金属型材线型聚能爆炸切割试验与数值模拟研究

唐献述，王树民，翟国锋

金属型材线型聚能爆炸切割试验与数值模拟研究

*唐献述1，王树民2，翟国锋1

(1. 空军空降兵学院一系，广西，桂林 541003；2.解放军理工大学工程兵学院，江苏，南京 210007)

对于金属结构物的线型聚能切割爆破，主要是利用线型聚能切割器切割金属型材。通过试验研究了线型聚能切割器对不同厚度钢板、角钢、槽钢和工字钢的切割能力，探讨了切割器设置问题，分析了起爆点对聚能切割器切割能力的影响问题。研究发现线型聚能切割爆破装药量仅为外部药包爆破的几分之一至几十分之一；聚能切割装药可根据炸断线的要求，可以方便地加工成所要求的形状且能够实现理想的切割断面和理想的切口方向，但是起爆点位置对切割效果的影响较大。论文的结论对于切割器选型和爆破方案的设计具有指导意义。

线型聚能切割器；切割能力；金属型材

0 引言

对金属结构物的爆破，用常规爆破方法，用药量大，装药设置难度大，而且危害效应大，难以达到理想的爆破效果。采用线型聚能切割爆破，具有炸药消耗少、装药设置简便、爆破效果理想、危害效应小的优点，因此，线型聚能爆炸切割技术已经成为金属结构物爆破的不二选择。对于金属结构物的线型聚能切割爆破，主要是利用线型聚能切割器切割金属型材构件[1-3]，研究线型聚能切割器对金属型材切割能力，对于爆破方案设计具有指导意义[4]。

1 试验方案

1.1 金属型材

金属型材构件主要选用常用的钢板、槽钢、角钢、工字钢、钢管，材质为A3钢。

1.2 试验中采用的切割器材与TNT直列装药

线型聚能切割器选用了多种型号的柔性切割索、组合式切割器，并且与TNT直列装药爆炸切割进行对比试验。

（1）切割索

切割索的型号及基本参数见表1。切割索装药为炸药为8701炸药，聚能穴角度90°±3°，长1~2 m，如图1所示（图1右侧两根切割索分别为型号1和型号3）。

（2）组合式聚能切割器

组合式切割器（暂命名为型号A）基本参数见表1，其炸药与药型罩分离，使用时结合。药型罩为A3钢，单边长5 cm，厚度1.5 mm，开口角60°；炸药为TNT（30%）与黑索金（70%）的混合炸药(图1左侧分别为装药和药型罩)，每米装药量1000 g。

表1 聚能切割器的型号及参数

（3）TNT炸药

选用5 cm×10 cm×20 cm的200 g制式TNT。

TNT直列装药炸断钢板的药量计算，有比较成熟的经验公式[2]。

炸断厚度为2.5 cm以下的钢板时：

C＝25 F （1）

炸断厚度为2.5~10cm的钢板时：

C＝10 hF （2）

式中：C—中级炸药（TNT为代表）装药量(g)；h—钢板厚度(cm)；F—炸断面积(cm2)。

1.3 起爆方法

聚能切割器起爆体必须可靠起爆聚能切割器的装药。试验中起爆点的设置有三种方式：第一种设置在装药的端部药型罩顶角内侧；第一种设置在装药的端部顶角外侧；第三种设置在聚能切割器中央外侧位置（如图2）。起爆体用8#雷管直接引爆。TNT直列装药的起爆点设置在中间位置。

图1 聚能切割器的类型

图2 起爆点置位设置

1.4 切割器的加工与安装

根据切割对象的厚度和结构，对切割器进行加工，使之能够与切割线紧密结合。为防止意外，现场加工时，切割索放在木板上加工，不允许用钢锯猛烈锯炸药[5]。聚能切割器可以根据爆破线的形状设置成I形、L形、T形、U形、H型、O型等。按照爆破各部位的形状，将切割器设置在炸断线的各个部位，用铁丝、绳索、胶布及小木块等辅助器材对切割器进行固定。

2 试验结果

2.1 钢板的爆炸切割

试验1：用表1中型号1的聚能切割器，长250 mm，爆破1块405 mm×205 mm×10 mm 的A3钢板。起爆点设置在装药的端部药型罩顶角内侧，爆破完全切断钢板，并且在切口处设置切割器的对面一侧出现翻唇现象，并且产生金属破片（爆破效果见图3a）。

聚能切割装药量150 g/m，250 mm装药量为37.5 g。而采用200 gz TNT药块爆破，炸断钢板的药量为2块200 g TNT即400 g TNT，是聚能切割装药的10.7倍。

试验2：用表1中型号3的聚能切割器，长350 mm，爆破1块400 mm×300 mm×20 mm的 A3钢板。起爆点设置在装药的端部药型罩顶角内侧，爆破完全切断钢板，在切口处设置切割器的对面也出现翻唇现象，并且产生金属破片(爆破效果见图3b)。

