聚能射流侵彻
装药爆炸过程中聚能射流行为模拟
ANSYS 软件及应用 装药爆炸过程中聚能射流行为模拟
装药爆炸过程中聚能射流行为模拟 1. 聚能效应简介 聚能效应（Gathering energy effect），通常称为“门罗效应”，即炸药爆炸后，爆炸产物在高温高压下基本是沿炸药表面的法线方向向外飞散的。因此，带有锥形凹槽的装药在引爆后，凹槽附近的爆轰产物飞散时将在装药轴线处汇聚，形成一股高速、高温、高密度的射流，这股射流在靶板较小的区域内形成较高的能量密度，致使炸坑较深。这种利用装药一端空穴以提高爆炸后局部破坏作用的效应称为聚能效应。 聚能效应的应用非常广泛，在军事上，可用来生产穿甲弹、碎甲弹、反坦克枪榴弹等，用于对付各种装甲目标；在工程爆破中，可在土层和岩石上打孔，其中在石油工程领域的应用最为典型；另外，聚能效应也可用于水下切割构件，在野外切割钢板、钢梁等。 图1显示了不同装药结构的穿孔能力。图1.a中爆轰产物向柱型装药四周均匀飞散，药柱底部爆轰产物作用于靶板；图1.b中装药锥孔部分的爆轰产物飞散时，向轴线集中会聚成速度和压力很高的气流，爆轰产物的能量集中在较小的面积上，在靶板上打出更深的孔；图1.c中装药锥孔部分加装金属药型罩，爆轰产物在推动罩壁向轴线运动的过程中，将能量传递给了金属罩，依靠罩的动能产生了更大的破坏作用；图1.d显示增大炸高可以使射流充分形成，提高侵彻能力。 图1. 不同装药结构的穿孔能力 图2为爆炸产物的飞散方向示意图。圆柱形的普通炸药柱爆轰时，爆轰产物以近似垂直药柱表面的方向朝四周飞散，如图2.a所示。而有锥孔的圆柱形药柱
爆炸后，锥孔部分的爆轰产物向轴线集中，汇聚成一股速度和密度都很高的气流，这时爆轰产物的能量集中在较小的范围内，即为聚能效应。爆轰产物向轴线汇聚过程中，一方面由于爆轰产物以一定速度沿垂直于锥孔表面的方向朝轴线汇聚；另一方面，由于稀疏波的作用，汇聚到轴线处的爆轰产物又会迅速地向周围低压区膨胀，使能量分散开。因此，爆轰产物只能在短时间内和距药柱端面某一近距离内保持高度集中，如图2.b所示。如果在成型装药的锥孔表面加上一个金属罩，则爆炸后的爆轰产物将推动罩壁向轴线运动，将能量传递给金属罩，这样就可以避免气体的高压膨胀引起能量再度分散。罩壁在轴线处碰撞时，罩内表面的速度比药型罩压垮闭合时的速度高出1～2倍，使金属中的动能进一步提高，形成高速的金属射流，如图2.c所示。 图2. 爆炸产物的飞散方向 图3显示了金属射流和杵的形成过程。由于金属罩体积基本不变，同样质量的金属收缩到较小的区域时，罩壁必然要增厚，即罩内壁的质点速度必然大于外表面速度，因此在轴线碰撞后，内壁成为射流，外壁成为杵，如图3所示。图中号码表示罩壁与射流和杵的对应位置。显然，药型罩外壁材料在杵上的排列位置与原排列顺序一致，而内壁材料在射流上的排列顺序则与原位置相反。 本文将采用ANSYS软件对聚能射流的形成过程进行模拟。
终点效应之聚能效应
