线性聚能装药结构的数值仿真优化.pdf

第2 9 卷第2 期 2 0 1 2 年6 月 爆破 B L A S T l N G v 0 1 ．2 9N o ．2 J u n ．2 0 1 2 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 2 ．0 2 ．0 2 6 线性聚能装药结构的数值仿真优化 王克波1 ，郑宇2 1 ．山东北方民爆器材有限公司，淄博2 5 5 2 0 8 ；2 ．南京理- r 大学国防重点学科实验室，南京2 1 0 0 9 4 摘要以药型旱开口5 0r a i n 为例，利用玛一D Y N A 对线性聚能装药侵彻钢板的性能进行了数值模拟，通 过对装药结构多次正交优化，得到的最终设计方案为三锥形外锥的药型罩，并得到了对应的装药结构，使数 值仿真的侵彻过程中射流没有拉断现象，侵彻效果超过了药型罩母线长度的2 倍以上 药型罩开口的1 ．5 倍 以上 。 关键词聚能装药；数值模拟；正交设计 中国分类号0 2 4 2 ．1 ；T J 4 1 0 ．3文献标识码A文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 2 } 0 2 - 0 0 9 9 0 5 N u m e r i c a lS i m u l a t i o na n dO p t i m i z a t i o no ft h e L i n e rS h a p e dC h a r g i n gS t r u c t i o n W A N GK e ．b 0 1 ，Z H E N GY u 2 1 ．S h a n d o n gN o r t hC i v i lD e m o l i t i o nT o o l sC oL t d ，Z i b o2 5 5 2 0 8 ，C h i n a ； 2 ．Z N D Yo fM i n i s t e r i a lK e yL a b o r a t o r y ，N a n j i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ，N a n j i n g2 1 0 0 9 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h es i m u l a t i o n sO i lt h ep e n e t r a t i o n 弹抽m a №o fl i n e a rs I l a p e dc h 晖w i t h , h h eh a t c ho f5 0 m mi n t o s t e e lt a r g e tw e r ec a r r i e do u tW i t hL S D Y N As o f t W ／l r e ．B a s e do nt h em d f i p l eo r t h o g o n a lo p t i m i m t i o u ．t h r e et a p e r e d s h a p e ds t r u c t u r ew a sc h 0 6 e n ∞d L a 孵s t r u c t u r e ．W i t ht h eo p t i m i z e dc o a f l g , u m t i o n ，t h ep h e n o m e n o no f j e td m i n gp e n - c i t a t i o np r o c e s sd i H 弭Ⅷf e di nt h es i m u l a t i o n ，m a dt h ep e n e t r a t i o nd e p t hi sm o r et h a n2t i m e so ft h eg e n e r a u i x “ s l e n g t h ． K e yw o r d s s l l 8 p e dc h a r g e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；o r t l ”g o n a ld e s i g n 线性聚能装药是从锥形聚能装药理论引申而来 的，主要用于切割金属材料，它具有高速、高效、操作 方便、不受环境限制的特点，其优越性非普通切割方 法所比。近些年来，学者们对线性聚能射流的结构 设计进行了大量的研究工作，旨在利用有限的装药 量，达到最大的切割深度。李建平等进行了零炸高 条件下实用线型切割器的设计并对经验公式进行了 修正⋯。王飞等利用5 因素2 水平正交表进行了线 性切割器结构参数优化设计，优化组合方案的射流 收稿日期2 0 1 1 1 0 1 4 作者简介王克渡 1 9 8 1 一 。男。山东省青手H 市人，工程师、工程硕 士，从事民爆器材研发。 E m a i l q i a g z h o u w a a b [ 1 6 3 ．Ⅻ。 在7 0 炉时开始拉断，其射流侵彻深度大致与药型 罩母线长度相等拉j 。