靶板硬度对线型聚能切割索侵彻效应的影响

陈继强，褚恩义，吴瑞德，尼志青



靶板硬度对线型聚能切割索侵彻效应的影响

陈继强，褚恩义，吴瑞德，尼志青

（陕西应用物理化研究所，陕西 西安，710061）

利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对V9、V7两种线型聚能切割索切割45钢靶板的过程进行数值模拟，并对模拟结果进行讨论。在此基础上，进行实际的线型聚能切割索切割靶板试验。结果表明：数值模拟结果和切割试验结果平均误差为5.84%，有很好的一致性；靶板最大侵彻深度（）随靶板材料硬度（H）的增加而减小，V9线型聚能切割索切割条件下的数学关系式为：=-0.004H+4.34，V7线型聚能切割索切割条件下的数学关系式为：=-0.003H+3.15。研究结果可以为工程技术人员选择适当的线型聚能切割索提供参考。

线型聚能切割索；硬度；数值模拟；聚能射流；侵彻

线型聚能切割技术通过炸药爆炸形成的压力压垮药型罩形成高速的聚能射流，在很短的时间内切割各种金属、非金属材料。该技术具有高速、高效、操作方便、安全可靠且不受环境限制等优点，广泛应用在军事、民用及航空航天领域[1]。

以前的研究主要关注线型聚能切割索本身参数对切割性能的影响，很少有人研究靶板的材料属性与切割性能的关系。因此，本研究系统分析了靶板材料硬度对线型聚能切割索切割性能的影响，并针对不同硬度的靶板，进行了线型聚能切割索切割45钢靶板的数值模拟研究与切割性能试验研究。研究结果可以为工程技术人员选择合适的线型聚能切割索提供参考。

1 研究对象的选择

1.1 线型聚能切割索的选择

线型聚能切割索由金属外壳、药型罩和炸药组成，金属外壳的横截面根据聚能效应设计，其形状多为V形。线型聚能切割索的制造，需要经过装药、拉拔、成型等工序，一般选用的药型罩的材料与外壳的材料相同。

根据爆炸力学中的聚能效应理论，制造聚能药型罩应选用密度高、塑性好的金属材料，可以选用紫铜以及纯铝、银、铅锑合金等材料。纯铝制成的线型聚能切割索切割威力较小，不能在小药量条件下切割分离铝板；紫铜和白银的密度高、强度较好，在大威力线型聚能切割索的制造中比较适用，但不容易制造小药量且柔性较好的线型聚能切割索；铅锑合金密度高、塑性好、加工工艺好、易于制造出药型罩产生聚能效应，同时在小药量条件下形成的聚能射流效果好，而且试验中无破片、飞片现象，爆炸切割时安全、可靠，且易于控制切割形状。因此选定铅锑合金作为线型聚能切割索的药型罩和外壳材料。

装药是线型聚能切割索的能源，根据爆轰理论应尽量选择爆速高、密度大的炸药。在充分考虑切割效果及生产安全性的基础上，选用黑索今RDX炸药作为线型聚能切割索装药。

V9、V7两种常用线型聚能切割索药型罩和外壳材料均为铅锑合金，装药均为黑索今，其中V9线型聚能切割索的米药量为29.6g/m，宽度为9mm，高度为6.6mm；V7线型聚能切割索的米药量为11.6g/m，宽度为7mm，高度为5.3mm。本研究选用V9、V7两种常用线型聚能切割索。

1.2 靶板材料的选择

45钢广泛应用于机械制造，这种钢强度较高，塑性、韧性尚好，切削性良好，但是，其淬火性能并不好。常将45钢热处理，即淬火加回火，回火温度不同硬度也不同。本研究选用45钢靶板作为线型聚能切割索切割的对象。

