带壳切割索应用研究

山西中北大学机械与动力工程学院　徐斌

带壳切割索应用研究

山西中北大学机械与动力工程学院徐斌

切割索广泛应用于钢板等的快速切割任务中，分为有壳体、无壳体两种。理论分析认为带壳体情况类似于双侧平板装药，可减小稀疏波侵入，提高金属板微元的运动速度。通过AUTODYN-2D计算机仿真方法对无壳体、有壳体切割索进行了对比仿真，验证理论模型的正确性，对切割索的研制具有指导意义。

切割索；壳体；射流刀

引言

线型聚能切割器（LSC）可以应用于各种钢制结构的快速破拆［1、2］，切割断面整齐，具有效率高、经济效益好等优势。在应用领域切割索一般分为有壳体和无壳体两种（图1），本文应用数值仿真算法分析爆轰波阵面的传播形式以及对药型罩的作用方式，确定有壳体切割索结构具备更好的射流形态和更好的侵彻能力。

图1　无壳和有壳结构切割索截面图

1数学模型与仿真模型

1.1数学模型

在考虑单侧平板装药的情况下，平板金属初速度公式如（1）所示，与两板对称情况下的金属板初速度公式（2）比较［3］，后者具有更大的初速度。

1.2仿真模型

采用AUTODYN-2D作为建模软件［4］，应用Euler方法建立空气装药和LSC模型，多次调整网格尺寸，以0.7比例缩减网格尺寸，直到网格尺寸变化对射流速度偏差低于10%为止，最后选定0.05mm尺寸网格。空气采用Gruneisen状态方程（3），装药采用JWL状态方程（4），装药结构采用Steinberg本构方程（5）和Gruneisen状态方程。仿真计算对空气边界设置所有物质流出边界flow-out，模拟无限空气域，建立有限差分网格如图2所示。

表1　装药C-J参数和JWL状态方程参数

在Steinberg本构方程中，剪切模量G随着压力增加而增加，随温度升高而降低，当达到材料的融化温度时，二值都为零，公式（5）为剪切模量G在融化前与内能、压力和比容之间的关系。

公式中G0、b、h、f为试验确定的材料常数，p为压力，v为比容，ec为冷压缩能，em为熔化能量，ei为比内能，R为普适气体常数，ρ为密度，A为摩尔质量，Rρ/A=R1。

图2为模型药型罩部分计算网格。在药结构口径处设置固定测速高斯点对射流各微元测速。

图2　药型罩网格及测速点设置

2仿真结果

无壳体时，爆轰产物扩散速度快，稀疏波在C-J面侧方迅速追赶，有效降低了爆轰能量。如图3所示，左侧为无壳体装药射流形成情况，右侧为有壳体装药射流形成情况。应力云图表示压力分布，射流为最终稳定时的形态，可以观察左侧射流直径较小，断裂时间早，射流微元段数量比较多，右侧有壳体装药结构射流拉伸长度稍短，射流体积较大，中间“翼”状结构基本消失，微元数量较少。

图3两种装药形成射流的压力与形态

图4为固定高斯测速点测量射流各个微元的速度变化情况。

图4　两种装药形成射流的速度

有壳体速度峰值比无壳体高出220 m/s。可知在对破片飞散并不十分敏感的应用条件下，切割索加壳可以有效改善射流速度和形态，提高射流切割能力。

3结论

通过理论分析和仿真实验验证，表明采用有壳体装药结构比无壳体装药结构形成射流速度更高，射流形态更好，最终能提高射流侵彻能力，为线型切割索切割各类材质板的设计制造及应用提供理论指导与技术支持。

［1］曾新吾，薛鸿陆.线型聚能装药的理论研究［J］.爆炸与冲击，1988.Vol.8 NO.2.P97～106.

［2］崔军.聚能射流对靶板侵彻的数值仿真［J］.兵工自动化，2010.Vol.29 NO.1.P24～26.

［3］隋树元，王树山.终点效应学［M］.国防工业出版社，2000. ISSN：7-118-02200-4.中图分类号：TJ012.4.