聚能切割参数设计.docx

1、聚能切割参数设计第二章 影响线型聚能装药侵彻能力的因素爆炸切割是利用聚能原理来切割坚硬物质的爆炸新技术。由于切割都是沿着图 2.1 线型聚能装药的基本构形Fig.2.1 The basic figuration of一个面切割出一条窄缝来， 因此，多采用 平面对称型药型罩。线型聚能装药是一种 长条形带有空腔的装药， 在空腔中嵌有金 属药型罩。药型罩的形状可以是圆弧形或 各种不同顶角的楔形， 药型罩的材料可以 是铜、钢、铝、铅等。利用这种装药可制 成各种爆炸切割器， 图 2.1 为线型聚能装 药的基本构形。2.1 线型聚能装药作用的基本原当炸药起爆后，爆轰波一方面沿着炸药的长度方向传播，另一方面

2、沿着药型 罩运动，聚能作用使爆炸能量向药型罩会聚，爆轰产物以高达几十万大气压的压 力作用于药型罩，并将其压垮，而后向对称轴闭合运动，并在对称平面内发生高 速碰撞，药型罩内壁附近的金属在对称平面上挤出一块向着装药底部以高速运动 的片状射流，通常称之为“聚能刀” 。它一般是呈融熔状态（热塑状态）的高速金 属射流，其头部速度大约 3000 5000m/s，集中了很高的能量。金属射流在飞行中 不断拉长（a，）起当爆初它时与杵金体属靶板发生相互作用时，迫使靶板表面压力突然达到几百万 大气压。在高压作用下主，射流靶外板壳表面金属被排开，向侧表面堆积，而飞溅和汽化的 不多。随着射流和靶板的连续作用，金属射流

3、不断损失能量并依附在金属断裂面 上。爆炸切割器正是依靠这种片状的“聚能刀” ，实现对金属的切割作用。图 2.2 为线型聚（b能）射装流形药成射流形断成裂和射拉流伸断裂的示意图，图中所采用的起爆方式为典型的，药型罩的压垮由一端向另一端逐步发展，材料的最大屈服强度时，射流发生断裂。（c）射流断裂 线型聚能射流参数是研究射流切割的主要因素，对于端部起爆的线型聚能装 图药2而.2言，LS可C 以药采型罩用压垮滑和移射爆流轰形理成特论性来研究射流的主要参数。Fig.2.1 Liner collapse and jet formation设线型聚能装药引爆后， 经一定距离爆轰波趋于定常， 波面为平面，坐标

4、 OxyzOxy 为对称面， 为金属药型罩图 2.3 聚能线型切割器示意图由图 2.3 可以看出，药型罩平面的单位法向量为，2.1)n1 sin j cos k2.2)x0ysin zcos 0因此，可得压垮平面 OAC 的方程式，x ysi n zc o s 02.3)则平面 OAC 的单位法向量为，1n2 i sin j cos k122.4)设药型罩的折转角为 （如图 2.4），则有，1n1 n2 cos1 2 12.5)即得，tg2.6)设压垮平面 OAC 与对称平面 OCD 构成的夹角为 ，此即为碰撞棱 OC 的 V 形角之半，cos k n2 sin cos2.7)按照 经典射流理

5、论 ，射流质量由下式给出，1M j M L 1 cos2式中 ML为药型罩质量，将（ 2.7）式代入（ 2.8），可得射流质量为，1M j ML 1 si n co s2在高压作用下， 药型罩材料可近似为理想不可压缩流体。 法平面（即 Oxs 平面）2.8)2.9)药型罩 OB 在其垂直内的运动可按飞板飞行曲线的一般理论来求解。 在图 2.4 中，图 2.4 飞板飞行曲线及弯折角图Fig.2.4 Flight curve and bending 式中 为飞板弯折角。碰撞来流速度在fx图 2.5 坐标关系与二维碰撞图Fig.2.5 Coordinate relationOxyz 坐标系中可表示为

6、，v f vd cos i vd sin sin j vd sin cos k2.11)由于切割器以 Oxy 面为对称面，两边的药型罩在在飞行中将在 Oxy面上发生 碰撞，在 Oxy 平面上的碰撞点连线（在二维碰撞时为驻点连线，以下称为碰撞棱） 的方程式为，fxysin其中 为药型罩与对称面之间的夹角，碰撞棱与 x 轴的夹角为 ，tg dy f x tgdx sin2.12)sin2.13)如果建立一个新坐标系 Oxyz，其中 x，y 轴是 x，y 轴绕 z 轴转过 角而求得 的（如图 2.5）。i cos i sin jj sin i cos j （ 2.14）kk取该坐标系相对 Oxyz坐

7、标以 u的速度沿 x 轴的正方向运动，其中 u 为，2.15)u vd cos cos sin sin sin i将式（ 2.14）代入式（ 2.11）中并减去 u ，可以获得在新坐标系中的碰撞前来流速 度为，vf vd cos sin sin sin cos j vd sin cos k （2.16）因此，这个三维碰撞在Oxyz坐标系中就变为来流为 vf 的二维轴对称碰撞，有解（如图 2.5），jvf j12 v ffv f j ,vs vf式中 药型罩厚度， s 碰撞后药型罩的出流厚度， j 再入射流厚度， vj Oxyz坐标系中的射流速度， vs Oxyz坐标系中的出流速度。将式（ 2.