2 数值模拟

2.1 算法和模型的建立

线型聚能切割索爆炸形成的聚能射流与靶板作用过程是一个高速碰撞过程，涉及到大变形和高应变率下的材料响应。聚能射流的形成、拉伸及射流对靶板的侵彻均会造成网格较大的畸变，而采用Euler网格建模和ALE算法既可克服单元严重畸变引起的数值计算困难，又能实现流固耦合的动态分析。因此，炸药、药型罩和空气3种材料采用Euler网格建模并设置多物质ALE算法，靶板采用Lagrange网格建模。建模过程中施加对称约束和无反射边界条件，各材料之间使用流固耦合算法，建模单位制采用cm-μs-g-K。

本文所建三维模型的特点：建立线型聚能切割索纵截面模型，在厚度方向上只建立一层网格，同时必须对这些母线与厚度方向平行的面上的节点进行约束。这样数值模拟过程中既可使用三维单元的材料模型又能节省计算时间。由于线型聚能切割索是线性的并且结构关于YOZ平面对称，所以只建立二分之一模型，模型所用到的尺寸与试验中线型聚能切割索的尺寸保持一致，采用六面体进行网格划分。根据工程实践经验，V9线型聚能切割索切割靶板模型炸高设置为3mm时，侵彻效果最好；V7线型聚能切割索切割靶板模型炸高设置为2mm时，侵彻效果最好。数值计算模型见图1。

图1 数值计算模型

2.2 材料模型及状态方程参数

聚能射流对靶板切割过程具有高压、高温的特点，面临大应变率和短历时等极端条件。对于高速、高压、高应变的结构材料，特别涉及到炸药的爆炸、燃烧等快速物理化学变化过程，必须使用材料模型和状态方程来同时进行描述和研究，表1给出各个部分的材料模型和状态方程。

表1 材料模型和状态方程

Tab.1 Material model and equation of state

装药选用黑索今RDX，表2为RDX炸药材料模型参数。

表2 RDX 材料模型参数

Tab.2 RDX material model parameters

炸药爆炸过程中，其压力与比容之间的关系通常被称为状态方程。目前爆轰过程应用比较广泛的状态方程是JWL状态方程，其具体表达形式为：

表3 RDX 状态方程参数

药型罩材料选用铅锑合金，其本构材料模型采用Steinberg模型[3]。彭建祥的研究表明，在冲击压力达到10～20GPa的情况下，采用Steinberg模型获得的结果更为真实[4]。表4为铅锑合金的Steinberg本构方程参数[5]。药型罩材料的状态方程采用Gruneisen状态方程。

表4 铅锑合金材料模型参数

表5 铅锑合金的状态方程参数

Tab.5 Lead-bismuth alloy State equation parameters

空气域使用LS-DYNA自带的MAT_NULL 材料模型[6]。状态方程用线性多项式EOS_LINEAR_POLY NOMIAL描述，其压力的表达式如下所示：

式（2）中：为压力；0、1、2、3、4、5、6为方程相关系数，0、1、2、3、6一般为0；4=5=-1，多方指数一般为1.4；、0为空气的当前密度和初始密度；=/0-1，为与空气多方指数有关的常数；为材料单位初始体积内能。

靶板材料为45钢，其材料模型采用Johnson-Cook本构模型[7]。该模型特别适用于描述金属材料在大应变和大变形时的力学行为，在金属爆炸成型、弹道侵彻等过程中被广泛使用。45钢Johnson- Cook材料模型参数解见表6[8]。45钢Gruneisen状态方程参数见表7[9]。

表6 45钢材料模型参数

表7 45钢状态方程参数

2.3 数值模拟结果分析

通过数值模拟得到了射流的形成过程以及射流对靶板的侵彻过程，获得了射流对靶板侵彻深度数据。以线型聚能切割索装药端面中点为起爆点，起爆后在爆轰波和爆轰产物膨胀作用下压缩药型罩，形成金属射流。图2为射流的形成过程图。

为了研究分析靶板材料硬度对聚能切割索切割钢板的侵彻深度的影响，针对不同靶板材料硬度，对聚能射流侵彻钢板进行数值模拟计算。图4为V9线型聚能切割索切割硬度为HBW385的45钢靶板数值模拟计算过程。

