爆炸切割冲击波防护结构设计与仿真

张 侃，赵 铮

(南京理工大学 能源与动力工程学院， 南京 210094)

利用微爆索作爆炸切割是一种日趋成熟的技术。其利用炸药爆炸后形成的压力来压垮药型罩，形成高速的线型射流，能在很短的时间内对结构进行切割。这种技术多应用于常规手段无法实施的特殊作业场合。然而在很多工程应用场景里，存在空间狭小，爆炸切割点距离人员较近，周围精密仪器密布等问题，爆炸产生的冲击波容易对周围的环境，人员造成较大伤害[1]。而爆炸冲击波是否对目标造成伤害，是冲击波超压唯一决定的[2]。降低爆炸冲击波的影响，是爆炸切割技术发展过程中不可忽视的问题。

工程中爆炸切割可以选取合适的防护材料进行近距离防护。关焕文等[3]比较了芳纶布，纯橡胶等材料的防护性能，刘佳等[4]验证了硬质聚氨酯泡沫对爆炸波具有很好的衰减效果，且厚度越大，衰减效果越好。胡延栋等[5]证明了多孔泡沫的孔结构对可燃气体爆轰波具有抑制作用，可使得温度和压力明显降低。高光发等[6]通过研究证明，防护结构采用圆形空穴的效果较方形空穴的防护效果更佳。

综合实际工程中的需要，对于防护材料的选取，应至少遵循以下几点要求。

1) 强度高，具有较好的冲击波衰减性能。

2) 本身不易因爆炸冲击而产生飞散物，对周围环境造成损伤。

3) 实际应用过程中由于空间、重量等因素的限制，材料应轻质、易成型。

4) 防护结构需要紧贴于被切割板的表面，材料应有良好的粘接性能。

综合各位学者的研究比对结果，聚氨酯材料是一种较为理想的材料。

本文首先以聚氨酯为材料设计了单层和双层两种不同的防护结构，然后利用LS-DYNA软件对爆炸切割过程建立了数值计算模型，得到了无防护情况下测点的超压，另一方面计算了测点峰值超压的理论值，并将仿真结果与其进行了对比，验证了数值计算的可靠性。通过建立两种不同的防护结构的计算模型，研究了防护结构对爆炸切割产生冲击波的防护性能，研究成果可以为后续结构的设计提供参考。

1 工况与理论计算

1.1 实际工况

本文对微爆索爆炸切割有机玻璃板产生的冲击波进行防护结构设计。长420 mm、宽200 mm、厚度为12 mm有机玻璃板安装在工装上，微爆索总长度为420 mm，粘接在有机玻璃板表面正中央，炸高为0。微爆索分为炸药及药型罩两部分，黑索金的装药线密度为3 g/m，药型罩厚度为0.3 mm，宽度为2.5 mm，高度为2.2 mm，由电爆管控制微爆索于端部起爆。超压测点位于微爆索正上方200 mm处，需要在微爆索周围50 mm×50 mm的空间内，设计一种可有效降低测点超压峰值的防护结构。

设计了单层与双层共两种防护结构，如图1所示，最大外径都为50 mm，最小内径为20 mm，材料均为聚氨酯。

图1 防护结构示意图

1.2 理论计算

微爆索的爆炸过程可以简化成炸药在地面上触地爆炸过程，相关学者已总结出一些经验公式可做计算[7-10]。综合亨利奇公式，萨多夫斯基公式等，使用以下公式计算冲击波峰值超压[11-12]：

(1)

(2)

(3)

炸药触地爆炸时释放出的冲击波则更多的向上传播，随着爆距的增大，衰减速率不如无限大空气区域内爆炸，此时应对等效TNT药量进行修正[13]，一般有WT′=2WT。

其中W为非TNT炸药的装药量，QV为炸药爆热，QVTNT为TNT炸药爆热。

在本工况中，长为420 mm，装药量为3 g/m黑索金的微爆索爆炸，计算距爆点200 mm处的超压。由于目标靶板是有机玻璃材质，质地较脆较硬，可看成条形药包触地爆炸。根据集中药包来计算，不同形状药包其冲击波峰值超压衰减指数不同，条形药包冲击波峰值超压衰减相比集中药包更慢；距离爆点较近处峰值超压接近；距离爆点较远处峰值超压高于集中药包[14]。在本工况中被测点位于爆点上方 200 mm 处，可简化成集中药包的触地爆炸。

根据公式计算得其等效TNT装药量WT′=2WT=3.456×10-3kg。其比例距离计算得。其峰值超压计算得ΔPm=0.514 MPa。

2 仿真模型

2.1 有限元模型

实验采用3 g/m药量的微爆索对12 mm厚的有机玻璃平板进行切割，采用cm-g-μs单位制建模。考虑到实验装置的对称性，选用单层实体网格建立二分之一模型，网格均采用8节点六面体单元，炸药、药型罩、空气采用ALE网格。有限元模型如图2所示。