崔云航等利用5 因素2 水平正 交表进行了线型聚能装药优化，优化组合方案的射 流在7 0 岬时开始拉断p J 。祝逢春等对线性聚能装 药侵彻深度进行了理论推导，得到了侵彻深度约为药 型罩开口的1 ．1 倍H 1 。线性聚能装药的结构尺寸与 对应的若干水平采用组合形式的试验设计后，会使方 案数量激增，增加了数值仿真的工作量。而正交设计 是利用正交性从全面试验中选取部分有代表性的点 进行试验，有代表性的点具有“均匀分散，齐整可比” 的特点，是高效、快速、经济的试验设计方法。 结合正交设计，对线性聚能装药结构进行了优 万方数据 1 0 0 爆破 2 0 1 2 年6 月 化，并根据优化方案侵彻过程中存在的射流拉断现 象，对药型罩形状进行了修正，使最终数值模拟所得 的线性聚能装药射流保持连续，侵彻深度达到了药型 罩母线长度的2 倍以上 药型罩开口的1 ．5 倍以上 。 1 仿真分析模型的建立 1 ．1 数值模型 炸药、药型罩、空气、靶板都采用拉伸的3 维模 型，具体尺寸由各仿真方案确定。 以药型罩开口为5 0m m 、靶板宽高为8 0m i l l 8 0m m 为基准，靶板顶部对称处为坐标原点。为减 少计算时间，采用3 维面对称模型，对称面采用固壁 约束。建立的数值模型如图1 所示。 外壳 图1 所建立的数值仿真模型 单位m m F i g ．1 N u m e f i c a ls i m u l a t i o nm o d e le s t a b l i s h e d u n i t m m 1 ．2 仿真算法及模型参数 仿真计算中采用炸药、药型罩和空气采用E u l e r 网格，靶板采用L a g r a n g e 网格。采用流固耦合方式。 这种方式的优势是炸药、药型罩、空气网格为固定 不动，能量和材料在网格之间传递。 表1 中列出了数值仿真中的材料模型。 表1 数值仿真材料模型 T a b l e lM a t e r i a lm o d e l si nn u m e r i c a ls i m u l a f l o n 2 正交设计及其仿真结果 2 ．1 装药结构正交设计 用优选的方法确定线性聚能装药最佳参数匹 配，根据国内外理论分析方法和试验研究成果，选取 4 个主要参数作为正交设计因素，分别是药型罩锥 角、药型罩壁厚、炸药高度和炸高。这些因素所对应 的水平都是根据现有的试验资料，在比较理想的范 围内取值。外壳采用5m m 厚钢板。正交设计装药 结构的变量和对应水平值如表2 所示。 表2 正交设计装药结构的变量和对应水平 T a b l e2O r t h o g o n a ld e s i g np a r a m e t e r sa n dc o r r e s p o n d i n g l e v e l sf o rc h a r g es t r u c t u r e 2 ．2 正交设计仿真结果 将数值仿真所得的1 0 0p L s 钢靶穿深和射流最 高速度作为评判指标。正交试验数值模拟结果如表 3 所示。 表3 正交试验设计及数值模拟结果 T a b l e 3T h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n td e s i g na n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s 万方数据 第2 9 卷第2 期乇克波，郑字线性聚能装药结构的数值仿真优化 1 0 1 经过正交设计分析得知，炸药高度 水平I u 对 钢靶穿深的影响最大，其次是罩壁厚 水平I I 。所 得优化数据为炸药高度约4 7m m ，罩壁厚选为 1 ．5m m ，炸高约加m m ，罩锥角8 5o 。 9 种正交设计方案在射流形成过程中都有拉断 现象。分析原因是由于药型罩在母线方向上的微元 以下简称罩微元 质量保持恒定，而作用在药型罩 母线方向上的炸药微元 以下简称炸药微元 质量 变化过大，从而引起罩微元问的速度梯度过大。为 改善射流状态，进行了优化方案设计，如图2 所示， 同样采用等壁厚药型罩，而使炸药微元质量形成一 定梯度，这样，町以减少罩微元之间的速度梯度，以 减少射流拉断，同时，可减小装药量。 ◇． 图2 优化方案 F i g ．2o P t i m i z a t i o ns c h e m e 3 优化方案正交设计与数值仿真 3 ．1 优化方案正交设计 弹壳仍采用5m m 厚钢材。炸药高度4 7m m ， 炸高约4 0 咖，罩锥角8 5 。，罩壁厚选为1 ．5m m 。 优化方案装药结构的变量和对应水平如表4 所示。 表4 优化方案装药结构的变量和水平 T a b l e4P a r a m e t e r sa n dl e v e l so fo p t i m i z a t i o n s c h e m ef o rc h a r g es t r u c t u r e 3 ．2 优化方案数值仿真 方案之间装药量尽可能保持平衡，并将1 0 0 “s 钢靶穿深和射流最高速度作为评判指标。优化方案 数值仿真结果如表5 所示。 