半正方形罩线型切割器的数值模拟研究.pdf

2 0 1 1 年4 月} z 女* } 线■切目器∞数值模拟“ 究姚女华等 半正方形罩线型切割器的数值模拟研究 姚志华∞王志军。付璐。椽昊o ①中北大学机电工程学院 山西太原，0 3 0 0 5 1 空军场务技术试验中心 东济宁，2 7 2 0 0 0 [ 摘i ] 半Ⅲ方形药女罩也可H 看作两个楔角帅。楔形药 罩相对排“在一起i 演化m ∞一 线女R 能装药 结构。应用I s D Y N A 非线性有限元软件完戚T 爆炸载荷T 半Ⅲj 形i 线＆∞自 形成射流a 程的数值模拟。 结％表明，半正方形罩鳗性切割 能形成№片状扇形 能射流．半f 方形罩线女切割* * 戚射流存在一个初始 射流二次汇聚的过程二攻忙聚形成的射流速度m 一趺￡聚射流建度提高了3 3 ％m 上；半Z 方形罩线型切割器形 成射魂速度要明＆高于普通线■切割％；陆药Ⅻ罩4 度的增加，半t 方形罩线女切割* 形成N 流建度降低。 [ 关键词】线聚能装药半t 方形罩 射流数值模拟 【分娄号 Ⅱ4 1 03 t Ⅱ1 03 引言 线型成型装药是聚能装药的一种。线型成型装 药起爆后．金属罩在爆轰产物作用下，形成高速的平 面金属射流切割刀．实现对目标的切割．放叉称为聚 能切割器w 。线型聚能装药的定向切割能力在工 程爆破中应用根广，例如在野外切割钢板、钢粱；在 水下切割构件．如打捞沉船时切割船体等“1 。影响 线型聚能装药切割效果的因素有很多，药型罩的形 状是其影响因素之中较显著者。楔型罩和圆型罩是 线型切割器的两种常用的药型罩结构”，。本文设 计了一种与上述线型切割器结构不同的半正方形罩 线型切割器，该线型切割器药型罩截面为半正方形。 主要利用I S D Y N A 软件对半正方形罩线型切割器 的射流成型过程进行数值模拟，分析了其成型过程 和药型罩厚度对射流成型的影响。 1 半正方形罩线型切割器结构殛几何模型 11 半正方形药型罩结构 半正方形罩线性切害9 器结构方案简周如图1 所 示．其主要结构参数有7 个．即药型罩长 、宽a 、高 5 、药型罩厚d 、装药长L 、宽A 、高口。半正方形药型 罩也可以看作两个楔角9 0 。楔形药型罩排列在一起 而演化成的一种线型聚能装药结构。当炸药从装药 顶端两棱中点起爆后，形成两个球形爆轰波。爆轰 波一面在横截面方向传播，一面沿棱方向传播。在 横截面方向，爆轰作用使半正方形药型罩的上顶面 从两端向中间逐渐压垮，而两侧面则从上向下逐渐 压垮，导致药型罩在两对角线平面上分别形成两股 片状初始射拼c 。当砰股初始射流到达药型罩中心平 面时．这两股初始射流开始沿药型罩中心平面进行 二次汇聚，在沿棱方向上．药型罩由中心向两端逐 渐压垮。结果形成了一股片状扇形聚能切割刀。 匡i 酶五 圈I线型切割器结构简图 12 几何模型的建立 根据翻1 线型切割器的结构简图，建立如图2 所示的线型切割器结构几何模型和田3 所示整体结 构的几何模型。本文所采用的结构参数为药型罩 长￡ 1 5 00 m m 、宽⋯5 00 m m 、高6 2 5O m m 、药 型罩厚d 20 m m 、装药长L 1 5 00 m m 、宽 1 3 0O n 吼、高B 6 75 一。考虑到工程上应用方 便，本结构采用装药顶端两棱中心点起爆。 圈2 线女切割器结构几何模型 * 日Ⅻ2 0 1 0 4 I1 5 镕女∞* { 々 1 9 8 4 一 ．目．＆* ．∞m I ⅨⅣ．ⅢE A 自* * * 】l ＆ 。E - n m i l 3 6 4 1 2 4 “3 q q 。㈨ 万方数据 爆破器材K x d o 虬v eM m e n d 8第4 0 卷第2 期 目3镕体结柯几何楼女 2 数值模拟 2 1 计算模型 工程上进行聚能装药的研究，均采用理论分析、 数值模拟和试验研究相结合的方式进行”J 。对于 所述的半正方形线型切割器，由于其成型机理尚不 清楚．通过数值模拟方法进行研究，可以减少成本、 节约设计时间。所以选用1 5 一D Y N A 三维动力学仿 真软件对半正方形线型切割器形成射流的过程进行 数值模拟。 运用1 h 印d 前处理软件进行网格划分，建立 如图4 所示的半正方形罩线型切割器的有限元模 型。由于该结构为平面对称结构，所以有限元模型 采用1 ／4 结构划分舟格，以减少模型单元数日．减少 计算时间。为简化计算，模型中不考虑壳体影响，仅 考虑药型罩、炸药和空气，选用多物质流欧拉算法来 模拟半正方形铜质药型罩射流的形成过程。网格单 元选用舯1 1 d 1 6 4 八节点六面体单元．有限元横型包 括6 4 8 7 2 0 个节点、6 2 4 4 1 6 个单元。药型罩采用t M A T J O H R S O N C O O K 材料模型和G R U N E I S E N 状 态方程，炸药采用M A T H I G H E X P L O S I V E B U R N 材料模型、J W L 状态方程．空气材料采用* M A T _ N U L L 材料模型和E O S L I N E A R P O I X N O M I A L 状态方程。药型罩、炸药生气材料参数值见文 献[ 5 ] 。使用的单位制为一m sk E ，O P a 。 日4 * R 兀棋女 22 数值模拟结果殛分析 半正方形药型罩形戚射流过程如图5 所示。 从计算结果可以看出药型罩开始压垮、初始射 流形成、初始射流二次汇聚以及汇聚射流拉长，最后 出现体缩断裂时的射流形态。由圉5 可知，半正方 形线型切割器的药型罩在爆炸载荷作用下的形成射 流过程可以分为炸药爆轰、药型罩糟两对角线平面 逐渐压垮形成初始射流、初始射流沿中心平面进行 二次忙聚、汇聚后的射漉拉长、最后断裂等几十阶 段。 