一种新型水射流切割器成型的仿真研究.pdf

2 0 1 1 年4 月一种新■水射施切割 成■的仿真研究张世林等 一种新型水射流切割器成型的仿真研究 张世林周誊社王矗军 申北大学机电工程学院 西太原，0 3 0 0 5 黄德而 中国人民解放军9 5 8 7 4 部队 江苏南京，2 1 0 0 2 2 [ 捕g ] 提女一种新目∞ * i 结构．t ≈ * * { ≈t ．a 过改变镕目 材 m 演化成白勺一种 * 装药结构。利用A N S Y S ／I S D Y N A 软件完成T 爆炸载荷T 的水射流成型的数值模拟。研究结果表明新型排爆装 I 能够宴Ⅸ一股高水m ．形如”月锋”．W “为实m 高速水射巍研究提供一种新的进掸。 【关键月] 敷值模拟高4 木柬二次E 辈爆炸物处理切剖 [ 丹粪号] T J 4 1 03 0 3 9 9 引言 发现爆炸物以后如何肘爆炸物进行处置．是人 们首先关注的问题之一。近年来随着水射流切割 W a t e r j e tC u t t i n g 1 1 1 叉称水刀、水射流技术的成熟， 水射流切割这一技术逐渐被应用到排爆领域。然而 这种技术的关键设备是增压系统，它是集机械、电 子、计算机、t l 动控制技术于一体的高新技术．所以 导致其成本过高，不能普遍应用于排爆领域。本文 针对如何快速、简单地处理这些爆炸装置提出了一 种新结构，见图I 。利用炸药的聚能效应，将传统的 药型罩换成液体水．当炸药被引爆后．形成一强爆轰 波。水被爆轰渡加速后，形成一股高速水柬，类似 “刀锋”1 “，可以摧毁爆炸装置等。 1 排螺装置结构 该装置由炸药、容器和水组成。水容器成等壁 厚楔形状，材料选用尼龙。图1 是该新型排爆装置 的结构简图 俯视图 ，该排爆装置的整体几何模型 如图2 所示。它是在楔形药形罩的基础上．通过改 变装药结构和添加水介质而演化出来的一种用于排 爆切割领域的新结构装置。当炸药起撮后，爆轰作 用使得嫩沿对角线平面压垮形成初蛤水流。同时两 般初始水流沿中心对称平面汇聚完成第二次碰撞． 图l 新Ⅲ排爆装i 结构简图 形成二次水射流。模型结 构的参数为容器楔角a 6 0 。。药柱长度口 1 0 0 m m ．宽度L 5 0 r a m ， 容器内腔厚度日 5 m m ， 容器厚h 15 m m ．容器 高度为1 0 0 一。 图2 整体几触女 2 二次水射流形成机理 二次碰撞点附近的图形如图3 所示。设一次碰 撞后形成的一次水射流的射流质量为m ．，水射流速 度为％；设二状碰撞后形成的二次水射流的射流质 量为眠．射流速度为％杵体质量为m ．，杵体速度为 q ．一次射流与轴线的夹角为f ，由于二次碰撞时碰 撞点静止不动，故可在静坐标系下进行分析。根据 流体力学，定常理想不可压缩流体可用伯努利方 程u 1 描述，即流体各处的压力和单位体积动能的总 和为常数，对于一次射拼c 中的P 点和二扶柞体中的 圈3 水射沌形成的定常流动模型 0 点．可得 i 1 日2 m i 1 M a I 式中p 一和P o 流体中P 点和口点的静压力； p 水流密度。 * 日Ⅻ2 0 1 01 1 m * 者∞n t * m 1 9 ％一】．月，ⅢR 。“ ％ 自* * 忻 。E - 叫1d3 1 0 衄c 啪 葡 万方数据 爆破 HE x p l * i v * M a t e r i a ] s 第4 0 卷第2 期 取P 点和口点离碰撞点F 很远，则静压力和周 围气体压力相等．因此可得“ ％若所取点位为 一敬水射流中一点和二吠水射流中一点．同理可得 q ％，所以可得”． “ ， ”．。由质量守恒定律有⋯ “5 m - ”l -L zJ 由轴线方向的动最守恒定律有 叶q c o 畸。“J ”J m ．q 即 ％o o n 一． 3 联立上式解得 q 一，一2 勤，m ． “ t f 釉 可知二次碰撞后．