聚能切割索切割過程的數值仿真和試驗研究獲獎科研報告

聚能切割索切割過程的數值仿真和試驗研究獲獎科研報告

摘

要：本文采用數值仿真和試驗的手段對聚能切割索切割金屬靶板的過程進行了研究，仿真和試驗結果證明：聚能切割索切割金屬靶板的過程包括侵徹和拉斷過程，拉斷厚度最大占切割厚度的46%，切割過程仿真可指導工程設計。

關鍵詞：聚能切割索;數值仿真;切割過程

引言

聚能切割索是最近發(fā)展起來的一種特殊切割技術，它是利用成型裝藥的爆轟來壓垮金屬藥型罩形成高速的線型射流，能在瞬間切割各種金屬或非金屬材料。聚能切割索具有結構簡單、切割能力強、性能可靠的特點，在切割的過程中無飛片、破片現象，切縫規(guī)則，易于控制切割形狀。聚能切割索多用在常規(guī)機械工業(yè)手段（如鋸切、車削、氣割等）無法實施安全作業(yè)的特殊環(huán)境中，如運載火箭的級間分離裝置[1]、飛機救生系統[2-4]、核設施的拆除[5]、海底沉船的切割打撈、地下或水下石油井架的切割拆除[6]等。

聚能切割索切割金屬靶板主要依靠金屬射流對靶板的侵徹作用。射流侵徹過程通常分為三個階段[7]：（1）開坑階段，侵徹初始階段，從射流頭部撞擊靜止靶板開始，到射流在靶板建立穩(wěn)定的三高區(qū)（高溫、高壓、高應變率）為止;（2）準定常階段，此階段碰撞點處的壓力比較小，射流能量分布變化緩慢，侵徹參數變化不大，侵徹孔徑變化也不大，基本與侵徹時間無關;（3）終止階段，射流速度降低，靶板強度的作用越來越明顯，射流的侵徹速度減慢，擴孔能力降低，前面的射流殘渣影響了后續(xù)射流與靶板材料的直接接觸，這導致了射流侵徹能力的減弱，此外射流在侵徹的后期產生頸縮和斷裂，對侵徹過程產生不利影響。

目前，大量的研究聚焦在聚能切割索工作時射流的侵徹過程，但是聚能切割索在工程應用時并沒有要求完全侵徹靶板，允許一部分靶板被金屬射流拉斷。這樣能夠降低聚能切割索的線密度，減小其工作時產生的沖擊對系統的影響。

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有限元模型

1.1物理模型

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數值仿真計算結果與分析

本文主要仿真計算了一種聚能切割索對不同厚度鋁靶板的切割過程（包括侵徹和拉斷）。

圖2為聚能切割索切割4mm鋁板的仿真計算結果。其中圖2（a）和（b）分別為6μs和15μs鋁板切割過程圖，圖2（c）為鋁板完全切斷時的應力云圖。從仿真過程和切割截面形狀可知，靶板完全被金屬射流侵徹。侵徹過程經歷了開坑階段和準定常階段[7]。

圖3為聚能切割索切割6mm鋁板的仿真計算結果。其中圖3（a）、（b）和（c）分別為8μs、10μs和12μs鋁板切割過程，圖3（d）為鋁板切割斷面形狀。在8μs時刻，圖3（a）應力云圖顯示靶板背面受到拉應力達到480MPa，大于2A14T6鋁板的抗拉強度430MPa;在一段時間的拉伸作用下，10μs時靶板背面開始出現裂紋;最終在12μs時，整塊平板斷裂。此外，由切割斷面形狀也可以判斷，圖3（d）方框內的斷面形狀不規(guī)則，而射流侵徹的斷面較平整（侵徹厚度大約為4.3mm），由此可判定鋁板背面是在拉伸應力作用下拉斷的。

圖4為聚能切割索切割8mm鋁板的仿真計算結果。其中圖4（a）和（b）分別為6μs和15μs鋁板侵徹過程圖，圖4（c）為15μs時鋁板的應力云圖。鋁板的侵徹深度大約為4.2mm，在射流侵徹初期，主要靠高速、高溫、高壓的射流切割鋁板，鋁板幾乎不發(fā)生形變;在侵徹過程中，射流速度不斷減小，侵徹能力不斷下降，此時，鋁板發(fā)生彎曲變形。依據鋁板的應力云圖可知，鋁板背面受到的最大拉應力為402MPa，小于其屈服應力430MPa，故其背面未出現拉斷痕跡。

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試驗與結果分析

3.1試驗方法

采用楔形靶板進行切割試驗（見圖5），圖5（a）為試驗裝置的三維圖，圖5（b）為試驗裝置的截面圖。楔形靶板材料為2A14-T6（抗拉強度430MPa，延伸率為13%），楔形靶板的厚度范圍為（4.0～11.0）mm。某V型聚能切割索的主裝藥的主要成分為黑索今，炸高為1.7mm，切割索露出80mm，采用電雷管軸向起爆的方式起爆切割索。試驗后，回收靶板殘骸，觀察切割截面并測量侵徹厚度和拉斷厚度。

3.2試驗結果分析

圖6為楔形靶板切割試驗殘骸，靶板的切割截面可以劃分為：侵徹區(qū)、拉斷區(qū)和未切斷區(qū)。其中侵徹區(qū)表面光滑，有熔融痕跡;拉斷區(qū)表面不規(guī)則，有細小的尖銳角，拉斷區(qū)和侵徹區(qū)之間有明顯地分界面;未切斷區(qū)是試驗完成后用工裝掰開，表面與侵徹區(qū)和拉斷區(qū)顯著不同。侵徹區(qū)厚度為（4.11～4.58）mm，拉斷區(qū)厚度為（0～3.61）mm。拉斷厚度最大占到切割厚度的46%。

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結論

通過對聚能切割索切割鋁板的數值仿真和楔形靶板的切割試驗過程的研究，認為聚能切割索切割鋁板主要分為三個階段：（1）高速射流侵徹鋁板，鋁板在高溫、高壓、高速的射流作用下發(fā)生侵徹;（2）射流速度不斷降低，最終銅粒子和鋁板粘在一起，未切斷部分不斷拉伸，鋁板厚度不斷減小