线型聚能切割器结构参数优化设计及应用.pdf

ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００１-８３５２. ２０１７. ０６. ００８ 线型聚能切割器结构参数优化设计及应用 ❋ 龚文涛① 刘健峰① 龚先乐① 王志阳① 朱忠亚① 詹新进② ①中国人民解放军陆军工程大学野战工程学院江苏南京，２１０００７ ②湖北卫东化工股份有限公司湖北襄阳，４４１１０８ [摘 要] 针对钢结构目标，优化设计了一种组合式的爆炸切割装置，此装置可以实现对钢结构目标的快速高效 切割。 以线型聚能装药为研究对象，采用正交优化设计方法，对线型聚能切割器的药型罩壁厚、顶角、口径、炸高等 主要结构参数进行优化设计，并确定了最优线型聚能装药结构。 采用该结构参数的线型聚能切割器，能够对典型 钢结构目标进行有效切割。 [关键词] 线型聚能装药；正交优化；爆炸切割；数值模拟 [分类号] ＴＫ４２１；ＴＤ２３５ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｌｉｎｅａｒ Ｓｈａｐｅｄ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｕｔｔｅｒ ＧＯＮＧ Ｗｅｎｔａｏ①， ＬＩＵ Ｊｉａｎｆｅｎｇ①， ＧＯＮＧ Ｘｉａｎｌｅ①， ＷＡＮＧ Ｚｈｉｙａｎｇ①， ＺＨＵ Ｚｈｏｎｇｙａ①， ＺＨＡＮ Ｘｉｎｊｉｎ② ①Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｆｅｉｌｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＰＬＡ Ａｒｍｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｎａｎｊｉｎｇ， ２１０００７ ② Ｈｕｂｅｉ Ｗｅｉｄｏｎｇ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｃｏ. ， Ｌｔｄ. Ｈｕｂｅｉ Ｘｉａｎｇｙａｎｇ， ４４１１０８ [ＡＢＳＴＲＡＣＴ] Ａ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｔｙｐｅ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｃｕｔｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｇｏａｌ ｏｆ ｒａｐｉｄ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃｕｔｔｉｎｇ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｗａｓ ｏｐｔｉｍａｌｌｙ ｄｅｓｉｇｎｅｄ. Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｃｈａｒｇｅ ｃｕｔｔｅｒ ｓｕｃｈ ａｓ ｌｉｎｅｒ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ， ｌｉｎｅｒ ａｎｇｌｅ， ｃａｌｉｂｅｒｓ ａｎｄ ｂｕｒｓｔ ｈｅｉｇｈｔ， ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｌｉｎｅａｒ ｃｈａｒｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ. Ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｃｈａｒｇｅ ｃｕｔｔｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｕｌｄ ｃｕｔ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ. [ＫＥＹＷＯＲＤＳ] ｌｉｎｅａｒ ｓｈａｐｅｄ ｃｈａｒｇｅ； ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ； ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｃｕｔｔｉｎｇ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 引言 线型聚能装药ｌｉｎｅａｒ ｓｈａｐｅｄ ｃｈａｒｇｅ， ＬＳＣ按照 药型罩的不同形状可以分为楔形、弧形、矩形等形 式。 楔形罩相对于其他结构形式，具有结构相对简 单、易于制造、聚能效果好等特点[１]。 线型聚能爆 炸切割相对于机械切割、氧气乙炔切割等传统切割 方法，具有效率高、速度快、成本低、适应性强、受环 境制约影响小等优点，广泛应用于各类工程爆破以 及抢险救援等领域[２-４]。 线型聚能切割器成型效果 主要受装药、金属药型罩以及起爆方式的影响。 药 型罩应选用密度大、塑性好且在射流形成的过程中 不易产生气化的材料，常用的药型罩材料有紫铜、 铅、铁、软铁等[５]。 起爆方式可以改变爆轰波在药 柱中的传播方式，从而对成型侵彻体的外形产生影 响。 线型聚能切割器起爆方式一般分为 ３ 种，即线 起爆、端部面起爆和端部点起爆。 数值模拟软件利用计算机强大的计算能力，可 以对射流成型和侵彻靶板等复杂过程进行仿真运 算，而这些过程的数据显然难以通过实验获得。 因 此，笔者采用三维数值模拟和正交优化设计相结合 的方法，对 ＬＳＣ 结构参数进行优化设计，从而得到 线型聚能切割器结构参数的最佳组合方式，并进行 相应的实验验证。 １ 数值计算模型及结构参数 １. １ 线型聚能切割器结构参数 聚能装药结构如图 １ 所示，ＬＳＣ 药型罩呈楔形， 第 ４６ 卷 第 ６ 期 爆 破 器 材 Ｖｏｌ. ４６ Ｎｏ. ６ ２０１７ 年 １２ 月 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｄｅｃ. ２０１７ ❋ 收稿日期２０１７-０５-０３ 基金项目解放军理工大学预先研究基金项目２０１４１７；解放军理工大学野战工程学院青年基金项目２０１５-７ 作者简介龚文涛１９９３ － ，男，本科，主要从事爆炸技术与弹药工程研究。 Ｅ-ｍａｉｌ８７５３２６５３４＠ ｑｑ. ｃｏｍ 通信作者刘健峰１９８８ － ，男，博士研究生，主要从事战斗部高效毁伤研究。 Ｅ-ｍａｉｌｌｊｆｌｃｃｃ＠１６３. ｃｏｍ １ － 药型罩；２ － 壳体；３ － 装药。 图 １ 装药结构示意图 Ｆｉｇ. １ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 药型罩口径 ｄｍ，顶角 ２α，壁厚 δ，装药高度 Ｈ。 １. ２ 有限元模型及网格划分 根据药型罩结构特点，利用 ＡＮＳＹＳ/ ＬＳ-ＤＹＮＡ 有限元软件建立了线型聚能装药侵彻 ４５＃钢靶的三 维有限元计算模型。 线型聚能装药三维有限元计算 模型如图 ２ 所示。 为了能清楚地描述药型罩的压垮 成型过程，采用 ＡＬＥ 数值计算方法。 因为聚能装药 具有对称性，建立了 １/２ 三维有限元实体模型。 该 聚能装药为 Ｃ４ 炸药，采用高能炸药材料模型用于 计算，其爆轰产物压力利用 Ｊｏｎｅｓ-Ｗｉｌｋｉｎｓ-ＬｅｅＪＷＬ 状态方程描述，紫铜药型罩和 ４５＃钢靶动力响应过 程选取 Ｊｏｈｎｓｏｎ-Ｃｏｏｋ 材料模型和 Ｇｒｕｎｅｒｉｓｅｎ 状态方 程联合描述，具体材料参数参考文献[６-８]。 炸药起 爆采用端部单点起爆方式。 图 ２ 线型聚能切割器三维有限元计算模型 Ｆｉｇ. ２ ３Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｓｈａｐｅｄ ｃｈａｒｇｅ ｃｕｔｔｅｒ ２ 正交优化设计及结构参数选择 ２. １ 方案设计 根据目前研究现状[９-１４]，主要针对药型罩结构 参数及炸高进行优化筛选，其取值范围如下 １壁厚。 实验选用的药型罩壁厚 ３ 个水平值 分别为 １. ０、１. ５ ｍｍ 和 ２. ０ ｍｍ。 ２顶角。 