表5 优化方案数值仿真结果 T a b l e 5T h eN u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s o ft h eo p t i m i z a t i o ns c h e m e ．士女炸药顶部炸药外锥角／1 0 0 s 钢靶射流最高速度／ 力系宽度／m m 。穿涕m m m ．s 一1 至此，所优化的线性聚能射流的数值仿真侵彻 深度依然符合≤1 ．1 倍药型罩开口的界限，这也是 资料显示的线性聚能装药实验穿深”。1 0 。 从表5 可以看出，方案2 较好，其钢靶穿深和射 流最高速度都是设计方案中最大值。但仍存在射流 在形成过程中被拉断为3 节的不足。 方案2 的射流拉断过程如图3 所示。 f IOs o T i r e d - ‘1 0 3 c 口 I 口_ ⋯fH i g t or yV a f i m D l e ●z - _ - ■0 I S 0 7 S ，Ⅲo l o m l5 6 7 0 m u - 0l ●2 7 - to l o m 01 1 4 U ，0 - s o n ⋯2 0 1 7 ■ C o n t O ●r - - t H ●●●o q V o r l a b l e ●2 ⋯0 ●E 】，口7 I a tO I Q B ● s s 5 _ ⋯●0 z s ●0 ．a ’i l u m S ，●l 图3 方案2 的射流拉断过程 F i g ．3 B r e a kp h e n o m e n o no fj e ti np r o j e c t2 通过对图3 分析得知射流的第1 次拉断的原 因是药型罩顶部材料过厚，而对应炸药微元使其处 于抛散状态，速度较低所致；射流的第2 次被拉断是 由于药型罩口部微元过厚，对应炸药微元使其处于 ．兰■■- ■ P、■■●■●■■■__■一 巍黧 竺 竺 n 0 7 t‘，●，2，7， m。曩a1■嚯●嚼●●鼻删“ p p“p“二_。r岬m卅ⅢⅢⅢ川卅Ⅲ⋯撤川h■，，‘5●，，●{ ⋯翔浦口lj；一疆4噜嵋胡墨 麓竺 ‰一瑚-．麓蛆Ⅺ瑚 m。_唱一L■唱JJJJ一 e ● ●● ●●●●●j墨 竺竺 竺 万方数据 爆破 2 0 1 2 年6 月 抛散状态，并在对称面汇聚时形成堆积所致。 4 修正优化方案及其数值仿真 4 ．1 优化方案修正项 根据所分析的优化方案仿真过程中射流的拉断 原因，调整以下数据 炸药顶部宽度5m m ；药型罩外锥改为3 锥 将 顶部、口部各去除一部分 。修正后的药型罩形状 如图4 所示。 图4 修正后的药型罩形状 F i g ．4 T h er e v i s e ds h a p eo fl i n e r h ．．Ⅷ磊“} 鼍掣；淤奢曼剿j ； h ．．E 9 嚣“’ 譬裟蹦 l 。矗。V a f l ．n b l e 。0 2 ～I1 3 4 76 1s l a m 7 ， - 5 - e s l T l ⋯t q ，E C o 口t o ⋯口IH l ●I a w V a r , s b l e ●2 ⋯一I ■‘‘3 S ●●●‘i I - I - n ●2 口‘I ， ⋯’2 4 3 2 1 - te l e m l ”2 ● 1 6 8 5 l T i m e -‘●， C o I o - r ●o f H , u l o r y V Ⅳi o b l o ●t m i r a - ●”7 ●5 ●●●m l ●m OI ■3 4 2 ⋯I ●’l ●5 ⋯I ●- ● ‘●‘ 蠹1 3 2 t - 0 0 I 瀚 4 ．2 修正优化方案数值仿真 在材料参数和模型其它参数与前期仿真计算相 同的情况下，对修正优化方案进行数值模拟计算。 修正优化方案以l O “s 为间隔的射流形成过程 如图5 所示。 从图5 可以看出，修正优化方案射流在形成过 程中保持稳定状态，所形成的射流没有发生拉断现 象。其穿靶性能更好，1 0 0 斗s 时仍具有穿靶能力。 修正优化方案在1 2 0p , s 时的穿靶效果如图6 所示。 5 结语 对线性聚能切割器的装药结构进行了正交设计 优化，并对优化方案进行了修正，找出了开口5 0m m 的线性聚能切割器的最佳装药结构。通过研究及数 值仿真结果得出以下结论 ‰．．2 ，基“’ 攀翼燃曼；j ；；} 铡毋 m ．．，。嚣“’ 誊觥奢剃嚣；2 T m ．，，变1 5 ’ 攀襟爱t y V m a t 锵t n b l l t Z 图5 修正优化方案以l O 炉为间隔的射流形成过程 F i g ．5 T h ef o r m a t i o np r o c e s so fj e ta f t e ro p t i m i z a t i o nw i t hi n t e r v a l so f1 0t t s 1 对于线性聚能装药，炸药内外锥角差距不 能过大，既要使药型罩微元形成一定速度梯度，又要 将速度梯度控制在不致将射流拉断的状态下。 2 药型罩锥顶和开口部位的形状对线性聚能 射流是否拉断有较大关联，通过合理的结构调整，可 h ．．n 嚣“’ 鼍篓j 鲫强奠溜秽 T i m e ．，，囊。