聚能切割装药量350 g/m，350 mm装药量为122.5 g。而采用200 g TNT药块爆破，炸断钢板的药量为6块200 g TNT即1200 g TNT，是聚能切割装药的9.8倍。

试验3：用组合式聚能切割器2块(每块长202 mm)，爆破1块630 mm×403 mm×27 mm的A3钢板。从一端起爆，钢板被完全切断，在切口处设置切割器的对面也出现翻唇现象，并且产生金属破片（爆破效果见图3c）。

聚能切割装药量1000 g/m，400 mm装药量为 400 g。而采用200 g TNT药块爆破，炸断钢板的药量为12块200 g TNT即2400 g TNT，是聚能切割装药的6倍。

爆破试验4：用表1中型号3的聚能切割器长403 mm，爆破1块630 mm×403 mm×27 mm的A3钢板。起爆点设置在装药的端部药型罩顶角内侧，起爆端约100 mm长度的钢板未断裂。而采用聚能切割器中央上端起爆时，整个钢板被切割成一条槽，其中起爆点位置的切割深度为20 mm，两端的切割深度达25 mm（爆破效果见图3d）。

图3 切割器切割钢板效果图

型号3聚能切割装药量350 g/m，长403 mm，装药量为141.05 g。若采用200 g TNT药块爆破，炸断钢板的药量为12块200 g TNT即2400 g TNT。

2.2 角钢的爆炸切割

试验用的角钢为边长75 mm和95 mm的两种规格，边厚6 mm，拐角处厚15 mm。

线型聚能切割器进行切割爆破：采用型号3爆炸切割器。将切割器加工成L型，设置在角钢的外沿。切割器总长度为250 mm，装药量为62.5 g。起爆点设置在装药的一端药型罩顶角内侧，爆炸切割完全，切割部位弯曲（爆破效果见图4）。

用TNT外部药包爆破时，需3块200 g TNT，是切割装药的9.6倍。

2.3 槽钢的爆炸切割

试验用槽钢断面的边长为75 mm＋200 mm＋75 mm，边厚为6 mm，拐弯处厚为15 mm。

外部药包爆破时，槽钢可认为是两个角钢的组合，通常边沿薄而拐角厚。因此，装药量的计算和钢板一样。

采用型号3爆炸切割器，设置在槽钢的外沿，起爆点设置在装药的一端药型罩顶角内侧，爆炸切割完全，切割部位弯曲（爆破效果见图5）。

图4 角钢切割爆破效果

图5 槽钢切割爆破效果

2.4 工字钢的爆炸切割

图6 工字钢爆炸切割效果

试验用工字钢上翼缘及下翼缘边长127 mm，边厚8 mm，与腹板相交处厚度为25 mm，腹板厚13 mm，上下翼缘边沿间距303 mm。

采用型号3切割器。按垂直切割和倾斜切割两种方式进行设置。切割器分别配置在上翼缘、下翼缘和腹板上。上翼缘和下翼缘起爆点设置在边沿端部，而腹板的起爆点位置设置在切割器的中部。各切割器利用瞬发电雷管串联起爆。垂直切割和倾斜切割位置均被完全切断，效果十分理想（爆破效果见图6）。

3 试验结果分析

3.1 起爆点位置对切割效果的影响

对钢板爆炸切割试验的试验四充分说明起爆点位置对切割效果有一定影响。将装药设置于药型罩内侧时，爆轰波向外侧传播，不利于聚能射流的形成。受爆轰波传播方向的影响，起爆点位置切割能力有明显的降低。将起爆点设置于切割器的外侧，爆轰波向内侧传播，有利使药型罩形成金属射流，爆破效果好，可明显改善爆炸切割的效果。一般起爆点附近切割效果较差，因为起爆点位置爆轰波不稳定，即没有形成稳定的爆轰，影响射流的形成，从而影响切割效果（参见试验4，图3）。

切割点设置对于爆破工字梁等结构复杂的构件时尤为重要。通过对槽钢、工字钢爆炸切割试验，将起爆点设置于切割器中央外侧，能够实现理想的爆炸切割效果。

3.2 聚能切割器与TNT装药切断爆破比较分析

通过切割器与TNT药块切割钢板的对比试验，发现切断相同规格的钢板，TNT药块的用量远大于切割器的药量。主要原因在于聚能切割器的聚能效应将能量向切割线集中，提高装药的利用效率，聚能切割装药与外部药包爆破相比，装药量仅为外部药包的几分之一至几十分之一。

3.3 数值模拟分析

为了进一步分析聚能切割器的切割过程，分析影响切割能力的因素，对3号切割索切割钢板的过程进行了数值模拟分析。数值模拟分析是在LS-DYNA软件平台上进行。

3.3.1 模型的建立

图7 模型结构参数图

数值分析时作如下简化：炸药、药型罩和壳体材料为均匀连续介质；整个爆炸过程为绝热过程；装药结构为严格的面对称结构，起爆方式为棱上同时起爆(即装药为线起爆方式)。这样，三维空间问题就转化二维平面应变问题，计算模型中使用的起爆方式也就转化为点起爆。线型聚能切割器基本结构参数见图7。切割器的装药为8701炸药，外壳及药形罩的材料均为铅锌合金。