水射流速度保持不变，但射流 质量较常规装药增加，在一定的速度梯度下可形成 较长的连续射流；另外，二次碰撞使得有断裂趋势的 射流重新连接，可增加射流长度，进一步提高射流的 动态性能，从而产生良好的后效作用。 3 数值模拟 3 1 计算模型 工程上进行聚能装药切割装置研究．均采用理 论分析、效值模拟和试验研究相结台的方式进行。 聚能射流形成过程的数值模拟基于质量、动量和能 量守恒以及对材料动态力学行为的适当描述而构成 的力学方程组．通常采用有限差分或有限元求 解”1 。本文采用岱- D Y N A 三维动力学分析软件对 该排爆装置水柬成型过程进行数值模拟，模型中炸 药、容器、水、空气均采用E u l e r 单元．单元使用多物 质A L E 单元算法。有限元罔格划分采用T m e E 丌 I 前处理软件。网格单元均采用舯1 i d l 6 4 八节点六面 体单元。炸药采用H I G H - E X P L O S I V EB U R N 材料 模型和J W L 状态方程来描述，容器使用M A T E - L a ．S T I C P I ．A S T I C H Y D R O 材料模型和G m n e i s e n 状 态方碰束描述．空气和水采用N U L L 材料模型和 C m n e l s e n 状态方程来描述，其数值见文献[ 5 ] 计算 中采用的单位制为m m - k g - m 8G P a 。图4 所示为有 限元计算模型图。 I r ● ．．．．．．一 图4体d m 元模■ 32 数值模拟结果 圉5 所示为爆炸载荷下的高速水流的成型过 程。由图5 可知，盛装在楔形容器中的水在爆炸载 荷作用下的变形过程可以分为炸药爆轰、水沿对角 线平面压垮形成初始水流、两般初始水流卅中心对 称平面汇聚、水流拉长等几个阶段。 IIII n L ．‘一 匕[ 卫] 目5水束成』d 由图5 可以看出，主装药起爆后．在f 4 H S 时， 爆轰波以某一速度扫过贴若炸药一侧的容器壁面． 使水受到炸药爆轰压力和爆轰产物的冲击和推动作 甩．开始被匝垮、变形．形成两瞍刀锋状初始水莒i c 并 沿着各自的对角线平面向前高速运动；在f _ 2 0 V t s 时，两股初始水折【沿吝器对称平面汇聚．最终形成一 股高速水流，在‘ 3 0 “s 时，水流已经沿着对称平面 拉长了一定长度．在‘ 4 2 “s 时，两股韧始水流形成 的杵体开始出现断裂，此时水漉头部加速度已经趋 近于零；由于水流前后部分存在速度梯度，导致其在 运动过程中不断拉k ；在t M p ．z 时．水流头部开始 拉生颈缩。在扛5 5 舭时，水流已经开始出现明显的 断裂痕迹。f - 5 5 W s 时的水流的晟终形态 俯视图 如图6 所示，“刀片”长度约为8 44m m ．“刀刃”厚 度约为39 4 肺n 。圈7 是其在此时刻沿对称平面方 向的速度梯度云图。可以看出双楔形水结构形成的 射流速度梯度变化比普通单楔形水结构形成的射流 大，说明双楔形结悔形成的水射流拉伸的程度比单 楔形形成的水射流太，从而增长拉仲长度，增大割坷 深度。同时．二次汇聚形成的杵体也不断向对稚平 面汇聚，提高T - - - 次柞体的} 惘率，进而产生良好的 后效作用。根据文献[ 6 ] 连续冲击压力公式 P F ／* ∥ ⋯’c n 啦 4 式中p 一水流密度； ＼ ， 目6 f 5 5 u s 时的水流的形态 万方数据 2 0 1 1 4 月一 * ■ * ％日“ 戚女∞仿真研究} 世林等 戮姻 同时推动更多质量的水做功，单位质量的水获得的 能量减少．从而导致其速度不断减小。 4 结论 通过数值模拟表明，该结构设计是可行的，能够 按照预先方案在爆炸载荷作用下形成一股高速水射 流。射流速度与容器厚度密切相关，可以得出两点 结论 I 与普通单楔形盛水结构形成射流过程相 比．双楔形盛永结构形成射流过程存在一个初始射 流再次汇聚的过程。通过分析可知．二次汇聚后，射 流质量较常规装药增加，从而提高了射流的动态性 能．并且提高杵休的利用率．产生良好的后效作用， 可以降低爆炸物的处理成本。 