被覆水对聚能爆破切割器切割效果的影响＊

2011-12-07邢春洪龚建华乔晓辉

弹箭与制导学报 2011年4期

邢春洪，龚建华，乔晓辉，李慧

（特种警察学院，北京102211）

0 引言

聚能爆破切割器作为砖结构建筑物、防盗门、车辆箱体以及飞机舱体等聚能定向破拆的主要工具，为作战队员快速突入封闭空间、解救被劫持人质提供了装备上的保障[1]。但是，由于普通聚能爆破切割器爆破切割时，因聚酯橡胶被覆层燃烧后产生的有害气体多、灰尘大、噪声大、爆破作业所需安全半径大等突出问题，爆破完成后，作战队员需要在较远距离上占领攻击发起位置，并需要等待一定的时间才能突入，这容易造成作战时机上的延误。为解决上述问题，采用被覆水的方式，不仅可产生填塞爆破效果，大大减少切割索的装药量；而且，爆炸形成的水雾，可吸收大量的灰尘。同时，被覆水聚能爆破切割器因为无聚酯橡胶的燃烧等原因，产生的有害气体明显减少。

为分析被覆水对聚能爆破切割器爆破切割效果的影响，利用LS－DYNA仿真软件，建立无被覆水和有被覆水聚能爆破切割器的二维有限元模型，对其爆破后金属射流的速度和动能进行对比分析。

1 被覆水聚能爆破切割器结构

被覆水聚能爆破切割器主要由切割索、支架、水袋和填充水等组成。依据不同的爆破目标选择不同装药量的切割索；支架利用复合工程材料制成，水袋由粘结性良好、耐老化、耐酸碱的纤维布制成；水袋上设计有两个进水孔和一个排气孔。其结构如图1所示。

图1 被覆水聚能爆破切割器结构

2 被覆水聚能爆破切割器仿真模型

因为被覆水聚能爆破切割器的线性聚能装药结构具有平面对称的特点，在线起爆方式的前提下，其模型可以转化为二维平面应变模型，计算模型中使用的起爆方式即转化为点起爆方式，所以直接建立二维模型进行计算。

模型使用SOLID162二维实体单元进行划分，对于炸药和金属罩由于其形状规整，直接采用映射网格划分，而空气层和被覆水层由于形状的不规则性，采用自由网格划分[2]。

由于水袋和支架的强度对爆破效果的影响很小，在忽略其对爆破效果影响的情况下，被覆水聚能爆破切割器的二维仿真模型主要由4部分组成，即空气层、水层、炸药层和金属罩层，各材质的状态方程见表1[3]。

表1 各材质的材料模型和状态方程

无被覆水和有被覆水的聚能爆破切割器网格划分如图2和图3所示。

图2 无被覆水的聚能爆破切割器网格划分模型

图3 有被覆水的聚能爆破切割器网格划分模型

3 数值仿真结果和分析

3.1 数值仿真结果

依据各材质的材料模型和状态方程，修改K文件，增加金属罩自适应网格划分功能；定义空气和水、水和炸药、炸药和金属罩之间的接触算法；定义金属罩变形时自身的接触；添加用于自适应网格划分控制的＊CONTROL＿ADAPTIVE关键字；添加接触刚度控制的＊CONTROL＿CONTACT关键字；添加设置起爆点的＊INITIAL＿DETONATION关键字。分别对有、无被覆水聚能爆破切割器的模型进行仿真，其结果如图4～图9所示。

图4 无被覆水的聚能切割器射流形成过程

图5 无被覆水的聚能爆破切割器金属罩顶点速度变化过程

图6 无被覆水的聚能切割爆破器金属罩动能变化过程

图7 被覆水聚能爆破切割器射流形成过程

图8 被覆水聚能爆破切割器金属罩顶点速度变化过程

图9 被覆水聚能爆破切割器金属罩动能变化过程

3.2 结果分析

从图4～图9可以看出，未安装被覆水前，金属射流首次达到最高速度的时间约为5μs，速度达到780m／s；安装被覆水后，达到最高速度的时间约为17.5μs，比原来有了一定的延迟，其速度最高达到1050m／s，比原来提高了34.6%。但是，金属罩的最大动能却由原来的26.5kJ，降低为改进后的22.5kJ，比原来降低了15.1%。

分析其原因，被覆水聚能爆破切割器的金属射流速度的提高，是由于被覆水在炸药爆炸过程中形成了堵塞效果，延长了炸药爆轰对金属射流的作用时间；而金属罩动能的下降也是因为被覆水对金属罩的堵塞作用，阻碍了金属罩两边速度的快速增加，该作用效果的另一方面就是金属罩的汽化更加充分，破片飞散的速度、距离和飞散面积减小。