8、16）代入式（ 2.17），求得，v f vd ctg tg cosj 2 1 cos cos （ 2.18）s 1 cos coss2将速度还原到 Oxyz 坐标系中，可以得到，即有，式中 0 为炸药初始密度， D 为炸药爆速， 为凝聚炸药爆轰指数 ，其值可以近似 取作 3，而对于同种炸药，爆速与装药密度间又存在着线性关系。所以，为了提高 侵彻能力，必须尽量选取高爆压的炸药。当装药选定后，为了提高侵彻能力，还侵彻深度不再增加。 这可以用 “爆必须尽可能地提高装填密度。线型聚能装药按药型可分为两类装药断面， 等药量下，对同一药型罩，采用变壁厚 装药， 形成的射流在纵向将产生速度梯 度，可以使切

9、割深度大大增加 ，最大可 增加 30%，选择变壁厚的装药结构是充 分利用炸药能量的有利途径。线型聚能装药的侵彻深度与 装药 底 宽和药顶高 有关，随着装药底宽和药顶 高的增加，侵彻深度也相应增加。增加底宽（相应地增加药型罩宽度） 对提高侵彻能力特别有效 ， 侵彻深度和 切口宽度都随着装药底宽的增加而线性 地增加。但是增加装药底宽后要相应增 加线型聚能 装药的重量， 在实际设计中 是有限制的。在较小的装药底宽和总体 重量条件下，应尽量提高线型聚能装药 的侵彻深度。随着药顶高的增加，侵彻深度也相 应增加。 试验表明， 当药顶高增加到一定值后， 轰头”理论加以解释，当装药由左端引爆后，随着爆轰波的传

10、播，在轴向和径向 都有稀疏波进入，致使爆轰产物向后面和侧面飞散，作用在右端物体上的药量仅 仅相当于图 2.7中的圆锥区部分。对于轴向稀疏波影响， 按照一维流动计算结果表 明，朝爆轰传播方向飞散的装药占总质量的 4/9，而径向稀疏波向里传播的速度为D/2。这样，当药柱长度 小于 2.25倍装药直径时， 爆轰头为截锥形，其长度随装药 长度的增加而增加， 当药柱长度 大于 2.25 倍装药直径时，爆轰头呈完整的圆锥形， 并且不随装药的增加而变化。在确定线型聚能装药的结构形状时，必须综合考虑多方面的因素，以便更加 有效地利用炸药装药。药型罩是形成射流的主要元件。药型罩的结构、材料以及加工方法等直接影

11、响射流的性态，从而影响到侵彻效应。当药型罩闭合后，形成连续而不断裂的射流愈长，密度愈大，其侵彻能力愈 强。 从原则上说， 要求药型罩材料密度大、塑性好，在形成射流过程中不气化。根据定常侵彻理论，线型聚能装药对靶板的切割深度 P 可按下式计算：2.24)式中 L 为药型罩母线长， j 、 t 分别为射流和靶板的密度。该定常理论说明 切割深度 P 与药型罩母线长、射流密度的平方根 j 成正比，即与药型罩材料种 类有关。一般来讲，药型罩材料的密度大一些好，但也并非越大越好，同时还要 考虑药型罩形状、壁厚、装药量大小等参数合理的匹配。在爆炸压缩条件下，金属的可塑性不是单纯地由金属的标准特性所决定的，

12、金属快速压缩的能力同晶格类型有关。 用立方晶格金属（ Al、Fe、Cu）制成的药型 罩，可压缩性最好，而用六角形晶格金属（ Cd、Co、Mg）制成的药型罩可压缩性就 很差。 试验表明：紫铜的密度较高，塑性好，侵彻效果好；生铁虽然在通常条件 下是脆性的，但是在高速、高压条件下却具有良好的可塑性，侵彻效果也相当好； 铝作为药型罩虽然延展性好，但密度太低；铅作为药型罩虽然延展性好、密度高， 但是由于铅的熔点和沸点都很低，在形成射流过程中易于气化，所以铝罩和铅罩 的侵彻效果都不好。虽然定常侵彻理论公式中不含射流速度项，但研究表明， 炸药的 格尼速度 Vg 越大，形成的射流的侵彻能力越强； 射流的头部速

13、度 Vtip 越大，射流的侵彻能力也 越强。概括来说， Vtip Vg 的比值越大，产生的射流侵彻深度越深。由此可见，射流 速度也影响其侵彻能力。 射流参数的计算表明，药型罩顶角的大小影响射流参数。按照射流速度和质量的计算公式，cosV j V0 2 （2.25）sin21Mj ML 1 cos （2.26）2其中， V0药型罩压垮速度， 药型罩轴向压垮角， 药型罩变形角， 药 型罩半顶角， ML药型罩质量。为了分析问题简单起见，假设炸药为瞬时爆轰，并且药型罩壁面同时平行地 向轴线闭合，则有 ， 0 ，因而，V j V0ctg （2.27）22M j M L si n2 （ 2.28）由以上公