为了对比该参数的变化对形成射流 及侵彻靶板深度的影响，数值模拟选取 ７０、９０和 １１０ ３ 个水平值。 ３口径。 根据现有的实验资料和理论公式，采 用的口径为 ３５、４０ ｍｍ 和 ４５ ｍｍ。 ４炸高。 为了对比明显和分析方便，采用的炸 高为 ０、１０ ｍｍ 和 ２０ ｍｍ。 选取药型罩壁厚 Ａ、顶角 Ｂ、口径 Ｃ 和炸高 Ｄ ４ 个参数作为正交优化的 ４ 个因素。 为了更好地分析 射流聚能效果，在这里引入侵彻深度 Ｙｉｍｍ作为 衡量指标，来评价正交设计优化参数组的优劣。 聚 能切割器结构的各因素及对应的水平如表 １ 所示。 表 １ 切割器选取的因素水平 Ｔａｂ. １ Ｆａｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｌｅｖｅｌｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｕｔｔｅｒ 水平号 壁厚 Ａ/ ｍｍ 顶角 Ｂ/ 口径 Ｃ/ ｍｍ 炸高 Ｄ/ ｍｍ １１. ０７０３５０ ２１. ５９０４０１０ ３２. ０１１０４５２０ 线型聚能切割器考虑交互作用的 ４ 因素 ３ 水平 正交实验设计如表 ２ 所示[１５]。 由表 ３ 中的计算结果结合综合平衡法，将每一 交互列也看做一个因素，可计算出各因素的单指标 极差值及极差平均值，然后通过对同一因素不同水 平极差平均值大小的对比，找出每个因素的最佳水 平，进而对指标进行综合衡量，找出最优方案。 其中 各因素的单指标极差分析结果见表 ４。 选取聚能射流侵彻钢板最大深度 Ｙｉｍｍ作为 参数组优劣的评判标准，通过数值仿真技术对 ２７ 组 不同因素水平的组合进行模拟计算，得到各个切割 器模型中射流侵彻钢靶板的最大深度。 然后依据这 ２７ 组不同侵彻深度值，结合正交实验表进行对比分 析，最后得出一组优化的聚能切割器参数组合。 分析表 ４ 和图 ３ 中的极差值可以得出，对于射 流侵彻最大深度 Ｙｉ这一指标来说，影响最大的是因 素 Ａ，第２ 水平最优；影响第二大的是因素 Ｃ，第３ 水 平最优；影响第三大的是因素 Ｂ，第 １ 水平最优。 综上所述，得到的优化参数组合如下 顶角最优水平为第 １ 水平 ７０； 口径最优水平为第 ３ 水平 ４５ ｍｍ； 壁厚最优水平为第 ２ 水平 １. ５ ｍｍ； 炸高最优水平为第 ２ 水平 １０ ｍｍ。 ２. ２ 结构优化后的聚能切割器射流形成过程数值 模拟 运用正交实验法筛选出最佳的实验方案，按照 其所对应的药型罩结构参数，运用数值模拟软件 ＡＮＳＹＳ/ ＬＳ-ＤＹＮＡ对其进行数值模拟计算，得到线 ８３ 爆 破 器 材 第 ４６ 卷第 ６ 期 表 ２ ４ 因素 ３ 水平正交表 Ｌ２７３１３ Ｔａｂ. ２ Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｔａｂｌｅ Ｌ２７３１３ ｏｆ ｆｏｕｒ ｆａｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｔｈｒｅｅ ｌｅｖｅｌｓ 实验号ＡＢ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ａ ＢＣ Ａ Ｃ Ｂ Ｄ Ａ Ｃ Ｂ Ｃ Ａ Ｄ ＤＡ ＤＢ ＣＢ ＤＣ Ｄ １＃１１１１１１１１１１１１１ ２＃１１１１２２２２２２２２２ ３＃１１１１３３３３３３３３３ ４＃１２２２１１１２２２３３３ ５＃１２２２２２２３３３１１１ ６＃１２２２３３３１１１２２２ ７＃１３３３１１１３３３２２２ ８＃１３３３２２２１１１３３３ ９＃１３３３３３３２２２１１１ １０＃２１２３１２３１２３１２３ １１＃２１２３２３１２３１２３１ １２＃２１２３３１２３１２３１２ １３＃２２３１１２３２３１３１２ １４＃２２３１２３１３１２１２３ １５＃２２３１３１２１２３２３１ １６＃２３１２１２３３１２２３１ １７＃２３１２２３１１２３３１２ １８＃２３１２３１２２３１１２３ １９＃３１３２１３２１３２１３２ ２０＃３１３２２１３２１３２１３ ２１＃３１３２３２１３２１３２１ ２２＃３２１３１３２２１３３２１ ２３＃３２１３２１３３２１１３２ ２４＃３２１３３２１１３２２１３ ２５＃３３２１１３２３２１２１３ ２６＃３３２１２１３１３２３２１ ２７＃３３２１３２１２１３１３２ 注表中 １、２、３ 表示各因素所对应的水平；Ａ Ｂ 表示因素 Ａ 与因素 Ｂ 的交互作用列。 