图2 微爆索和整体有限元模型

空气域为半径为20 cm的四分之一圆和200 mm×20 mm 的矩形组合而成。靶板为100 mm×12 mm的矩形。炸药放置于靶板上方，并位于对称轴上。起爆方式为上端起爆。对空气域边界设置无反射边界条件，模拟无限大空气区域。单层防护和双层防护的有限元模型如图3所示。

图3 防护结构有限元模型

2.2 材料模型

炸药采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型来进行描述，相关参数由JWL状态方程来描述：

(4)

式中：p为压力；A、B、R1、R2、ω为材料常数；V为初始相对体积；E为初始比内能。相关参数如表1所示。

表1 炸药相关参数

药型罩采用*MAT_ELASTIC线性材料模型。相关参数如表2所示。

表2 药型罩相关参数

靶板采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS塑性损伤模型，一般多用于陶瓷、玻璃等脆性材料的建模。主要参数如表3所示。

表3 靶板主要参数

防护结构采用*MAT_BLATZ-KO_RUBBER模型，泊松比固定为0.463，这种模型适合模拟几乎不可压缩的橡胶材料，可以较好的模拟聚氨酯材料所制成的防护结构。防护结构下部和目标靶板粘连，通过*CONTACT_TIEBREAK_SURFACE_TO_SURFACE关键字实现。其密度为960 kg/m3,其剪切模量为10 GPa。

3 数值模拟

利用LS-DYNA软件对爆炸切割过程进行拟，得到了无防护、单层防护、双层防护结构下的空气域的冲击波压力云图，如图4～6所示。

图4 无防护空气域冲击波压力云图

图5 单层防护空气域压力云图

图6 双层防护空气域冲击波压力云图

爆炸后爆轰产物以很高的速度向周围膨胀，压缩周围空气形成冲击波。随着冲击波的不断传播，波阵面的压力也迅速下降。爆炸传播的初始阶段超压峰值衰减较快，而爆炸传播的后期衰减则较为平缓。在粘接了防护结构的算例中，爆点附近轮廓明显的蓝色区域为防护结构，随着冲击波的继续传播，冲击波对防护结构进行冲击，与此同时防护结构产生较大形变并逐步脱离有机玻璃板。

图7表示了冲击波在不同介质界面上的透反射过程。

图7 冲击波在不同介质界面上的透反射过程示意图

冲击波σ首先在空气和聚氨酯内交界面处发生反射和透射，透射波进入防护结构继续传播，成为一次透射波σT1。由于空气的波阻抗比聚氨酯小很多，当聚氨酯中的一次透射波σT1传播到空气与聚氨酯的外交界面时，将主要在交界面处发生反射，成为一次反射波σR1，同时以透射波的形式向空气介质传播，成为二次透射波σT2，且二次透射波σT2的强度比一次透射波σT1要小很多，二次透射波σT2导致了首个波峰的产生。

一次反射波σR1向内传播到内交界面时再次发生反射和透射，少部分透射进入内部，另一部分再次发生反射形成第二次反射波σR2，二次反射波σR2沿着与一次反射波相反的方向向外传播并回到上交界面，一部分再次透射进入空气，成为三次透射波σT3。这一过程在交界面处不断重复，导致后续波峰的产生，但峰值逐渐减小。

图8为冲击波在穿过空气介质时示意图。双层防护结构相当于在单层防护结构中插入了一层空气介质，使得冲击波在空气和聚氨酯交界面处不断产生反射以及折射。而与靶板粘接的部分是连续的聚氨酯材料，冲击波在聚氨酯材料中不间断的传播。两种情况导致冲击波在传出防护结构后呈现不规则的球形。

为了研究防护结构对测点冲击波峰值的影响，给出了3种条件下爆点上方200 mm处测点的压力时程曲线，如图9。

计算表明，无防护结构下，测点在微爆索正上方200 mm高度位置，通过仿真的对比分析可知，微爆索爆炸后，空气冲击波在109 μs最先到达爆点上方200 mm处的测点，超压峰值在115 μs时刻出现，其数值为0.525 MPa，理论计算值ΔPm=0.514 MPa，相对于理论值，仿真误差为2.14%。

单层防护下，测点处的超压远低于无防护情况下。200 mm处的超压峰值为0.134 MPa。与无防护结构相比，冲击波峰值降低了73.93%。双层防护下冲击波超压峰值在140 μs时刻出现，其数值为0.069 MPa，与无防护结构相比冲击波峰值降低了86.86%；与单层防护结构相比冲击波峰值进一步降低了48.51%。

图8 冲击波穿过空气介质示意图

图9 测点压力时程曲线

4 结论

1) 仿真结果表明，无防护结构下爆点上方200 mm处的冲击波峰值仿真结果为0.525 MPa，与理论值的误差为2.14%；

2) 单层防护结构使冲击波传播介质空气和聚氨酯交替排列，符合波阻抗大小交替排列削波性能较好的规律，仿真计算得出单层防护结构较无防护峰值超压降低73.93%；

3) 仿真计算得出双层防护结构较无防护峰值超压降低86.86%，较单层防护峰值超压降低48.51%。