数值模拟过程中对于炸药采用JWL状态方程，铅锌合金采用Johnson/Cook弹－塑性模型。在计算过程中，采用Euler法进行计算。

3.3.2 射流形成及切割钢板的过程

图8 射流和靶板变形过程示意图

图8为不同时刻射流状态和金属射流切割靶板过程。

炸药起爆后，药型罩在爆轰波的作用下迅速被压垮，并向对称平面加速运动，在对称面上相碰，能量进行重新分配，药型罩内层的金属被压垮，形成高速运动的金属射流。高温高速的金属射流接触到钢板后，接触部位金属迅速熔化，射流进一步深入钢板内部，进而形成切割缝，将金属板切断。在最佳炸高条件下，射流侵彻钢板过程中，射流的温度和速度迅速降低，并且射流体存在速度梯度，导致射流被拉断，射流后部形成杵体。钢板被切断后，在钢板背面形成破片和翻唇。

3.3.3射流参数的分布特性

图9 12和16时刻射流内部密度分布图

图10 12和16时刻射流速度梯度分布

3.3.4 计算结果与试验结果的对比

图3(b)为装药对钢板的切割试验结果图，从试验结果发现，在钢板切口部和背部均出现翻唇，被切断的钢板切口处的地表面或地面下有切割钢板产生的金属破片。计算结果与试验结果的数值比较见表2。从整个对比来看，数值计算结果与试验还是比较吻合的。误差的存在主要是由于计算模型相对于实际情况进行了简化处理。

表2 计算结果与试验平均值比较

3.4 对非板型金属型材的爆炸聚能切割

根据上述试验结果，线型聚能切割器能够有效切断常见的I形、L形、T形、U形、H型、O型等非板型金属型材。

选择切割器要保证能够切断切割线上最厚的部位，在设置时要使切割器紧贴金属表面。聚能切割器要能够根据炸断线的要求，方便地加工成所要求的形状，且能够实现理想的切割断面和理想的切口方向。

一般设置多个起爆点，在型材的每个面都要设置起爆点。

4 结论

（1）聚能切割装药与外部药包爆破钢结构物相比，装药量仅为外部药包的几分之一至几十分之一。

（2）聚能切割装药可根据炸断线的要求，可以方便地加工成所要求的形状，且能够实现理想的切割断面和理想的切口方向。

（3）对于不同型钢的切割爆破，需要按照切割线上的最大厚度选择切割器。

（4）在型材的每个面都要设置起爆点，起爆点位置对切割效果的影响较大，起爆点应当选择在切割器顶部外侧。

[1] 谢兴博, 贺五一, 唐献述, 等.拆除控制爆破实用技术[M].南昌:江西科学技术出版社,2009:221-250.

[2] 中国人民解放军总参谋部兵种部.军事爆破工程[M].北京:解放军出版社,1999:221-236.

[3] 卢艳华,胡文军.钢结构爆破拆除中构件切断技术研究[J]. 西部探矿工程，2003,86(7):110-111.

[4] 唐献述,龙源.大型钢结构厂房拆除控制爆破总体方设计[J].工程爆破,2002,8(4):24-29.

[5] 熊组钊.线型聚能装药切割石材应用研究[J].武汉冶金科技大学学报:自然科学版,1999,22(3):239-241.

Experimental and Numerical Simulating Study on the Capacity of the Linear Shaped Charge Cutting the Shape Steel

*TANG Xian-shu1, WANG Shu-min2, ZHAI Guo-feng1

(1.The Airborne Force Academy ,Guilin, Guangxi 541003, China; 2.Engineering Institute of Engineering Corps of PLAUST, Nanjing, Jiangsu 210007, China)

The steel structure shaped charge blasting depends on cutting the shape steel. The cutting capacity for deferent type shape steel, such as steel plate, angle steel, U-steel, I-steel, was studied through the experiments. We discussed the shaped charger install methods and analyzed the influence of the detonating position. We also found that the charger quality of the shaped blasting is only several percent of that the common outer charger blasting. The shaped charger could be deformed or processed to fit the cutting line, but the detonating positions have influence on the cutting capacity. Finally, the conclusion has directive function for the shaped charger selection and the blasting design.

linear shaped charge; cutting capacity; shape steel

TJ410.3+33; O385

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.06.014

1674-8085(2013)06-0066-06

2013-01-10；

2013-09-13

军队科研项目(NJCX-RW-20030235)

*唐献述(1971-)，男，江苏睢宁人，注册安全工程师、高级爆破工程师，博士，主要从事爆炸力学、爆破器材与安全技术与管理研究(E-mail：T_Xianshu@163.com).

王树民(1972-)，男，河南开封人，硕士，主要从事控制爆破技术研究(E-mail:wsm.jlg@163.com);

翟国锋(1974-)，男，河南南阳人，讲师，博士，主要从事爆炸力学、爆破器材研究(E-mail：zgf9701@163.com).