張 侃，趙 錚

(南京理工大學 能源與動力工程學院， 南京 210094)

利用微爆索作爆炸切割是一種日趨成熟的技術(shù)。其利用炸藥爆炸后形成的壓力來壓垮藥型罩，形成高速的線型射流，能在很短的時間內(nèi)對結(jié)構(gòu)進行切割。這種技術(shù)多應用于常規(guī)手段無法實施的特殊作業(yè)場合。然而在很多工程應用場景里，存在空間狹小，爆炸切割點距離人員較近，周圍精密儀器密布等問題，爆炸產(chǎn)生的沖擊波容易對周圍的環(huán)境，人員造成較大傷害[1]。而爆炸沖擊波是否對目標造成傷害，是沖擊波超壓唯一決定的[2]。降低爆炸沖擊波的影響，是爆炸切割技術(shù)發(fā)展過程中不可忽視的問題。

工程中爆炸切割可以選取合適的防護材料進行近距離防護。關(guān)煥文等[3]比較了芳綸布，純橡膠等材料的防護性能，劉佳等[4]驗證了硬質(zhì)聚氨酯泡沫對爆炸波具有很好的衰減效果，且厚度越大，衰減效果越好。胡延棟等[5]證明了多孔泡沫的孔結(jié)構(gòu)對可燃氣體爆轟波具有抑制作用，可使得溫度和壓力明顯降低。高光發(fā)等[6]通過研究證明，防護結(jié)構(gòu)采用圓形空穴的效果較方形空穴的防護效果更佳。

綜合實際工程中的需要，對于防護材料的選取，應至少遵循以下幾點要求。

1) 強度高，具有較好的沖擊波衰減性能。

2) 本身不易因爆炸沖擊而產(chǎn)生飛散物，對周圍環(huán)境造成損傷。

3) 實際應用過程中由于空間、重量等因素的限制，材料應輕質(zhì)、易成型。

4) 防護結(jié)構(gòu)需要緊貼于被切割板的表面，材料應有良好的粘接性能。

綜合各位學者的研究比對結(jié)果，聚氨酯材料是一種較為理想的材料。

本文首先以聚氨酯為材料設計了單層和雙層兩種不同的防護結(jié)構(gòu)，然后利用LS-DYNA軟件對爆炸切割過程建立了數(shù)值計算模型，得到了無防護情況下測點的超壓，另一方面計算了測點峰值超壓的理論值，并將仿真結(jié)果與其進行了對比，驗證了數(shù)值計算的可靠性。通過建立兩種不同的防護結(jié)構(gòu)的計算模型，研究了防護結(jié)構(gòu)對爆炸切割產(chǎn)生沖擊波的防護性能，研究成果可以為后續(xù)結(jié)構(gòu)的設計提供參考。

1 工況與理論計算

1.1 實際工況

本文對微爆索爆炸切割有機玻璃板產(chǎn)生的沖擊波進行防護結(jié)構(gòu)設計。長420 mm、寬200 mm、厚度為12 mm有機玻璃板安裝在工裝上，微爆索總長度為420 mm，粘接在有機玻璃板表面正中央，炸高為0。微爆索分為炸藥及藥型罩兩部分，黑索金的裝藥線密度為3 g/m，藥型罩厚度為0.3 mm，寬度為2.5 mm，高度為2.2 mm，由電爆管控制微爆索于端部起爆。超壓測點位于微爆索正上方200 mm處，需要在微爆索周圍50 mm×50 mm的空間內(nèi)，設計一種可有效降低測點超壓峰值的防護結(jié)構(gòu)。

設計了單層與雙層共兩種防護結(jié)構(gòu)，如圖1所示，最大外徑都為50 mm，最小內(nèi)徑為20 mm，材料均為聚氨酯。

圖1 防護結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 理論計算

微爆索的爆炸過程可以簡化成炸藥在地面上觸地爆炸過程，相關(guān)學者已總結(jié)出一些經(jīng)驗公式可做計算[7-10]。綜合亨利奇公式，薩多夫斯基公式等，使用以下公式計算沖擊波峰值超壓[11-12]：