由图5 中心剖面处速度云图圈5 a 及整体射 菥c 速度云图图5 b 可知。￡ 6 “s 时爆轰渡到达药 型罩，开始对药型罩进行压垮。￡ 1 4 i t s 时药型罩 上顶面和两侧面沿两对角线平面方向压垮，初始射 流开始形成。I 1 8 岫时两股初始射流沿中心平 面进行二次汇聚．线型聚能射流开始形成。t P A I J - S 时汇聚射流拉长，片状扇形切割刀形成。I 3 8 岫时射流开始断裂。 由于线型聚能结构具有面对称特点．在装药顶 厂1 同礴Y ，T 、 ～ 心奄◇ 6 m1 4 p sI B Ⅲ2 4 m3 8 p s O 镕 m m 4 ＆i 目 图5 线g 切目形成射流的建度i 圈 万方数据 2 0 11 年4 月 半正方形罩线型切割器的数值模拟研究姚志华等 端两棱中心点起爆条件下，两个球形爆轰波同时作 用在药型罩上。由于爆轰波首先到达药型罩对称中 心，所以在药型罩对称中心截面上首先形成初始射 流，并且首先进行二次汇聚，然后逐渐向两端发展形 成扇形切割刀。 通过以上分析可以知道，在本文结构参数条件 下，半正方形罩线型切割器可以形成线型聚能射流， 而且与普通的楔型罩和圆型罩的线型切割器形成线 性射流过程不同的是，其形成射流过程存在一个初 始射流二次汇聚的过程。 同时仿真结果也表明，药型罩厚度对初始射流 和二次汇聚形成射流的速度影响较大，见表l 所示。 表1不同壁厚药型罩形成射流的速度 壁厚d ／n l l n 1 ．5 4 5 3 7 6 2 1 6 1 ．3 7 2 ．0 4 2 0 8 5 5 9 4 1 ．3 3 2 ．5 3 6 7 6 4 9 2 8 1 ．3 4 初始射流速度v l ／ m s d 汇聚射流速度v 2 ／ m - S 一 ％／t J l 从表1 可以知道，形成初始射流和二次汇聚形 成线型聚能射流的速度都随药型罩壁厚的增加而减 小。通过二次汇聚形成的射流速度比一次汇聚射流 速度提高了3 3 ％以上。 同时，与普通线型切割器形成扇形片流速度 约为5 0 0 0 m ／s [ 2 j 相比，速度提高明显。 3 结论 1 数值模拟结果表明，半正方形罩线型切割 器能够按照预期设想形成线性聚能射流切割刀。 2 半正方形罩线型切割器形成射流过程与普 通楔型罩和圆型罩的线型切割器形成射流过程不同 的是，存在一个初始射流二次汇聚的过程。经二次 汇聚的射流速度提高明显，二次汇聚形成的射流速 度比一次汇聚射流速度提高了3 3 ％以上。而且半 正方形罩线型切割器形成射流速度要明显高于普通 线型切割器。 3 药型罩厚度对二次汇聚射流速度影响较 大，随药型罩厚度的增加，线型切割器形成射流速 度降低。 4 由于条件所限，本文没有对装药特性、起爆 方式、有无壳体等情况进行数值模拟，也没有做试验 进行验证，这些都是需要在以后做进一步的研究。 参考文献 [ 1 ] A ．C ．R o b i n s o n ，M ．G ．V i g i l ．A na n a l y t i c a l - e x p e r i m e n t a l c o m p a r i s o no f1 5 0a n d2 2 0g r a i np e rf o o tl i n e rs h a p e d c h a r g ep e r f o r m a n c e [ R ] ．D E 8 7 - 0 1 4 2 1 7 ，1 9 8 7 ． [ 2 ] 焦丽娟，刘天生．关于楔形罩的初步研究[ J ] ．华北工 学院学报，2 0 0 1 ，2 2 1 7 0 - 7 4 ． [ 3 ] 王尹军，颜事龙，胡坤伦．线型聚能装药的圆型罩和楔 形罩之比较[ J ] ．煤矿爆破，2 0 0 1 4 3 - 6 ． [ 4 ] 王志军，吴国东．一种新型星锥状药型罩形成射流的 数值模拟[ J ] ．兵工学报，2 0 0 7 ，2 8 1 1 1 3 9 7 1 4 0 0 ． [ 5 ] 何洋扬，龙源，张鹏军，等．圆锥、球缺组合战斗部空气 中成型技术数值模拟研究[ J ] ．火工品，2 0 0 8 4 3 3 - 3 7 ． N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fL i n e a rC u t t e r 、订t hS e m i - s q u a r eL i n e r Y A OZ h i h u a ∞。W A N GZ h l j u n ①。F UL u ①，X UH a o 重 s c h o o lo fM e e h a t r o n l cE n g i n e e r i n g 。N o r t hU n i v e r s i t yo fC h i n a S h a n x iT a i y u a n ，0 3 0 0 5 1 窑 A i r f e i l dT e c h n o l o g yT e s tC e n t e ro fA i r f o r c e S h a n d o n gJ i ’n i n g ，2 7 2 0 0 0 [ A B S T R A C T ] As e m i s q u a r el i n e rs h a p e dc h a r g ec u r e ri sas h a p ec h a r g eb yc h a n g i n gc h a r g es t r u c t u r eb a s e do nt w o c u n e i f o r ml i n e r s ．T h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eI ．