聚能效应，即炸药爆炸后，起爆炸产物在高温高压下基本是沿炸药表面的法线方向向外飞散的。因此，带凹槽的装药在引爆后，在凹槽轴线上会出现一股汇聚的、速度和压强都和高的爆炸产物流，在一定的范围内使炸药爆炸释放出来的化学能集中起来。 当装药凹槽内表面衬上一个药形罩时，装药爆轰后，凹槽附近炸药爆炸的能量就会传递给药形罩，使药形罩以很大的速度向轴线运动，此时，药型罩在高温高压的爆轰产物的作用下，形成金属杆，可以看作流体。其中，药型罩的内表面形成细长的金属射流，药型罩外表面形成杵体。药型罩压垮并产生射流的过程，射流吸收的爆炸能量不会象爆炸产物那样再散失掉。金属杆在轴向上存在速度梯度，从而，引起了金属射流在飞行过程中拉断现象。炸药性能和重量、装药结构、起爆方式、药型罩材料及其几何尺寸等对金属流的形成和侵彻具有显著影响。 圆柱形药柱爆洪后，爆轰产物沿近似垂直原药柱表面的方向，向四周飞散，作用于钢板部分的仅仅是药柱端部的爆轰产物，作用的面积等于药柱端面积。带锥孔的圆柱形药柱则不同：锥孔部分的爆轰产物飞散时，先向轴线集中，汇聚成一股速度和压力都很高的气流，称为聚能气流。爆轰产物的能量集中在较小的面积上，在钢板上就打出了更深的孔，这就是锥形孔能够提高破坏作用的原因。 锥孔处爆轰产物向轴线汇聚时，有两个因素在起作用： 1. 爆轰产物质点以一定速度沿近似垂直于锥面的方向向轴线汇聚，使能量集中； 2. 爆轰产物的压力本来就很高，汇聚是在轴线处形成更高的压力区，高压迫使爆轰产物向周围低压区膨胀，使能量分散。 由于上述两因素的综合作用，气流不能无限的集中，而在离药柱端面某一距离处达到最大的集中，以后则又迅速飞散开了。 为了提高聚能效应，就应设法避免高压膨胀引起能量分散而不利于能量集中的因素，对于聚能作用，能量集中的程度可用单位体积能量，即能量密度来做比较。爆轰波的能量中，位能占3/4，动能占1/4。而聚能过程，动能是能够集中的，位能则不能集中，反而起分散作用，所以，聚能气流的能量集中程度不是很高的。如果设法把能量尽可能转换成动能的形式，就能大大提高能量的集中程度。 在药柱锥孔表面加一个铜罩，爆轰产物在推动罩壁向轴线运动过程中，就能将能量传递给了铜罩。由于铜的可压缩性很小，因此内能增加很少，能量的加大部分表现为动能形式，这样就可避免高压膨胀引起的能量分散而使能量更为集中。此外，铜罩还有两个有利于穿孔的作用： 1. 罩壁在轴线处汇聚碰撞时，发生能量重新分配。罩内表面铜层的速度比闭合时的速度高1至2倍，使能量密度进一步提高，形成金属射流；罩的其余部分则形成速度较低的杵。严格的讲，锥形罩壁在向轴线运动过程中，能量已经在逐渐地由外曾向内层转移。 2. 金属射流各部分的速度是不同的，端部速度高，尾部速度低，因此射流再向前运动过程中将被拉长。但由于铜的优良的延性，射流可以比原长延伸好几倍而不断裂。当然，金属射流在延伸过程中不像聚能气流那样膨胀分散，仍保持着原来的能量密度。
利用聚能射流销毁大壁厚弹药试验研究
利用聚能射流销毁大壁厚弹药试验研究 宋桂飞，李成国，夏福君，王韶光，肖东胜 (军械工程学院军械技术研究所，石家庄050000) 摘要：根据待销毁弹药壁厚较大的特点，经分析论证，选用了特制的聚能引爆器对其进行炸毁。本文对聚能射流销毁大壁厚弹药的可行性进行了分析，并做了现场试验。销毁试验证明，利用聚能射流可以有效地销毁大壁厚弹药。 关键词：聚能射流；大壁厚弹药；销毁 1 引言 在弹药科研生产、兵器试验、部队训练、勤务处理、修理处废、后方仓库储存供应保障以及地方基础设施建设中，经常会出现不同姿态不同状态不同地形条件下的射击未爆弹、跌落弹药、事故弹药、技术处理障碍弹药以及历史遗留的旧杂式弹药和不明技术状况危险爆炸物。