8 ” 詈并i 然悠然并 避免因射流形成过程中出现堆积而造成的射流 拉断。 3 仅在相同材料参数的前提下，对多种方案 进行了数值仿真，并未进行实际的实验验证，后续须 对其进行实验验证。 ■●一吐、嘧d正J11●一m‰m享；m善m兰m‰帅 兰I -x■■■●■■■●一 竺 竺 山■●■哆‰嚯幔正正I 墨黑竺 竺竺m．．●一冀i_1嚼咀■Jw嚣竺竺兰2 ●7‘5●】，l， m■■●、S--■__■■■■一 批_ 如h h “h - h h №㈨ⅢⅢⅧⅢ㈨～ⅢⅢⅢ㈣川 山●-、馨五●●■■■■■■_竺竺嚣竺嚣 i I，‘‘5●】2●，- m a．●一巧1哩呕正J1■一 曼 竺麓黧篡 _■●一、喵堪d|J1■●一 竺竺 _兰■■__、曩譬●■■■■●■-■_ 墨 竺竺竺 i●7，‘I●1 2 万方数据 第2 9 卷第2 期I 兜波．郧。j 二线性聚能装药结构的数值仿真优化 1 0 3 [ 4 ]Z H UF e n g c h u n ，D E N GZ h e n - l i ，H UY u ．D e s i g na n dc a l 一 锚∥ c u l a t i o no fl i n e a rs h a p e dc h a r g ec u t t e r [ J ] ．I n i t i a t o r s ＆ ’。“／”U I “O * D ⋯a U “ ， 1 一． 三 曩I [ 5 ]刘P y r o 千t e 寿c h ，n 白i c 春s2 华0 0 ，0 李建平2 0 ．线2 4 型聚i n 能C h 装i n 药e s e 切割器系统参 ⋯”””0 ’ 数研究[ J ] ．工程爆破，2 0 0 4 ，1 0 4 1 3 ．1 6 ． ．一m0 0 。g [ 5 ] u uQ i a n s h o u ，B A IC h u n - h u a ，L IJ i a n p i n g ．S t u d yo nt h e l ⋯m ㈣i p a r a m e t e r So fl i n e a rs h a p e dc h a r g ec u t t e r [ J ] ．E n g i n e e r i n g I B l a s t i n g ，2 0 0 4 ，1 0 4 1 3 1 6 ． i nC h i n e 8 e ””2 ”“ [ 6 ] 晏俊伟，龙源，唐献述，等．线型聚能切割器在不同 d 连接角度下切割能力的研究[ J ] ．工程爆破，2 0 0 6 。 1 2 3 1 4 ． 图6 修正 2 0 s 时穿靶效果 [ 6 ] Y A NJ u n w e i ，L O N GY u a n , T A N GX i a n s h u , e ta l S t u d y F i g ．6 T h efs u l t so fi e li n t ot a r g e t o ni n c i s i n ga b i l i t yo fl i n e a rs h a p e dc h a r g ec u t t e ra td i Ⅱj r ． a f t e l1a t1 2 0 舢 e n tc o n n e c t i n ga n g l e [ J ] E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 0 6 ， 1 2 3 1 - 4 ． i nC h i n e s e [ 7 ] 刘维柱，方向，汪庆桃，等．线型聚能装药切割钢板 参爿 r e r e n c e s 过程的数值模拟[ J ] ．工程爆破，2 0 0 3 ，9 3 1 5 ．1 8 ． [ 1 ] 李建平，白春锋 ⋯．⋯⋯⋯。，⋯ [ 7 ] L I UW e i z h u ，F A N GX i a n g ，W A N GQ i n g t o o ，e ta 1 ．N u ；用O t 型切D V 器研l l [ J ] 爆 。。 m e I “ I ．c a l 1 ．m u l - a ’t ．1 ．o no nc u t t ．i n ．g 。fs t e e ，ls - l a D - ，al i n e a r 破器材，2 0 0 5 ， ‘ s h a p e dc h a r g e [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 0 3 ，9 3 1 5 一 [ 1 ] uJ i a n - p i n g ，B l，L I UQ i a n ’s h o u _ S t y d yo ft h e 1 8 ． i nC h i n e s e u t i l i t yl i n e a r E x p l 。s i V eM a ‘e d a l s ，2 0 0 5 ， [ 8 ] 崔云航，李裕春，吴腾芳，等．线型聚能装药数值模拟 3 4 4 3 3 - 3 5 ． 与优化设计[ J ] ．爆破，2 0 0 5 ，2 2 3 2 6 - 2 9 ． [ 2 ] 王飞，王连著i 性切割器正交优化设计与 [ 8 ] C U IY u n - h a n g ，L IY u e - c h a nW UT e r I g f a n g ，e ta 1 ．