0 引　言

聚能射流爆炸切割技术利用炸药在爆炸后爆发出的极大能量，可以进行各种金属及非金属材料的切割作业。将炸药用金属材料的药型罩包裹住，制成细长的圆索，单面开槽以产生空穴，就可以使炸药爆炸产生的能量向固定方向集中。这一聚能效应可以压垮金属药型罩，使得金属材料变为高温高压的金属流，并向设定的方向进行冲击，进而切割目标靶板^[1]。

炸药爆炸后会产生爆轰产物，这些爆轰产物具有温度高、压力高、密度高的特性，会对四周的环境形成巨大的冲击。根据超压准则的描述，目标是否会受到伤害的唯一判据是冲击波超压的峰值。

由于聚能爆炸切割中使用的药量较小，冲击波传播距离有限，主要防护范围仅需控制在较小的范围之内，一般需在冲击波产生之后立刻进行削弱，如采用吸能装置或者防护装置在爆点外侧进行防护^[2]。国内外研究人员对爆炸切割的防护装置进行了一定的研究。Mouritz^[3]介绍并总结了冲击波对复合材料变形和损伤的建模与试验研究，分析了纤维聚合物压板对爆炸产生的冲击波能量的吸收机制。刘佳等^[4]采用聚氨酯泡沫材料，比较了不同厚度下的防护效果。

在防护装置与待防护结构的固定方面：周青等^[5]利用实验比较了胶接、焊接等方式的安全性能，结果表明胶接在能量吸收方面具有更优秀的性能。樊志远^[6]的实验表明接触关键字*CONTACT_TIEBREAK_SURFACE_TO_SURFACE可以较好地模拟胶体破坏。

本文以切割索切割有机玻璃板为研究背景，利用防护装置来降低爆炸冲击的影响。为了研究粘接强度与冲击波超压峰值之间的关系，对防护装置与有机玻璃板之间的粘接过程进行仿真分析。

1 实际工况

长420 m、宽200 mm、厚度为12 mm有机玻璃板安装在工装上，切割索总长度为420 mm，粘接在有机玻璃板表面正中央，炸高为0。切割索分为炸药及药形罩两部分，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，由电爆管控制切割索于端部起爆。

现有一种15 mm厚的防护装置，外径为50 mm，内径为20 mm，截面为1/2空心圆，材料为聚氨酯弹性体，如图1所示。防护装置粘接在靶板上方，如图2所示。

2 仿真模型

仿真采用 $ \mathrm{c}\mathrm{m}-\mathrm{g}-{\mu }\mathrm{s} $ 单位制进行建模。考虑到实验装置的对称性，选用单层实体网格建立1/2模型，网格均采用8节点六面体单元。模型主要分为切割索、空气、有机玻璃板、防护装置4个部分。

切割索有限元模型如图3所示。深色部分为炸药，外面包裹的浅色部分为药型罩。

空气域的1/4模型由半径为20 cm的1/4圆和200 mm×20 mm的矩形组合而成，中间删去切割索截面，有限元模型如图4所示。

靶板为100 mm×12 mm的矩形，炸药放置于靶板上方，起爆方式为上端起爆，防护装置粘接在炸药外侧，如图5所示。

3 材料与控制关键字

切割索由炸药和药型罩两部分组成，需要分开描述。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：

$ p=A\left(1-\frac{\omega }{{R}_{1}V}\right){e}^{{-R}_{1}V}+B\left(1-\frac{\omega }{{R}_{2}V}\right){e}^{{-R}_{2}V}+\frac{\omega E}{V} \text{。}$

(1)

式中： $ p $ 为压力； $ A，B，{R}_{1}{R}_{2}，\omega $ 为材料常数；V为初始相对体积； $ E $ 为初始比内能。炸药相关参数如表1所示。

药形罩采用*MAT_ELASTIC线性材料模型，相关参数如表2所示。

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。

在防护材料的选型方面，基于关焕文^[7]，吕进^[8]等的研究，选定聚氨酯为防护材料，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，可以较好模拟聚氨酯材料所制成的防护结构。主要参数如表4所示。

模型整体需要对空气域边界设置无反射边界条件，模拟无限大空气区域。全模型设置Z方向约束，模型除了靶板和防护装置之间的接触以外，其余部分均设置为自动面面接触。

要模拟防护装置与靶板间的粘接，常用的接触类型只能传递压力，当互相接触的面一旦受到拉力就会立刻解除接触，所以要定义可以传递拉力的粘接，就需要将2个面绑定在一起，在Ls-dyna中有TIE关键字和TIEBREAK关键字可以选择。