S D Y N AW a Sa p p l i e dt oc o m p l e t et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h e s e m i - s q u a r el i n e rs h a p e dc h a r g ec u r e ru n d e re x p l o s i o nl o a d ．T h er e s u l ts h o w st h a tt h es e m i - s q u a r el i n e rs h a p e dc h a r g e c u r e rc a nf o r mj e t ．T h ej e ts o f o r m e dc o n t a i ma ni n i t i a lp r o c e s so fg a t h e r i n gt h es e c o n dj e t ，o fw h i c ht h ev e l o c i t yh a S i n c r e a s e db y3 3 ％o rm o r et h a nt h ef i r s tj e tv e l o c i t y ．T h ej e tv d o c i t yo fl i n e a rc u t t e rw i t hs e m i - s q u a r el i n e ri ss i g n i f i c a n t l y h i g h e rt h a nt h a to ft h eo r d i n a r yl i n e a rc u r e r ，a n dt h ej e tv e l o c i t yf o r m e dw i l ld e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a S eo fl i n e rt h i c k n e s s ． [ K E YW O R D S ] l i n e rs h a p e dc h a r g ec u t t e r ，s e m i s q u a r el i n e r ，j e t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 上接第1 0 页 T h eS t u d yo fS e n s i t i v i t yT e s t i n gM e t h o d so fC i V 丑E x p l o s i v e s X I EL i f e n g ，H A NZ h i w e i ，W A N GH a i y a n g ，C H E NJ i y a n g S c h o o lo fC h e m i c a le n g i n e e r i n g ，N a n j i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y N a n j i n g ，J i a n g s u ，2 1 0 0 9 4 [ A B S T R A C T ] I nt h ec o n v e n t i o n a ls e n s i t i v i t yt e s t i n gm e t h o d sf o rc i v i le x p l o s i v e s ，t h ee x p l o s i v es a m p l ei st e s t e da t r c g t t l a rs t i m u l u sl e v e lf o rr e g u l a rt i m e s ．I ft h ee x p l o s i v es a m p l ei sn o tr e a c t e do rn o ts t i m u l a t e d ，t h e nt h ee x p l o s i v et e s t e di s r e g a r d e da Sq u a l i f i e d ，o ro t h e r w i s ei t i su n q u a l i f i e d ．I nt h i sp a p e r ，t h es e n s i t i v i t yt e s t i n gm e t h o d so fc i v i le x p l o s i v e s 啪 s t u d i e di nd e t a i l ，a n dt h eg a Ss a f e t yo fe o a l m i n ee x p l o s i v ei st a k e na Sa l le x a m p l e ．I ti sf o u n dt h a tt h ec o n v e n t i o n a lt e s t i n g m e t h o do f f 0 ／5i su n r e l i a b l ea n du n s c i e n t i f i cw h i l et h a to ft h eh a l fr e a c t i o na m o u n ti sr e a s o n a b l e ． [ K E YW O R D S ] e x p l o s i v e s ，s e n s i t i v i t y ，t u n n e lt e s t i n g ，h a l fr e a c t i o na m o u n t ，i d e n t i f y i n gr a t i o 万方数据