图2 射流的形成过程

图3 线型聚能切割索切割靶板过程

由图3可知，当2.1μs时，射流基本形成，并开始对钢板进行侵彻；6.6μs时，射流对钢板的侵彻完成；切割深度随时间的增加先快速增加，后缓慢增加，最终开坑，此时侵彻深度为2.90mm。

3 切割试验

3.1 切割试验方案

图4为切割试验装置示意图，实物见图5。试验中使用的钢板尺寸为110mm × 50 mm ×20 mm，在线型聚能切割索的一端连接电雷管，采取端面起爆方式。

图4 试验装置示意图

图5 试验装置实物图

根据试验设计方案选取V9和V7两种线型聚能切割索。根据工程实践经验，选用V9线型聚能切割索切割靶板试验时，炸高为3mm侵彻效果最好；选用V7线型聚能切割索切割靶板试验时，炸高为2mm侵彻效果最好。选取28种不同布氏硬度的45钢靶板，将线型聚能切割索、炸高支垫块固定在钢板中心，并用胶带固定。

3.2 试验结果及分析

试验主要研究靶板材料硬度对切割索切割钢板性能的影响，试验设计了28组工况，选取不同硬度的钢板数进行切割试验。线型聚能切割效果如图6所示，由图6可以看出，切缝平整，切缝周边有下陷，钢板无明显弯曲。

图6 切割效果图

图7 靶板硬度—最大侵彻深度线性拟合

3.3 数值模拟与试验结果比对分析

V9线型聚能切割索的数值计算值与试验值对比见表8，V7线型聚能切割索的数值计算值与试验值对比见表9。

表8 V9线型聚能切割索计算值与试验值对比

Tab.8 Comparison of numerical calculation values and test values of V9

表9 V7线型聚能切割索计算值与试验值对比

Tab.9 Comparison of numerical calculation values and test values of V7

由表8~9可知，数值模拟与试验的误差在1.74%~8.27%范围内，平均误差为5.84%，该误差在可接受的范围之内，且模拟结果大于试验结果。这可能是由于数值模拟是在理想的状态下进行计算的，而在试验过程中可能会受其它因素干扰，如线型聚能切割索装药密度不均匀，加工尺寸的误差等。此外，网格划分不恰当也将直接影响计算结果的精度。

通过上述数值模拟与试验结果的对比分析，认为数值模拟结果可信，误差在可接受的范围之内。

4 结论

本研究对线型聚能切割索切割靶板过程进行了数值模拟，可以大大节约其研制成本，缩短研制周期。同时可以对试验结果进行较为准确的预测，从而指导产品的设计与试验；根据所得数学关系式和所测靶板的硬度，可预估线型聚能切割索的侵彻靶板深度。研究结果可以为工程技术人员选择合适的线型聚能切割索可靠切割靶板提供参考。

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The Influence of Target Hardness on Penetration Effect of Linear Shaped Charge Cutting Cable

CHEN Ji-qiang, CHU En-yi, WU Rui-de, NI Zhi-qing

(Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi'an, 710061)

The numerical simulation of cutting process for linear shaped charge cutting cable of type V9 and V7 on the 45 steel target is conducted, by ANSYS/LS- DYNA finite element software. Based on this, the cutting experiments of linear shaped charge cutting cable on the target were performed as well. The results indicate that the average difference between the data of the experiments and numerical simulation is 5.84%, which show a good consistency, the penetrating depthis reduced as hardness(H) of the target material increasing. For V9 linear shaped charge cutting cable, its mathematical relation is=-0.004H+4.34, and that of V7 linear shaped charge cutting cable is=-0.003H+3.15.The research results can provide reference for engineers to select the appropriate linear shaped charge cutting cable.

Linear shaped charge cutting cable；Hardness；Numerical simulation；Shaped charge jet；Penetration

1003-1480（2018）06-0009-05

TJ45+9

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.06.003

2018-10-25

陈继强（1985 -），男，在读硕士研究生，主要从事爆炸切割及切割索切割效应研究。