这些弹药中有一类口径较大、质量较重、装药量较少、弹体厚度较大、弹体坚硬的弹药，需要采用炸毁方法加以销毁。通常，弹药炸毁按照国军标《报废通用弹药处理技术规程》[1]，采用爆破坑殉爆销毁，即根据所炸毁弹药的弹径、数量、装坑堆码方法及地形条件挖掘爆破坑，依照装坑原则将弹药堆码装入爆破坑内，再将预先准备好的引爆炸药包放置并掩埋好，通过火力法或电力法实施引爆销毁。这种方法最突出的优点是一次性销毁处理量大，能够满足空旷地带大批量报废弹药炸毁需求；但所用的引爆炸药量较多，特别是为保证单发大壁厚弹药炸毁完全彻底，一般要增大2～3倍药量采取挖深爆破坑，这一方面增大了爆炸附加破坏效应，同时对于不能振动或转运的未爆弹而言，挖深爆破坑也是不可行的。大量的炸毁实践表明，这类大壁厚弹药难以殉爆，急需探索一种操作简便、效果好的新方法予以销毁。 2 聚能射流销毁大壁厚弹药可行性分析 聚能效应原理早已为人们所认知。在工程爆破领域，线性聚能切割器广泛应用于岩石切割开采、建筑物拆除、冻土钻孔、水下清障等工程目的。线性聚能切割器是一种圆柱体或长条形，底部有金属药型罩的聚能穴装药结构，药型罩形状可以是圆弧形或各种不同顶角的楔形[2]。线性聚能切割器的作用原理是[2]：聚能装药起爆后，爆轰波沿着装药的纵方向传播，同时以10GPa以上的压力向药型罩方向运动，金属药型罩在极高的压力下形成金属流，并在对称聚能穴的中心面上产生碰撞叠加，形成向装药底部的高速运动薄片状金属射流，从而具有能量集中、速度快、切口小、切割深度大的特点。同时，线性聚能切割器结构轻巧、金属射流一致性好、侵彻深度大、易于加工和制作、使用方便，可以按照破坏对象的形状和结构改变装药的长度，使之与爆破对象相匹配，从而获得极佳的爆破效果。国内相关单位[3]利用线性聚能切割器销毁废旧弹药、排除哑弹的实践表明：线性聚能切割器产生的射流在切割穿透弹体后，剩余射流继续侵彻弹丸装药，促使装药引爆或失去爆炸性能，从而达到销毁弹药目的。
聚能效应及其应用
聚能效应 1 引言 聚能效应（Gathering energy effect），通常称为“门罗效应”，源于1888年美国人门罗(Charles E. Munroe)在炸药试验中发现的规律，即炸药爆炸后，爆炸产物在高温高压下基本是沿炸药表面的法线方向向外飞散的。因此，带有锥形凹槽的装药在引爆后，凹槽附近的爆轰产物飞散时将在装药轴线处汇聚，形成一股高速、高温、高密度的射流，这股射流在靶板较小的区域内形成较高的能量密度，致使炸坑较深。这种利用装药一端空穴以提高爆炸后局部破坏作用的效应称为聚能效应。 2 聚能效应现象 图1 不同装药结构的穿透能力 图1-a所示的圆柱形装药爆炸后，高温、高压的爆炸物近似沿着装药表面法线方向四处飞散，能量不能有效集中，在靶板上只能炸出很浅的坑。 图1-b所示的带有锥形凹槽装药爆炸后，靶板上的凹坑加深，凹槽附近的爆轰产物飞散时将在装药轴线处汇聚，形成一股高速、高温、高密度的射流，这股射流在靶板较小的区域内形成较高的能量密度，致使炸坑较深。 为了进一步提高聚能效应，就应设法避免高压膨胀引起能量分散而不利于能量集中的因素，对于聚能作用，能量集中的程度可用单位体积能量，即能量密度，来做比较。爆轰波的能量中，位能占3/4，动能占1/4。