磁性爆破切割装置研究

赵 波，詹发民，王 涛

(海军潜艇学院防险救生系，山东 青岛 266420)

特种作战行动中如对港内舰船、对近岸输油管道、对滩头钢架障碍物等铁质金属目标的爆破，都需要使用爆破器材对破坏目标进行固定爆破［1］。目前，常规的爆破装药对于大型舰船的爆破，存在装药量大、破坏效果差、针对性不强、固定困难等缺点。因此，为了满足未来战争的需要，研制和开发新型爆破器材，对于提高特种部队爆破作战行动能力具有重要的现实意义。

基于此，拟研制一种磁性爆破切割装置，采用环形线性聚能装药，用于对舰船水下壳体大尺寸孔洞切割。

1 磁性吸附体设计原理

磁性吸附体是利用永磁体产生的强大磁能，与铁质金属间形成闭合的磁场，从而产生吸附力，达到装药与目标固定的目的。传统的磁性吸附装置，如国产某型破障器，其吸引力达到500 N，但对吸附有海洋生物的钢轨，磁铁面就难以直接吸附，需要松紧带、尼龙搭扣的辅助才能将爆破器材固定在钢轨上。针对传统装置在一定间隙情况下磁力不足，携行使用不便等问题，对装置磁路进行改进设计。

1.1 磁路类型

选用永磁体做为磁源，与电磁体相比永磁体吸附力的维持不需要外加能量，也不会因控制部件发生故障而脱离壁面，稳定性更高。磁路设计采用可调式磁路类型，如图1所示，该装置由永磁体、轭铁、磁路旋转开关组成。钕铁硼材料具有较大磁能积(BH)max、磁感矫顽力Hc与较高的剩磁Br，能够在一定的空间内(工作间隙)提供足够强的磁场，所以选择钕铁硼N35作为永磁体材料，同时选择低碳钢作为轭铁材料，铜作为隔磁材料［2］。使用时通过旋转磁路开关，即改变磁力线的通路，使气隙磁路内的磁场发生改变，实现对金属目标的固定与解脱。

图1 可调式磁路类型

1.2 吸附力计算公式

吸附力就是指磁路的磁场力，磁性固定装置吸附力应满足在具有一定间隙的情况下，提供的磁力F大于装药重量G。根据磁路设计和计算实际，把求解磁场力大小的公式简化表示为［3］

式(1)中:B为磁场与导磁材料作用面处的磁感应强度;u0为真空绝对磁导率;S为磁场与导磁材料作用面的面积。

式(2)中L、W、H分别为磁体长、宽和厚度，磁体NdFeB Br=1.25T。

已知磁体尺寸长、宽和厚度可利用式(2)导出磁体磁感应强度B与磁场导磁材料作用面的面积S，u0真空绝对磁导率已知，则根据式(1)可求得磁体磁场力大小。

2 有限元建模

聚能切割器在水中爆炸切割与空气中爆炸切割相比要困难得多，因为水的密度、传热速度和粘度等参数比空气大得多，以致于射流在水中高速运动时，摩擦阻力增大，能量分散，使射流头部运动降低，导致聚能切割器水中爆炸切割钢板的深度很浅或几乎不能切割钢板［4］。为此聚能切割器设计采用内置炸高。

2.1 物理模型

采用AIVSYS/LS-DYNA软件对环形切割器及其侵彻过程进行数值模拟与分析，由于模型是轴对称的，为简化计算采用1/4模型，如图2所示，模型由炸药、药型罩、水、空气和钢板5部分组成。

其中，炸药、药型罩、空气、水均采用欧拉网格划分，单元使用多物质ALE算法，靶板采用拉格朗日网格划分欧拉网格与拉格朗日网格之间采用流固藕合算法［5］。

2.2 模型尺寸

考虑到聚能切割器的参数选择，模型各参数如下:内炸高为:2.8 cm，装药高度为7.3 cm，装药宽度为5.6 cm。药型罩形状采用圆锥型，锥角为 98°，罩口为 5.28 cm，厚度为2 mm，靶板为45#钢。

