材料模型 炸药为7 ⅢT ，密度1 ．6 3g ／e m 3 ，炸药爆炸的反应 区压力模型采用W i l k i n s 和G i r o u x 的高能炸药燃烧 函数因子。爆轰产物的状态方程采用J w L 状态方 程，参数见表2 ，炸药爆轰过程中压力和比容的关 系为 P A 一南 e 啦y B 一南 e 啦7 等 式中A 、曰、R ，、R 2 、g O 是材料常数；尸是压力；y 是相 对体积；E o 是初始比内能。 表2 ．玎盯炸药参数 1【go⋯D／1GPa,4／GPaB／m m h 。I 是∞ 篙吖G P a 1 【g ．3 8 1 G P a G P a 1 埘 1 妒 16 3 069 3 03 7 3 ．7 73 ．7 4 74 ．1 50 ．90 ．3 5 6 ．1 2 2 1 ．4 万方数据 第2 7 卷第4 期 刘飞，唐献述，任新见钢板局部接触爆炸破片形成过程分析7 钢材采用J o h n s o n C o o k 模型，状态方程采用 G r t i n e i s e n 方程。J o h n s o n C o o k 模型是材料在大变 形、高应变率和高温条件下的本构模型，适用于大部 分金属H 刮。模型中材料屈服应力 盯， A 口芦” 1 C I n 占’ 1 一T ’“ 式中_ P 是等效塑性应变；台‘ k ／k 。是磊 1 ．0s 。 丁一r 时的应变率比值；T ‘是相对温度，r ‘ 』告， 1 m 一1 ， z 是室温，L 是材料熔点。断裂应变 ∥ [ D l D 2e x pD 3 0 r ’] [ 1 功I n 台’] [ 1 D 5 r ] 式中口‘ P ／口新，P 是平均三维应力；o 新是V o nM i s e s 等效应力。断裂模型表征了不同参数的相对影响，同 时通过累积损伤考虑了变形过程中的路径相关。 J o h n s o n C o o k 模型中包含A 、B 、C 、J l 、m 五个材 料常数，其中A 为小应变条件下材料的屈服应力常 数，B 为材料应变硬化系数，厅为材料应变硬化指 数，C 为材料应变率相关系数，m 则为材料温度相关 系数。因此J o h n s o n - C o o k 模型屈服应力表达式中第 1 个括号中的内容反映了等温条件下材料的应变硬 化特性，第2 个括号中的内容反映了材料的应变率 硬化特性，而第3 个括号中的内容则体现了材料的 热软化特性。表3 列出了x 7 0 钢J o h n s o n C o o k 模型 材料参数旧J 。 表3X T 0 钢J o h n s o n C o o k 模型材料参数 单位g - 锄- 峄- k P 篡尘蝗2 生丛3 ‰舭， f1 。 S l - 1 协s 寿书，南] 定义膨胀材料的压力P J D 。c 缸 7 0 舭 E 1 式中肛 寺一l ，V 为当前相对体积；c 。是U s - U p 冲 r 击波速度一质点速度 曲线的截距；．s ，、5 和s ，是‰一‰ 曲线斜率系数；7 0 是G r i i n e i s e n 系数；a 是对y o 的一 阶体积修正；E 为材料内能。表4 列出了X 7 0 钢 G r n n e i s e n 状态方程参数一o 。 表4X T 0 钢G r i i n e i s e n 方程参数 单位g - c m p s - k 2 ．2 模拟结果分析 起爆点位于装药顶面对称中心，由于结构的对 称性，取结构的1 ／4 进行数值模拟，在对称面上施加 对称约束，示意如图5 。模型共1 4 66 8 1 个单元。 图5 有限元分析模型示意 炸药在顶部中央起爆以后，形成一个半球形爆 轰波阵面向接触面传播，爆轰波在接触面附近的压 力迅速上升，峰值可以达到6 ．2x1 0 9P a 图6 ，在 2 ．0 0 9 “s 时作用到钢板上，在板内形成剪切应力 波。接触区的范围内钢板区域迅速进入塑性状态， 板内剪切应力波随着爆轰波压力的增大迅速上升， 板内剪切应力区扩展，形成完整的剪切波阵面在板 内传播，1 6 ．0 3 斗s 波阵面传至炸药钢板接触面边缘 图7 。 图8 一图9 对应钢板破坏过程的温度场显示。 根据爆炸荷载作用下钢板的破坏过程分析，可以发 现大药量与钢板外接触爆炸，发生贯穿破坏，其破坏 属于剪切破坏。具有局域高温的绝热剪切带是其主 万方数据 8 爆破 2 0 1 0 年1 2 月 要特征。钢板受到炸药爆炸作用的过程，是一个高 温、高压、高应变率的动态过程m 1 。如果炸药量较 大，而且炸药的有效装药厚度与板厚比值较大，那么 爆轰产物的作用时间较长，而板在极短的时间内在 厚度方向就形成几乎均一的力学状态。