2 容器内腔厚度对二次汇聚射流速度的影响 较大。数值模拟表明，随着内腔厚度的增加，水流速 度不断减小．从而降低了排除爆炸物及切割材料的 效果，因此需要在今后设计时加以重视。 参考文献 [ 1 ] 达明艳高压水射漉切割技术综述[ J 】中国科技博 览，2 0 ∞ 2 2 1 4 1 [ 2 】H e a l h e rC l a r kh | l d i 8L 山d e d e eM mUSt 啪∞i n A ％h “ 1 咖nd i s a b l ei m p m v i s e d p l ∞i v ed e v I c ∞[ E B ／ O L ] 2 0 1 0 4 3 9 - 1 0 [ 2 0 1 0 - l O 瑚】h t t p 6 ／／s h a ms Ⅻd i a 目”／n e 州一Ⅲ耐帆融e ∞e e c f l m d b h d e - d B “k - ⋯- I o Ⅲ [ 3 】北京I 业学院八系爆炸厦其作用 下 [ M 】北京国 防I n 出版牡，t 9 7 9 8 4 1 2 3 [ 4 ] I 志军，昱国东一种新型星锥状葑女罩形成射流的 散值模拟[ J ] 兵I 学报．2 0 0 7 ，2 8 I I 1 3 9 7 - 1 4 0 0 【5 ] 李裕春，时党勇，赵远A N S Y S1 1o ／岱- D Y N A 基础理 论与I 程实践[ M ] 北京中国水利水电m Ⅸ杜． 2 0 0 8 ．4 1 6 4 3 3 [ 6 ] 何远航．李海军，张庆明高速水射流与凝聚炸药相i 作月的数值模拟【J ] 高压物理学报，2 0 0 5 ，1 9 { 2 1 7 0 - 1 7 3 S i m u l a t i o na n d R e s e a r c ho n W a t e rJ e tF o r m a t i o no f i tN e w T y p e M o l d i n g C u t t e r Z H A N GS h i l i n 。Z H O UC h u n g I l i ，W A N GZ h i j 【J 玎 S c h o o lo f M e e h a t m n i cE n n “n g ，N o r t hU n i i t yo f C h i n a S h Ⅱx iT a i y u 口，0 3 0 0 5 [ I I U A N G ‰ N o9 5 8 7 4T r o o p s d t h eP L A d c h m J l 邺wN 叫i n t ；，2 1 0 0 2 2 [ A B S T R A C T ]A ⋯～o fe u l t [ n gE O Dd e v l e e 州”p 刊，w h i c h ⋯s [ m p ec h a l 口6b y 。h 叩E t h e ⋯- h l R d ⋯n 且】5h s do nl h ew e d 口- , h u v l l 帕A R S Y S ／I S D Y N A ∞n ⋯a p p U d ”eo z I l p l e t et h en n e a l a l m u h t i o no f t h e ⅦI e rb f o x i n g 。J n d 日ⅡD l ⋯e l o a dS t u d yr * m 1 5s h o w S t a r t h e ⋯⋯a c h i e v eb o f h i d ⋯s p e e d r f l o ws h a p e d ∞ah h d e ，p ”v i d l n g8n e we f f e c t i “ c l ⋯ 【K E y W O R D S ] n u 眦f i e a ls i m u l a t i o n ．h i g h - 5 p 刊w a 时J d ，s b p dc h a r g e ．E O D ．c n n l n g 万方数据