而聚能过程，动能是能够集中的，位能则不能集中，反而起分散作用，所以，聚能气流的能量集中程度不是很高的。如果设法把能量尽可能转换成动能的形式，就能大大提高能量的集中程度。 理论分析及实验结果表明，如果锥形凹槽表面加上金属或其他粉末材料制成的保护层（称之为药型罩），爆轰产物在推动罩壁向轴线运动过程中，就能将能量传递给了药型罩。由于药型罩的可压缩性很小，因此内能增加很少，能量的加大部分表现为动能形式，这样就可避免高压膨胀引起的能量分散而使能量更为集中。 此外，药型罩还有两个有利于穿孔的作用：1. 罩壁在轴线处汇聚碰撞时，发生能量重新分配。罩内表面金属层的速度比闭合时的速度高1至2倍，使能量密度进一步提高，形
聚能射流理论的发展及应用
聚能射流理论的发展及应用 提要：文章介绍了聚能射流理论的发现以及发展过程,并且介绍了由此理论研发的线性聚能切割器在几个方面的成功应用。 关键词:聚能射流;线性;切割器 自1888年MunroeCE首次发现了不带药型罩的“门罗效应”以来,各国学者系统地研究了聚能装药(ShapedCharge)射流形成机理,特别是第二次世界大战后,聚能效应不论是在军事领域,还是在民用工业中,都得到了广泛的应用。 Birkhoff等人(1948)首先系统地阐述了聚能装药射流形成理论。他们假设,在药型罩压合过程中,爆轰波产生相当大的压力,以致药型罩材料的强度可以忽略不计。实际上,将药型罩处理为一种无粘性、不可压缩的流体,锥形罩处理成楔形,并假设是稳定压合模型。这样,药型罩微元被瞬时加速到最终压合速度。稳态模型预测的射流长度不变,它等于锥形药型罩母线长度。然而,聚能装药射流具有速度梯度,头部运行快,尾部运行慢。因而造成射流的拉伸,乃至断裂。后来,Pugh等人(1952)改进了稳态压合理论,其中考虑了射流速度梯度。改进的非稳态理论与稳态理论基于同样的原理,只不过是认为不同药型罩微元的压合速度是不同的,它与微元在药型罩上的初始位置有关。Birkhoff等人的理论可用来预测锥形和楔形药型罩形成稳态射流和杵的速度和质量,稳态模型提供的量值与闪光X射线摄影实验较一致。但是,稳态分析不能预测射流速度梯度,不能预测射流的伸长。Pugh、Eichelberger和Rostoker(1952)对稳态理论作了重要改进,提出了一个非稳态射流形成理论,称为PER理论。 线性聚能切割器是一种利用线型聚能装药在爆炸时产生的高能量密度、高运动速度的刀片状金属射流对各种金属或非金属障碍物进行切割的爆炸型切割器,具有切割速度快、切割面大、切割威力高的特点。 线性聚能切割器的在民用方面的实践应用 清河门大桥切割爆破工程 清河门大桥为阜新至锦州公路清河上双曲拱桥,桥分为三孔,中孔较大,两侧小拱互为对称,全桥长为234.4m,桥面净宽12m。河道基本为南北走向,河中水流极小,桥梁近似为东西走向,桥头两侧为自然村庄。西桥头距最近民房20m,东桥头最近建筑物为一加油站,距离为20m。在选取切割部位时,避开角钢、槽钢和钢筋集中的结合处,从而降低了切割时的难度和切割器的使用量。工程试爆和主爆两次共使用线型聚能切割炸药总装药量66kg,实际工期为7天。距爆区50m处微有震感。在主爆实施时根据试爆情况对爆破切割部位及防护等方面进行了调整,周围无任何有害效应,达到预期目的。 绥佳线松花江铁路单轨旧桥切割爆破工程