在爆炸荷载 的作用下，在接触区钢板变形非常迅速，产生的热量 绝大部分积聚在接触区材料中，热传导损失的热量 只是很少一部分，这就使材料的温度急剧升高，从而 使该处材料软化，钢板变形自然增大，使得塑性功增 加发生绝热剪切。 图6 炸药与板接触面上炸药单元的压力一时间曲线 图71 6 ．0 3 炉剪切波传至接触面边缘 图8 2 2 ．0 4 炉形成绝热剪切带 钢板在剪切力的持续作用下在7 8 “s 时剪切带 开始断裂。断裂带继续扩展，1 2 2 斗s 剪切带几乎完 全断裂，形成与炸药接触面相近的破片，1 5 8 “s 时 破片与钢板完全脱落。破片大小与变形程度与试验 结果基本一致。 绝热剪切是一种典型的动态断裂，它是一种热 力偶合的破坏形式，主要特征是形成剪切变形高度 集中的窄带 几m 到几百斗m ，并最终沿此剪切 带发生破坏【9 。10 | 。绝热剪切现象可认为是由于高应 变率下产生2 个效果完全相反的过程所致，即一方 面应力随应变和应变率的增大而提高 硬化过程 ； 另一方面，塑性变形通常在某些薄弱的滑移区开始， 在高应变率下集中在这些局部变形区的大塑性变形 可看作绝热过程，这些不可逆塑性功所转化的热能 在绝热条件下导致局部变形区的温度迅速升高，从 而促使流动应力下降 软化过程 ，局部的软化促使 变形更加集中 局部变形区更窄 ，反过来更进一步 促使局部温度剧烈升高 甚至超过相变温度 。这 样循环软化作用下，一旦软化影响超过硬化的影响， 材料将发生塑性失稳而迅速断裂⋯J 。 3 破片速度分析 当爆轰波传至钢板表面时，首先是接触面中央 压垮，然后从接触面中心至接触面边缘依次压垮。 接触面各点运动速度，以靠近接触面中心为最大，沿 对称边界向外质点速度越来越小，如图1 1 所示。起 爆后2 0 炉，接触面中间单元与边缘单元的速度差在 万方数据 第2 7 卷第4 期刘飞，唐献述，任新见钢板局部接触爆炸破片形成过程分析 9 20 0 0m ／s 以上。由于接触面中心部位与边缘存在 速度梯度，使得接触面的钢板不断变形，向内凹陷。 在钢板沿接触面边缘断裂以后破片生成，但破片上 不同质点仍然存在速度梯度，破片中心单元 速度 为23 0 0m ／s 与破片边缘单元 速度为5 0 0m ／s 有 图l O 接触面上选中的单元 l8 0 0m ／s 速度差。这样在破片运动过程中不断变 形，最终形成类似弹丸的破片。破片整体速度介于 边缘质点速度与中间质点速度之间，最终破片整体 速度在9 5 0m ／s 左右。如此高速的破片具有极强的 穿透能力。 图9 破片形成过程 p i ● 昌 3 套 U 0 舢 j 吐 图l l对应于图l o 选中单元的速度曲线 下转第1 7 页 万方数据 第2 7 卷第4 期赵根生态爆破 1 7 2 促进爆破技术的创新为保护生态环境，爆 破效应的控制将更严格、要求将更高，必须有更先进 的爆破技术、管理理念与之相适应，有利于促进爆破 技术的全面创新，提升爆破品质，推动爆破技术向更 高水平发展。 3 推动生态爆破安全控制标准的建立现有的 爆破安全控制标准更多关注的是建筑物本身，很少 涉及对生态的影响。生态爆破将推动爆破对陆地、 水中生物影响标准的制定，以及开展爆破对人类的 生理、心理影响的研究。 4 增强全社会的生态保护意识地球只有一 个，生态环境的好坏直接影响人类的生活质量，保护 生态环境人人有责。生态爆破旨在尽可能减少爆破 的有害影响，同时对于不可避免的破坏进行生态恢 复。如工程结束后，进行植被恢复或进行绿化，在一 定程度上减少了爆破施工对生态环境造成的影响。 5 加大生态保护的投入爆破作业不是一个简 单的施工环节，而是一个系统工程，必须有相应的资 金投入相配套，才能保证有足够的人力、物力参与到 生态环境保护中来，实现人与自然的和谐。 5 结语 将爆破施工与生态环境保护联系起来的生态爆 破，是一个涉及多部门通力协作的庞大的系统工程， 还有很多的技术难题需攻克，在我国真正实现生态 爆破，还任重道远。本文希望能起一个抛砖引玉的 作用，以提高生态环境的保护意识，避免爆破给人类 造福的同时给生态环境造祸。 参考文献 [ 1 ]于金花．厦门海域水下工程爆破中的冲击波监测与分 析[ D ] ．厦门厦门大学硕士位学论文，2 0 0 6 ． [ 2 ] 伊克．宁夏大峰矿重大施工爆破事故致1 6 人死亡 [ J ] ．安全与健康，2 0 0 8 ，1 2 上 2 8 ． [ 3 ]陈颖尧，吴健光．广州体育馆爆破拆除的粉尘控制 [ J ] ．爆破，2 0 0 1 ，1 8 4 6 6 6 8 ． [ 4 ]冯叔瑜顾毅成．开发西部水资源与工程爆破技术[ J ] ． 工程爆破，2 0 0 1 ，7 4 1 - 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