聚能切割索切割过程的数值仿真和试验研究获奖科研报告

聚能切割索切割过程的数值仿真和试验研究获奖科研报告

摘

要：本文采用数值仿真和试验的手段对聚能切割索切割金属靶板的过程进行了研究，仿真和试验结果证明：聚能切割索切割金属靶板的过程包括侵彻和拉断过程，拉断厚度最大占切割厚度的46%，切割过程仿真可指导工程设计。

关键词：聚能切割索;数值仿真;切割过程

引言

聚能切割索是最近发展起来的一种特殊切割技术，它是利用成型装药的爆轰来压垮金属药型罩形成高速的线型射流，能在瞬间切割各种金属或非金属材料。聚能切割索具有结构简单、切割能力强、性能可靠的特点，在切割的过程中无飞片、破片现象，切缝规则，易于控制切割形状。聚能切割索多用在常规机械工业手段（如锯切、车削、气割等）无法实施安全作业的特殊环境中，如运载火箭的级间分离装置[1]、飞机救生系统[2-4]、核设施的拆除[5]、海底沉船的切割打捞、地下或水下石油井架的切割拆除[6]等。

聚能切割索切割金属靶板主要依靠金属射流对靶板的侵彻作用。射流侵彻过程通常分为三个阶段[7]：（1）开坑阶段，侵彻初始阶段，从射流头部撞击静止靶板开始，到射流在靶板建立稳定的三高区（高温、高压、高应变率）为止;（2）准定常阶段，此阶段碰撞点处的压力比较小，射流能量分布变化缓慢，侵彻参数变化不大，侵彻孔径变化也不大，基本与侵彻时间无关;（3）终止阶段，射流速度降低，靶板强度的作用越来越明显，射流的侵彻速度减慢，扩孔能力降低，前面的射流残渣影响了后续射流与靶板材料的直接接触，这导致了射流侵彻能力的减弱，此外射流在侵彻的后期产生颈缩和断裂，对侵彻过程产生不利影响。

目前，大量的研究聚焦在聚能切割索工作时射流的侵彻过程，但是聚能切割索在工程应用时并没有要求完全侵彻靶板，允许一部分靶板被金属射流拉斷。这样能够降低聚能切割索的线密度，减小其工作时产生的冲击对系统的影响。

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有限元模型

1.1物理模型

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数值仿真计算结果与分析

本文主要仿真计算了一种聚能切割索对不同厚度铝靶板的切割过程（包括侵彻和拉断）。

图2为聚能切割索切割4mm铝板的仿真计算结果。其中图2（a）和（b）分别为6μs和15μs铝板切割过程图，图2（c）为铝板完全切断时的应力云图。从仿真过程和切割截面形状可知，靶板完全被金属射流侵彻。侵彻过程经历了开坑阶段和准定常阶段[7]。

图3为聚能切割索切割6mm铝板的仿真计算结果。其中图3（a）、（b）和（c）分别为8μs、10μs和12μs铝板切割过程，图3（d）为铝板切割断面形状。在8μs时刻，图3（a）应力云图显示靶板背面受到拉应力达到480MPa，大于2A14T6铝板的抗拉强度430MPa;在一段时间的拉伸作用下，10μs时靶板背面开始出现裂纹;最终在12μs时，整块平板断裂。此外，由切割断面形状也可以判断，图3（d）方框内的断面形状不规则，而射流侵彻的断面较平整（侵彻厚度大约为4.3mm），由此可判定铝板背面是在拉伸应力作用下拉断的。

图4为聚能切割索切割8mm铝板的仿真计算结果。其中图4（a）和（b）分别为6μs和15μs铝板侵彻过程图，图4（c）为15μs时铝板的应力云图。铝板的侵彻深度大约为4.2mm，在射流侵彻初期，主要靠高速、高温、高压的射流切割铝板，铝板几乎不发生形变;在侵彻过程中，射流速度不断减小，侵彻能力不断下降，此时，铝板发生弯曲变形。依据铝板的应力云图可知，铝板背面受到的最大拉应力为402MPa，小于其屈服应力430MPa，故其背面未出现拉断痕迹。

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试验与结果分析

3.1试验方法

采用楔形靶板进行切割试验（见图5），图5（a）为试验装置的三维图，图5（b）为试验装置的截面图。楔形靶板材料为2A14-T6（抗拉强度430MPa，延伸率为13%），楔形靶板的厚度范围为（4.0～11.0）mm。某V型聚能切割索的主装药的主要成分为黑索今，炸高为1.7mm，切割索露出80mm，采用电雷管轴向起爆的方式起爆切割索。试验后，回收靶板残骸，观察切割截面并测量侵彻厚度和拉断厚度。

3.2试验结果分析

图6为楔形靶板切割试验残骸，靶板的切割截面可以划分为：侵彻区、拉断区和未切断区。其中侵彻区表面光滑，有熔融痕迹;拉断区表面不规则，有细小的尖锐角，拉断区和侵彻区之间有明显地分界面;未切断区是试验完成后用工装掰开，表面与侵彻区和拉断区显著不同。侵彻区厚度为（4.11～4.58）mm，拉断区厚度为（0～3.61）mm。拉断厚度最大占到切割厚度的46%。

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结论

通过对聚能切割索切割铝板的数值仿真和楔形靶板的切割试验过程的研究，认为聚能切割索切割铝板主要分为三个阶段：（1）高速射流侵彻铝板，铝板在高温、高压、高速的射流作用下发生侵彻;（2）射流速度不断降低，最终铜粒子和铝板粘在一起，未切断部分不断拉伸，铝板厚度不断减小