表 ３ 模拟计算结果 Ｔａｂ. ３ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓｍｍ 实验号１＃２＃３＃４＃５＃６＃７＃８＃９＃ 侵彻深度２５. ０６２９. ５６２８. ９１２７. ８０２１. ７８２６. ４２２０. ４８３６. ２２２５. ７７ 实验号１０＃１１＃１２＃１３＃１４＃１５＃１６＃１７＃１８＃ 侵彻深度３０. ６４４３. ９７３６. ５０２７. ５６２５. １７３２. ５０３３. ０９２９. ２５２８. ２６ 实验号１９＃２０＃２１＃２２＃２３＃２４＃２５＃２６＃２７＃ 侵彻深度３２. ８０２９. ０５３６. ７５２２. ２５３５. ７３４２. ３７２５. ５１２７. １９２７. ６２ 表 ４ 射流侵彻钢板最大深度 Ｙｉ单指标极差分析 Ｔａｂ. ４ Ｓｉｎｇｌｅ ｉｎｄｅｘ ｒａｎｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｙｉｍｍ 因素 指标 Ｋ１Ｋ２Ｋ３ｋ１ｋ２ｋ３极差优方案 Ａ２３８. ３８２８６. ９４２７９. ２７２６. ４９３１. ８８３１. ０３５. ３９Ａ２ Ｂ２９３. ２４２６１. ５６２５３. ３９３２. ５８２９. ０６２８. １５４. ４３Ｂ１ Ｃ２４５. １９２７７. ９０２８５. １０２７. ２４３０. ８８３１. ６８４. ４４Ｃ３ Ｄ２６１. ３８２７３. ５１２７３. ３０２９. ０４３０. ３９３０. ３７１. ３５Ｄ２ 注Ｋｉｉ ＝１，２，３指的是实验中的各个因素在第 ｉ 水平所对应的指标值累加之和；ｋｉ为其平均值。 ９３２０１７ 年 １２ 月 线型聚能切割器结构参数优化设计及应用 龚文涛，等 ａ壁厚 ｃ口径 ｂ罩顶角 ｄ炸高 图 ３ 正交设计各指标的极差对比 Ｆｉｇ. ３ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｒａｎｇｅ 型切割器射流在不同典型时刻下的成型效果。 如图４所示是线型切割器射流成型的４个典型 时刻所对应的图像。图４ａ为ｔ ＝ ０ μｓ时的图像； 图４ｂ为ｔ ＝ １２ μｓ时的图像，此时射流已基本成 ａ ｔ ＝０ μｓ ｂ ｔ ＝１２ μｓ ｃ ｔ ＝１８ μｓ ｄ ｔ ＝７２ μｓ 图 ４ 不同时刻的射流形成并侵彻 钢板的模拟图像 Ｆｉｇ. ４ Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｊｅｔ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｉｎｔｏ ｓｔｅｅｌ ｐｌａｔｅ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｉｍｅｓ 型，射流头部速度最大，为 ３ ９８６ ｍ/ ｓ；图 ４ｃ为 ｔ ＝ １８ μｓ时的图像，此时射流从头部到尾部其速度依次 递减，头部速度最大，为 ３ ００６ ｍ/ ｓ，尾部速度最小， 为 ３８９ ｍ/ ｓ，形成断流；图 ４ｄ为 ｔ ＝ ７２ μｓ 时的图 像，此时射流虽未停止，但是头部的动能已经很小， 失去了对靶板的侵彻能力，相应的侵彻深度达到最 大值。 ３ 实验结果及分析 ３. １ 聚能切割器设计方案 利用以上正交法优化出的各项参数，并通过数 值模拟验证其可靠性后，设计如图 ５ 所示的切割器。 切割器主要由装药、壳体、药型罩、雷管导爆索、 连接栓以及磁性支脚组成。 其中，装药选择 Ｃ４ 炸 药，壳体选择铸铁，药型罩选用 ２. １ 优化后的一组参 数。 同时，为了完成数个切割器之间的组合，在切割 器下设计了一种连接栓，在底部支脚处安装数个小 型磁铁，使切割器可以很好地附着在切割目标上，达 到快速高效切割目标的目的。 ３. ２ 实验设置 如图６所示，将１２个长、宽、高分别为１０. ０、 ４. ５、５. ０ ｃｍ的切割器用固体胶连成一根长切割器， 采用紫铜药型罩，铁质外壳，将其放在钢靶板上方， ０４ 爆 破 器 材 第 ４６ 卷第 ６ 期 图 ５ 切割器设计示意图 Ｆｉｇ. ５ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｔｔｅｒ 图 ６ 实验设置 Ｆｉｇ. ６ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｅｔｔｉｎｇｓ 用一根导爆索贯穿于装药顶部，为了减少土壤对侵 彻效果的影响，将靶板置于宽 ２０ ｃｍ、深 ２０ ｃｍ 的壕 沟上，使线型切割器正处于壕沟之上，具体试验设置 参数见表 ５。 表 ５ 侵彻钢板实验设置参数 Ｔａｂ. ５ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｐｌａｔｅ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ 装药 种类 药型 罩顶 角/ 药型 罩壁 厚/ ｍｍ 炸高/ ｍｍ 钢板 厚度/ ｃｍ 钢板 强度/ ＭＰａ 钢板 宽/ ｃｍ 钢板 长/ ｃｍ Ｃ４７０１. ５１０２. ５１００５０１２０ ３. ３ 实验结果及分析 从图 ７ 可以明显地观察到，钢板在优化参数做 成的线型切割器下完全被切割成两块，效果明显。 通过仔细观察图 ７ 中的切割面，可以看出，由多个线 型切割器单元拼接形成的线型切割器达到的线型切 割效果，几乎可以相当于一整根长条状的切割器切 割形成的切割效果，形成的切口平整，完全满足精确 图 ７ 实验结果 Ｆｉｇ. ７ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ 爆炸切割的要求。 从图 ８ 的层裂与撕裂面可以看出，其上面部分 的钢靶板切割面上附着有一层比较均匀的紫铜，此 阶段钢靶板切割面是由线型聚能射流高温高速侵彻 而形成的；当射流继续侵彻，因为受到钢靶板的持续 阻碍，且一部分射流附着在侵彻口两侧的靶板上，所 以射流的能量逐渐削弱，线型射流头部速度逐渐减 小；当头部速度等于或小于射流尾部速度时，射流虽 然速度很大，但已经不足以侵彻钢靶板，但是由于之 前侵彻阶段靶板受到高速侵彻的撞击，使得靶板后 面产生层裂与撕裂的现象，此时，由于射流尾部速度 开始大于头部速度，射流的量开始叠加，当遇到层裂 或者撕裂的钢靶板时，射流开始堆积，所以在图 ８ 中 可以明显看出，层裂或撕裂处附着着不均匀的紫铜， 且出现明显的层次结构。 说明一半厚度的钢靶板是 被侵彻断裂的，另一半是由于射流侵彻时高速碰撞 出现的层裂及撕裂现象造成的。 通过此次实验分析表明，此线型切割器侵彻切 割一般规格钢靶板目标所形成的切割面平整有序。 因此，对于大多数钢靶板目标，此切割器完全可以达 到切断的目的。 图 ８ 线型聚能射流侵彻局部图 Ｆｉｇ. ８ Ｌｉｎｅａｒ ｓｈａｐｅｄ ｃｈａｒｇｅ ｊｅｔ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ４ 结论 １随着药型罩顶角的增大，射流头部速度减 小，头部宽度变大，有效长度变小；射流质量的积累 与药型罩母线长度有关，药型罩口径长度越长，质量 积累就越大，从而切割深度就越大。 ２炸高过小的情况下，射流来不及成型就已接 触到靶板，不能达到聚能效果；炸高过大时，射流断 裂严重，侵彻能力减弱，因此存在一个最佳炸高。 ３通过正交优化设计及实验研究结果验证，得 出药型罩材料采用紫铜，药型罩壁厚 １. ５ ｍｍ、顶角 ７０、口径４５ ｍｍ、炸高为１０ ｍｍ 时，切割器的切割性 能达到最优。 １４２０１７ 年 １２ 月 线型聚能切割器结构参数优化设计及应用 龚文涛，等 参 考 文 献 [１] 焦丽娟，刘天生. 关于楔形罩的初步研究[Ｊ]. 华北工 学院学报，２００１，２２１７０-７３. 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