(1)

(2)

(3)

炸藥觸地爆炸時釋放出的沖擊波則更多的向上傳播，隨著爆距的增大，衰減速率不如無限大空氣區(qū)域內(nèi)爆炸，此時應對等效TNT藥量進行修正[13]，一般有WT′=2WT。

其中W為非TNT炸藥的裝藥量，QV為炸藥爆熱，QVTNT為TNT炸藥爆熱。

在本工況中，長為420 mm，裝藥量為3 g/m黑索金的微爆索爆炸，計算距爆點200 mm處的超壓。由于目標靶板是有機玻璃材質(zhì)，質(zhì)地較脆較硬，可看成條形藥包觸地爆炸。根據(jù)集中藥包來計算，不同形狀藥包其沖擊波峰值超壓衰減指數(shù)不同，條形藥包沖擊波峰值超壓衰減相比集中藥包更慢；距離爆點較近處峰值超壓接近；距離爆點較遠處峰值超壓高于集中藥包[14]。在本工況中被測點位于爆點上方 200 mm 處，可簡化成集中藥包的觸地爆炸。

根據(jù)公式計算得其等效TNT裝藥量WT′=2WT=3.456×10-3kg。其比例距離計算得。其峰值超壓計算得ΔPm=0.514 MPa。

2 仿真模型

2.1 有限元模型

實驗采用3 g/m藥量的微爆索對12 mm厚的有機玻璃平板進行切割，采用cm-g-μs單位制建模。考慮到實驗裝置的對稱性，選用單層實體網(wǎng)格建立二分之一模型，網(wǎng)格均采用8節(jié)點六面體單元，炸藥、藥型罩、空氣采用ALE網(wǎng)格。有限元模型如圖2所示。

圖2 微爆索和整體有限元模型

空氣域為半徑為20 cm的四分之一圓和200 mm×20 mm 的矩形組合而成。靶板為100 mm×12 mm的矩形。炸藥放置于靶板上方，并位于對稱軸上。起爆方式為上端起爆。對空氣域邊界設置無反射邊界條件，模擬無限大空氣區(qū)域。單層防護和雙層防護的有限元模型如圖3所示。

圖3 防護結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 材料模型

炸藥采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型來進行描述，相關(guān)參數(shù)由JWL狀態(tài)方程來描述：

(4)

式中：p為壓力；A、B、R1、R2、ω為材料常數(shù)；V為初始相對體積；E為初始比內(nèi)能。相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 炸藥相關(guān)參數(shù)

藥型罩采用*MAT_ELASTIC線性材料模型。相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 藥型罩相關(guān)參數(shù)

靶板采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS塑性損傷模型，一般多用于陶瓷、玻璃等脆性材料的建模。主要參數(shù)如表3所示。

表3 靶板主要參數(shù)

防護結(jié)構(gòu)采用*MAT_BLATZ-KO_RUBBER模型，泊松比固定為0.463，這種模型適合模擬幾乎不可壓縮的橡膠材料，可以較好的模擬聚氨酯材料所制成的防護結(jié)構(gòu)。防護結(jié)構(gòu)下部和目標靶板粘連，通過*CONTACT_TIEBREAK_SURFACE_TO_SURFACE關(guān)鍵字實現(xiàn)。其密度為960 kg/m3,其剪切模量為10 GPa。

3 數(shù)值模擬

利用LS-DYNA軟件對爆炸切割過程進行擬，得到了無防護、單層防護、雙層防護結(jié)構(gòu)下的空氣域的沖擊波壓力云圖，如圖4～6所示。

圖4 無防護空氣域沖擊波壓力云圖

圖5 單層防護空氣域壓力云圖

圖6 雙層防護空氣域沖擊波壓力云圖

爆炸后爆轟產(chǎn)物以很高的速度向周圍膨脹，壓縮周圍空氣形成沖擊波。隨著沖擊波的不斷傳播，波陣面的壓力也迅速下降。爆炸傳播的初始階段超壓峰值衰減較快，而爆炸傳播的后期衰減則較為平緩。在粘接了防護結(jié)構(gòu)的算例中，爆點附近輪廓明顯的藍色區(qū)域為防護結(jié)構(gòu)，隨著沖擊波的繼續(xù)傳播，沖擊波對防護結(jié)構(gòu)進行沖擊，與此同時防護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大形變并逐步脫離有機玻璃板。