14、式可以看出， 射流速度随药型罩顶角的减小而增大，射流质量随药 型罩顶角的减小而减小。实验证明，线型聚能装药的切割深度与射流在 y方向的能量有关 （如图 2.1所 示 y 方向），当 y 方向的射流能量达极大值时，在靶板中将产生最大切割深度。 y 方向的射流动能为，Ejy 1 jbj v2jy2式中 bj再入射流厚度， vjy射流沿 y 方向的速度分量 根据滑移爆轰理论可推导出，sin sinvjy vd1 cos cosbj 1 cos cosj22.29)2.30)2.31)其中 为药型罩弯折角， 为药型罩顶半角， 为药型罩壁厚。代入（ 2.29），得，E对 Ejy取极值，令 Ejy 0 ，

15、得，由上式可以看出， 线型聚能药型罩的最佳顶半角 依赖于弯折角 ，通常，线 型聚能装药的质量比 R 在 1.54 之间变动，相应的弯折角 应在 150250 之间， 代入（ 2.35）式，得到 2 的变化范围为 8001010。药型罩最佳壁厚随药型罩材料、顶角、底宽以及有无外壳而变化。 总的来说，药型罩最佳壁厚随罩材料密度的减小而增加，随罩底宽的增加而增加，随装药外 壳的加厚而增加。适当 采用顶部薄、底部厚的变壁厚药型罩，可以增加射流头部 速度，降低射流的尾部速度， 使射流拉长， 从而提高侵彻深度。 如果药型罩厚度不是很小（否则，不会产生正常射流） ，那么射 流速度随着 的减小在一定界限内应当

16、是增加 的。图 2.8 等厚度装药截面图Fig.2.8 The section drawing of uniform charge thickness如图 2.8 等厚度的线型聚能装药断面图， 药型罩母线长为 L，壁厚为 ，半顶角为 ，下面 近似求算药型罩厚度。 设线型聚能装药总长度为L0，射流在侵彻条件下的拉伸率为 ，射流的初 始长度为 l0，其平均宽度为 b0 ，则形成的射流长度为，l l 0 易求得射流的质量，M j jlb0L0按照射流形成的定常理论，可知，1 Mj ML 1 cos2而 M L 2 j LL 0 ，代入上式，并与式（ 2.37）合并，可得，2.36)2.37)2.38

17、)j lb0L0 j LL0 1 cos （2.39）将式（ 2.36）代入上式，整理后可得，2.40)l 0 b0L 1 cos假定射流初始长度 l0与药型罩母线长 L 相等，则上式变成，bb0 （2.41）1 cos由上式可以看出， 药型罩壁厚 与罩顶角 2 、材料（体现为射流的拉伸率 ）等因素有关。 应该注意到，侵彻能力最大时射流的最大有效长度为， 式中 max 为射流保持本身完整时的最大伸长率。解出等式（ 2.41）中的 ，就可以近似地求出 药型罩最佳厚度 ，bopt max b0 （2.43）1 cos线型切割器在距离靶板一定高度时，才能发挥其有效切割能力，把 装药底端到靶板的高度称

18、为炸高。 炸高对切割深度的影响可以从两方面进行分析，一方面 随着炸高的增加，射流拉伸变长，从而提高切割深度；另一方面，随着炸高的增 加，射流产生径向分散和扰动，射流拉伸到一定程度后会产生断裂现象，使得其 切割深度降低。与最大切割深度相对应的炸高，称为有利炸高。 有利炸高是一个区间， 实际 上选择有利炸高都是选择有利炸高的下限 ，即在有利炸高范围内以最低的高度作 为实际采用的有利炸高。 对于线型聚能切割器而言，通常采用如下 炸高 表达式，2.44)h Lsi 2n co s实际上，炸高的确定与药型罩顶角、药型罩材料、炸药性能以及外壳等都有 关系。一般而言， 有利炸高随着药型罩顶角的增加而增加，药

19、型罩材料的延展性 越好，形成的射流越长，其有利炸高也较大。另外，采用高爆速炸药以及增加外 壳，都能使药型罩所受冲击压力增加，从而增大射流头部速度，并使射流拉长， 故其有利炸高也相应增加。在实际应用中，还可以根据切割深度与炸高之间的数据关系，拟合出侵彻深 度炸高关系曲线，再对最佳炸高进行求解。设描述侵彻深度与炸高关系的曲线 方程为，P a0 a1h a2h2 a3h3 （2.45）式中 P侵彻深度， h炸高， ai （i=0,1,2,3）拟合系数 。 为找到最佳侵彻值，将式（ 2.45）对 h 取一阶导数，并令之为 0，即有，P2P a1 2a2h 3a3h2 0 （2.46）h 1 2 3求得最佳炸高 为，hopta2 3a1a33a32.47)