N ” 数值模拟研究1材，2 0 0 6 ，3 5 2 2 3 - 2 6 m e i l e a ls i m u l a t i o na n do D t i m i z a t i o n d e s i g n o fl i n e a r [ 2 ] W A N GF e i ，W Ji ，L I UG u a n g c O r t h o g o n a l s h a p e dc h a r g e [ J ] ．B l ∞t i f I g ，2 0 0 5 ，2 2 3 2 6 - 2 9 ． i n o p t i m i z a t i o nd e ￡ m u m e r i c a ls i m u l a t i o no fl i n e 。 C h i n e s e a rs h a p e dc h a r g s i r eM a t e r i a l s ，2 0 0 6 ，3 5 2 [ 9 ]罗勇，沈兆武，崔晓荣．线型聚能切割器的应用研究 2 3 - 2 6 ． i nC h i n [ J ] ．含能材料，2 0 0 6 ，1 4 3 2 3 6 - 2 4 0 ． [ 3 ] 崔云航，万文章事．线型聚能装药优化设计 [ 9 ] L U OY o n g ，S H E NZ h a o ．W R ，C U IX i a o ．t o n g ．A p p l i c a t i o n [ J ] ．火工品，2 4 6 ． s t u d yo nb l a s t i n gw i t hl i n e a rc u m u l a t i v ec u U i n gc h a r g ei n [ 3 ] C U IY u n h a n g ， [ i a n ，T I A NQ i ，e ta 1 ．O p t i m i z a r o c k [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fE n e r g e t i cM a t e r i a l s ，2 0 0 6 ， t i o nd e s i g no fl i c h a r g e [ J ] ．I n i t i a t o r s P y r o -1 4 3 2 3 6 - 2 4 0 ． i nC h i n e s e t e c h n i c s ，2 0 0 6 一 nC h i n e s e [ 1 0 ] C e n t u r yD y n a m i c sL t d ．I n t e r a c t i v en o n l i n e a rd y n a m i ca [ 4 ] 祝逢春，邓振丰I} 性聚能切割器的设计计算n a l y s i ss o f t w a r eu s e rm a n u a l [ M ] ．R a u l o n ，U S A C e n t u r y [ J ] ．火工品，2 弭．Dynamics I n c o r p o r a t e d ，2 0 0 1 8 6 - 1 0 2 ． 土接第5 3 页 [ 5 ]肖文雄，丘德如，施传斌．等．多排微差爆破技术在场 地整平中的应用[ J ] ．爆破，2 0 0 5 ，2 2 3 5 0 - 5 2 ． [ 5 ] X I A OW e n x i o n g ，Q I UD e m ，S H IC h u a n - b i n ，e ta 1 ．A p - p l i c a t i o no fm u h i r o wm i l l i s e c o n db l a s t i n gi nl e v e l i n gs i t e [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 0 5 ，2 2 3 5 0 - 5 2 ． i nC h i n e s e [ 6 ]国家安全生产管理局．G B 6 7 2 2 - - 2 0 0 3 爆破安全规程 [ S ] ．北京中国标准出版社，2 0 0 4 ． [ 7 ] [ 7 ] 熊炎飞，董正才，王辛．爆破飞石飞散距离计算公式 浅析[ J ] ．工程爆破，2 0 0 9 ，1 5 3 3 1 - 3 4 ． X I O N GY a n f e i ，D O N GZ h e n g - c a i ，W A N GX i n ．A n a l y s i s o ft h ef o r m u l aa b o u tb l a s t i n gf l y i n gr o c k ’Sc a s t i n gd i s t a n c e [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 0 9 ，1 5 3 3 1 ．3 4 ． i nC h i n e s e 万方数据