2.3 本构方程与材料参数

1)炸药选用B炸药，密度1.724 g/cm3，爆速8080 m/s，装药量2 kg。炸药爆轰产物的状态方程采用JWL方程，其公式如下:

2)水的密度取1.025 g/cm3。水受冲击压缩时，采用GRUNEISEN状态方程:

水膨胀过程的状态方程为

3)药型罩材料为紫铜，密度8.96 g/cm3，剪切模量47.7 GPa，泊松比0.34;靶板采用造船装甲钢，密度7.83 g/cm3，杨氏模量为210 GPa，泊松比为0.28。

药型罩和靶板均采用Johnson-Cook本构方程模拟

2.4 仿真结果分析

模型采用1/4模型，起爆方式为单点起爆，数值计算结果如图3所示。T=15.969 μs时，射流首先在起爆点形成。T=31.996 μs时，起爆点射流开始侵彻靶板，以起爆点为中心装药射流依次形成。T=36.995-80 μs时，射流完成靶板侵彻过程。从射流形成的过程可以看出，采用单点起爆方式射流形成存在一定的时间梯度，对于射流形态有较大的影响。

图3 射流侵彻靶板过程

如图4所示，从靶板的切割效果看，由于环形聚能装置设计采用内置炸高，所以水对射流的影响可以忽略，能完全切断2 cm厚45#钢，切割效果良好。

3 试验验证

3.1 试验设计

为了验证数值模拟结果是否准确，依据数值计算模型设计了环型切割器。环型切割装置内径47 cm，外径54 cm，装药宽度为5.6 cm，装药高度7.3 cm，采用内置炸高，装药壳体与炸高防水板均采用2 mm厚钢板，药型罩采用紫铜，厚2 mm，炸药采用B炸药，采用扩爆药柱与7号电雷管单点起爆。靶板采用80 cm×80 cm×2 cm的45#钢，如图5所示。

图4 环型装置切割靶板效果图

图5 环型切割装器水中实验

3.2 试验方法

试验场地选择在某靶场的水池中进行，将装药和靶板固定置于水池中，加入一定深度的水，用电起爆法起爆传爆药柱与主装药。

3.3 试验结果

装药起爆后，靶板被完全切断，形成一个较为规则的圆板，如图5所示。由此可见，环形切割器内置炸高设计合理，能够避免水对射流造成的影响，从而保证切割效果。试验结果与数值模拟结果一致，这说明有限元模型建立合理，参数选取合适，数值模拟结果具有较大的可信度。

4 结论

磁吸附装置使用钕铁硼N35作为磁源，根据水下一定气隙条件下爆破切割器舰船壳体固定的要求，设计了磁体磁路的类型，根据对磁场力计算研究，得出了满足磁力F大于装药重量G要求的吸附力计算公式。使用本文通过建立环型切割装置水中接触爆炸钢质靶板的力学物理模型，并利用大型有限元软件LS-DYNA进行数值模拟计算，得到了环型切割装置对靶板的毁伤效果，通过试验验证了环形聚能装药设计的合理性。经过研究表明:该磁性环型切割装置能够用于舰船水下壁面固定切割，下一步可基于该模型对装药结构展开优化设计，以进一步提升装药的爆破效果。

［1］蔡仁照，刘万军.外军特种部队作战写真［M］.北京:军事谊文出版社，2001.

［2］夏平畴.永磁机构［M］.北京:北京工业大学出版社，2000.

［3］王瑜.永磁装置中磁场力的计算［J］.磁性材料及器件，2007，38(5):49-60.

［4］颜事龙，王尹军，王昌建.水下爆炸切割钢板的试验研究［J］.爆破器材，2004，33(2):26-29.

［5］赵海鸥.LS-DYNA动力分析指南［M］.北京:兵器工业出版社，2003.

［6］时党勇，李裕春，张胜民.基于ANSYS/LS-DYNA8.1进行显式动力分析［M］.北京:清华大学出版社，2005.