圖7表示了沖擊波在不同介質(zhì)界面上的透反射過程。

圖7 沖擊波在不同介質(zhì)界面上的透反射過程示意圖

沖擊波σ首先在空氣和聚氨酯內(nèi)交界面處發(fā)生反射和透射，透射波進入防護結(jié)構(gòu)繼續(xù)傳播，成為一次透射波σT1。由于空氣的波阻抗比聚氨酯小很多，當聚氨酯中的一次透射波σT1傳播到空氣與聚氨酯的外交界面時，將主要在交界面處發(fā)生反射，成為一次反射波σR1，同時以透射波的形式向空氣介質(zhì)傳播，成為二次透射波σT2，且二次透射波σT2的強度比一次透射波σT1要小很多，二次透射波σT2導致了首個波峰的產(chǎn)生。

一次反射波σR1向內(nèi)傳播到內(nèi)交界面時再次發(fā)生反射和透射，少部分透射進入內(nèi)部，另一部分再次發(fā)生反射形成第二次反射波σR2，二次反射波σR2沿著與一次反射波相反的方向向外傳播并回到上交界面，一部分再次透射進入空氣，成為三次透射波σT3。這一過程在交界面處不斷重復，導致后續(xù)波峰的產(chǎn)生，但峰值逐漸減小。

圖8為沖擊波在穿過空氣介質(zhì)時示意圖。雙層防護結(jié)構(gòu)相當于在單層防護結(jié)構(gòu)中插入了一層空氣介質(zhì)，使得沖擊波在空氣和聚氨酯交界面處不斷產(chǎn)生反射以及折射。而與靶板粘接的部分是連續(xù)的聚氨酯材料，沖擊波在聚氨酯材料中不間斷的傳播。兩種情況導致沖擊波在傳出防護結(jié)構(gòu)后呈現(xiàn)不規(guī)則的球形。

為了研究防護結(jié)構(gòu)對測點沖擊波峰值的影響，給出了3種條件下爆點上方200 mm處測點的壓力時程曲線，如圖9。

計算表明，無防護結(jié)構(gòu)下，測點在微爆索正上方200 mm高度位置，通過仿真的對比分析可知，微爆索爆炸后，空氣沖擊波在109 μs最先到達爆點上方200 mm處的測點，超壓峰值在115 μs時刻出現(xiàn)，其數(shù)值為0.525 MPa，理論計算值ΔPm=0.514 MPa，相對于理論值，仿真誤差為2.14%。

單層防護下，測點處的超壓遠低于無防護情況下。200 mm處的超壓峰值為0.134 MPa。與無防護結(jié)構(gòu)相比，沖擊波峰值降低了73.93%。雙層防護下沖擊波超壓峰值在140 μs時刻出現(xiàn)，其數(shù)值為0.069 MPa，與無防護結(jié)構(gòu)相比沖擊波峰值降低了86.86%；與單層防護結(jié)構(gòu)相比沖擊波峰值進一步降低了48.51%。

圖8 沖擊波穿過空氣介質(zhì)示意圖

圖9 測點壓力時程曲線

4 結(jié)論

1) 仿真結(jié)果表明，無防護結(jié)構(gòu)下爆點上方200 mm處的沖擊波峰值仿真結(jié)果為0.525 MPa，與理論值的誤差為2.14%；

2) 單層防護結(jié)構(gòu)使沖擊波傳播介質(zhì)空氣和聚氨酯交替排列，符合波阻抗大小交替排列削波性能較好的規(guī)律，仿真計算得出單層防護結(jié)構(gòu)較無防護峰值超壓降低73.93%；

3) 仿真計算得出雙層防護結(jié)構(gòu)較無防護峰值超壓降低86.86%，較單層防護峰值超壓降低48.51%。