聚能切割参数设计专项方案书.doc
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1、第二章 影响线型聚能装药侵彻能力因素图2.1 线型聚能装药基本构形Fig.2.1 The basic figuration of linear shaped charge药型罩炸药对称面xyz爆炸切割是运用聚能原理来切割坚硬物质爆炸新技术。由于切割都是沿着一种面切割出一条窄缝来,因而,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装药,在空腔中嵌有金属药型罩。药型罩形状可以是圆弧形或各种不同顶角楔形,药型罩材料可以是铜、钢、铝、铅等。运用这种装药可制成各种爆炸切割器,图2.1为线型聚能装药基本构形。2.1 线型聚能装药作用基本原理图2.2 LSC药型罩压垮和射流形成特性Fig.2.1
2、 Liner collapse and jet formation characteristic of a LSC杵体主射流外壳断裂射流(a)起爆初时(b)射流形成(c)射流断裂当炸药起爆后,爆轰波一方面沿着炸药长度方向传播,另一方面沿着药型罩运动,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,药型罩内壁附近金属在对称平面上挤出一块向着装药底部以高速运动片状射流,普通称之为“聚能刀”。它普通是呈融熔状态(热塑状态)高速金属射流,其头部速度大概30005000m/s,集中了很高能量。金属射流在飞行中不断拉
3、长,当它与金属靶板发生互相作用时,迫使靶板表面压力突然达到几百万大气压。在高压作用下,靶板表面金属被排开,向侧表面堆积,而飞溅和汽化不多。随着射流和靶板持续作用,金属射流不断损失能量并依附在金属断裂面上。爆炸切割器正是依托这种片状“聚能刀”,实现对金属切割作用。图2.2为线型聚能装药射流形成和拉伸断裂示意图,图中所采用起爆方式为典型端部点起爆方式。可以看出,药型罩压垮由一端向另一端逐渐发展,射流在运动过程中拉伸,当达到射流材料最大屈服强度时,射流发生断裂。2.2 线型聚能射流重要参数线型聚能射流参数是研究射流切割重要因素,对于端部起爆线型聚能装药而言,可以采用滑移爆轰理论来研究射流重要参数。y
4、yzsxABO爆轰方向药型罩炸药xzBCDOvf图2.3 聚能线型切割器示意图Fig.2.3 Sketch map of LSC cutterA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Oxyz随爆轰波阵面始终运动,Oyz为切割器横截面,Oxy为对称面,为金属药型罩顶半角。见图2.3。由图2.3可以看出,药型罩平面单位法向量为,(2.1)直线OA在Oyz平面上,其方程为,(2.2)因而,可得压垮平面OAC方程式, (2.3)则平面OAC单位法向量为,(2.4)设药型罩折转角为(如图2.4),则有,(2.5)即得,(2.6)设压垮平面OAC与对称平面OCD构成夹角为,此即为
5、碰撞棱OCV形角之半, (2.7)按照典型射流理论,射流质量由下式给出,(2.8)式中ML为药型罩质量,将(2.7)式代入(2.8),可得射流质量为, (2.9)在高压作用下,药型罩材料可近似为抱负不可压缩流体。药型罩OB在其垂直法平面(即Oxs平面)内运动可按飞板飞行曲线普通理论来求解。在图2.4中,s=f(x)为飞行曲线,炸药爆轰产物xvds爆轰方向s=f(x)图2.4 飞板飞行曲线及弯折角图Fig.2.4 Flight curve and bending angle of flying plateyxyx-jjvfjxvsyszvj图2.5 坐标关系与二维碰撞图Fig.2.5 Coord
6、inate relation and 2D collision plot (2.10)式中为飞板弯折角。碰撞来流速度在Oxyz坐标系中可表达为,(2.11)由于切割器以Oxy面为对称面,两边药型罩在在飞行中将在Oxy面上发生碰撞,在Oxy平面上碰撞点连线(在二维碰撞时为驻点连线,如下称为碰撞棱)方程式为,(2.12)其中为药型罩与对称面之间夹角,碰撞棱与x轴夹角为,(2.13)如果建立一种新坐标系Oxyz,其中x,y 轴是x,y轴绕z轴转过角而求得(如图2.5)。 (2.14)取该坐标系相对Oxyz坐标以u速度沿x 轴正方向运动,其中为,(2.15)将式(2.14)代入式(2.11)中并减去,
7、可以获得在新坐标系中碰撞前来流速度为, (2.16)因而,这个三维碰撞在Oxyz坐标系中就变为来流为二维轴对称碰撞,且有解(如图2.5),(2.17)式中药型罩厚度,碰撞后药型罩出流厚度,再入射流厚度,Oxyz坐标系中射流速度,Oxyz坐标系中出流速度。将式(2.16)代入式(2.17),求得,(2.18)将速度还原到Oxyz坐标系中,可以得到,(2.19)即有,(2.20)上式表达是在坐标系Oxyz中所观测到射流速度,因而射流绝对速度为,(2.21)图2.6 等药厚时射流流动参数图Fig.2.6 Parameter plot of jet flow in uniform charge thi
8、cknessOAGC杵体聚能刀碰撞棱vjvjAvdxyE射流方向与形状见图2.6,从式(2.20)和式(2.21)可以求得, (2.22)其中为射流刀与x轴夹角,为射流绝对速度与对称轴y夹角。显然,即射流绝对速度()是角EOG平分线。2.3 影响侵彻深度重要因素侵彻深度是线型聚能装药爆炸切割作用最后体现,线型聚能装药所采用炸药、药型罩、装药对称性、隔板、炸高以及装药壳体和靶板材料,都对其侵彻深度有影响,靶板材料不同对侵彻深度效果也不相似。由于本文重要针对线型聚能装药构造参数进行研究,下面仅就影响线型聚能装药侵彻深度几种重要因素进行讨论。2.3.1炸药性能炸药是爆炸切割能源。炸药爆炸后不久将能量
9、传给药型罩,药型罩在轴线上闭合,产生高速运动金属射流,然后依托金属射流进行切割。理论分析和实验研究都表白,炸药影响侵彻深度重要因素是爆压。随着炸药爆压增长,侵彻深度和切口宽度都增长。对于含铝炸药,其侵彻能力明显减少。虽然铝粉增长了爆热,但此能量是在爆轰波阵面后二次反映中释放出来,而药型罩闭合过程不久,重要取决于最初510内爆轰能量,铝粉放出能量来不及推动药型罩,却减少了波阵面上压力,因而使侵彻效果减少。炸药爆压是爆速和装药密度函数,按照爆轰理论(2.23)式中为炸药初始密度,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。因此,为了提高侵
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