聚能切割参数设计方案书

第二章 影响线型聚能装药侵彻能力的因素

爆炸切割是利用聚能原理来切割坚硬物质的爆炸新技术。由于切割都是沿着一个面切割出一条窄缝来，因此，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的装药，在空腔中嵌有金属药型罩。药型罩的形状可以是圆弧形或各种不同顶角的楔形，药型罩的材料可以是铜、钢、铝、铅等。利用这种装药可制成各种爆炸切割器，图2.1为线型聚能装药的基本构形。

2.1 线型聚能装药作用的基本原理

当炸药起爆后，爆轰波一方面沿着炸药的长度方向传播，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的压

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，药型罩内壁附近的金属在对称平面上挤出一块向着装药底部以高速运动的片状射

流，通常称之为“聚能刀”。它一般是呈融

熔状态（热塑状态）的高速金属射流，其头部速度大约3000～5000m/s ，集中了很高的能量。金属射流在飞行中不断拉长，当它与

金属靶板发生相互作用时，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，而飞溅和汽化的不多。随着射流和靶板的连续作用，金属射流不断损失能量并依附在金属断裂面上。爆炸切割器正是依靠这种片状的“聚能刀”，实现对金属的切割作用。图2.2

为线型聚能装药射流形成和拉伸断裂的示

意图，图中所采用的起爆方式为典型的端部点起爆方式。可以看出，药型罩的压

图2.1 线型聚能装药的基本构形 Fig.2.1 The basic figuration of

炸药

图2.2 LSC 药型罩压垮和射流形成特性

Fig.2.1 Liner collapse and jet formation 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

垮由一端向另一端逐步发展，射流在运动过程中拉伸，当达到射流材料的最大屈服强度时，射流发生断裂。

2.2 线型聚能射流的主要参数

线型聚能射流参数是研究射流切割的主要因素，对于端部起爆的线型聚能装药而言，可以采用滑移爆轰理论来研究射流的主要参数。

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 随爆轰波阵面一直运动，Oyz 为切割器的横截面，Oxy 为对称面，α为金属药型罩的顶半角。见图2.3。

由图2.3可以看出，药型罩平面的单位法向量为，

k j n

⋅-⋅=ααcos sin 1 （2.1）

直线OA 在Oyz 平面上，其方程为，

⎩⎨

⎧=-=0

cos sin 0

ααz y x （2.2）

因此，可得压垮平面OAC 的方程式，

0c o s s i n

=-+ααλz y x （2.3）

则平面OAC 的单位法向量为，

(

)

k j i n

⋅-⋅++=

ααλλ

cos sin 112

2

（2.4）

图2.3 聚能线型切割器示意图

设药型罩的折转角为θ（如图2.4），则有，

θλ

cos 112

21=+=

⋅n n

（2.5）

即得，

θλtg =

（2.6）

设压垮平面OAC 与对称平面OCD 构成的夹角为σ，此即为碰撞棱OC 的V 形角之半，

θασcos sin cos 2=⋅-=n k

（2.7）

按照经典射流理论，射流质量由下式给出，

()σcos 121

-=

L j M M （2.8）

式中M L 为药型罩质量，将（2.7）式代入（2.8），可得射流质量为，

()θαc o s s i n 12

1

-=L j M M

（2.9）

在高压作用下，药型罩材料可近似为理想不可压缩流体。药型罩OB 在其垂直法平面（即Oxs 平面）内的运动可按飞板飞行曲线的一般理论来求解。在图2.4中，s=f (x )为飞行曲线，

()x f dx

ds

tg '==

θ

（2.10）

式中θ为飞板弯折角。碰撞来流速度在Oxyz 坐标系中可表示为，

k v j v i v v d d d f

⋅+⋅-⋅=αθαθθcos sin sin sin cos

（2.11）

由于切割器以Oxy 面为对称面，两边的药型罩在在飞行中将在Oxy 面上发生碰撞，在Oxy 平面上的碰撞点连线（在二维碰撞时为驻点连线，以下称为碰撞棱）

图2.4 飞板飞行曲线及弯折角θ图 Fig.2.4 Flight curve and bending

图2.5 坐标关系与二维碰撞图 Fig.2.5 Coordinate relation

的方程式为，

()α

sin x f y -

= （2.12）

其中α为药型罩与对称面之间的夹角，碰撞棱与x 轴的夹角为β，

()αθ

αβsin sin tg x f dx dy tg -

='-== （2.13）

如果建立一个新坐标系Ox 'y 'z '，其中x '，y ' 轴是x ，y 轴绕z 轴转过β角而求得

的（如图2.5）。

⎪⎩⎪⎨⎧='⋅+⋅-='⋅+⋅='k

k j i j j

i i

ββββcos sin sin cos

（2.14）

取该坐标系相对Oxyz 坐标以u 的速度沿x ' 轴的正方向运动，其中u

为，

()i v u d

'⋅-=βαθβθsin sin sin cos cos

（2.15）

将式（2.14）代入式（2.11）中并减去u

，可以获得在新坐标系中的碰撞前来流速度为，

()k v j v v d d f

'⋅+'⋅--='αθβαθβθcos sin cos sin sin sin cos （2.16）

因此，这个三维碰撞在Ox 'y 'z 坐标系中就变为来流为f v

'的二维轴对称碰撞，且

有解（如图2.5），

⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧'⋅'=''⋅'-='⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛''⋅'-=-=j v v j v v v j v f s f f f f j j

s

,12δδδδδ （2.17）

式中δ－药型罩厚度，s δ－碰撞后药型罩的出流厚度，j δ－再入射流厚度，j v

'－

Ox 'y 'z 坐标系中的射流速度，s v

'－Ox 'y '

z 坐标系中的出流速度。 将式（2.16）代入式（2.17），求得，

()()⎪⎪

⎪

⎩

⎪

⎪

⎪⎨⎧

+=-=='αθδδαθδδβθαcos cos 12cos cos 12cos s j

d f tg ctg v v （2.18）

将速度还原到Oxyz 坐标系中，可以得到，