TIEBREAK关键字利用上下两层单元表面上的节点来创造接触，并以此模拟粘接的情况，使用该接触的模型计算效率相比其他方式更高^[9]。TIEBREAK接触在运算开始时，不计算投影距离，而直接将从面段上的所有节点绑定在主面段上，当检测到有穿透发生时，该关键字就会施加一个反方向的力来抵抗穿透情况。在该类型的关键字中，从面段上的节点和主面的横向自由度被约束，无法传递力矩。

在模拟粘接的情况中，粘接强度更多地依赖于粘接的力，摩擦力等可忽略不计。为了更好地模拟粘接强度的大小，TIEBREAK关键字自带了失效准则，通过应力来定失效，具体定义参数为NFLS（拉伸失效应力）及SFLS（剪切失效应力）^[10]。当拉伸应力 $ {\sigma }_{n} $ 及剪切应力 $ {\sigma }_{s} $ 满足式（2）时，关键字自动解除约束。

$ {\left(\frac{\left|{\sigma }_{n}\right|}{NFLS}\right)}^{2}+{\left(\frac{\left|{\sigma }_{s}\right|}{SFLS}\right)}^{2}\geqslant 1 \text{。}$

(2)

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。

炸药爆炸使得药型罩融化形成射流，由于射流表现出流体的性质，需要使用多物质关键字*ALE_MULTI_MATERIAL_GROUP。利用该关键字将炸药、药型罩、空气3种物质关联在同一算法中，可以在不同的单元中流动^[11]。

4 数值模拟 4.1 低粘接强度

当粘接关键字中失效应力设置为较小数值时，可以用于表示某些粘接剂的粘接情况，如改性硅烷胶粘剂。大部分改性硅烷胶粘剂的拉伸失效应力和剪切失效应力均为0.5～3 MPa。

选用某型号超能胶进行粘接，设置拉伸失效应力和剪切失效应力为2.5 MPa与2 MPa，防护装置采用单层结构，得到超能胶粘接情况下的测点超压参数。图6为超能胶粘接情况下的空气域压力云图。

距离爆点上方200 mm处的冲击波超压时程曲线如图7所示。

测点处测得的超压最大值为0.213 MPa，最大值出现在119 µs时刻。

4.2 中粘接强度

中等数值的失效应力可以用来模拟环氧树脂胶粘剂及丙烯酸酯AB胶粘剂的粘接情况，常用的K-801型号的AB胶的拉伸剪切强度（钢板×钢板）的值均不低于15 MPa。取NFLS值和SFLS值均为15 MPa进行有限元仿真，图8为模拟AB胶粘接情况下的空气域压力云图。

距离爆点上方200 mm处的冲击波超压时程曲线如图9所示。

模拟AB胶粘接情况下200 mm处测点的超压最大值出现在124 µs时刻，达到了0.138 MPa。

4.3 高粘接强度

设置拉伸和剪切失效应力均为极大值，确保切割索爆炸后产生的冲击波无法掀起防护装置，图10为模拟不脱粘情况下的空气域压力云图。

距离爆点上方200 mm处的冲击波超压时程曲线如图11所示。

防护装置不脱离靶板的防护模拟，空气测点单元超压峰值为0.129 MPa，于起爆后124 µs时刻到达。

4.4 对比分析

从空气域压力云图可以看出，当粘接强度设置较小时，防护装置较早的时刻（15 µs）便出现绑定失效情况，如图12所示。

随着冲击波不断的传播，防护装置与靶板的绑定粘接不断失效，直至完全脱离靶板。提高TIEBREAK关键字中的失效应力，同低粘接强度相比，防护装置最内侧单元的绑定失效时间显著延后(35 µs)，防护装置整体脱粘的时间也大大延后，有效防护时间增长。如图13所示。

通过设置不同的拉伸失效应力和剪切失效应力的值，可以模拟不同粘接情况下的防护效果。图14为起爆后相同时刻下不同NFLS与SFLS值的防护装置粘接情况。

粘接强度较低时，对冲击波的防护效果最差，测点超压为0.213 MPa。而当粘接强度极大时，不论冲击多大防护装置均不会绑定失效，下端面与靶板紧密的贴合在一起，有效的起到了防护作用，测点的超压也是3个仿真中最小的，为0.129 MPa。当粘接关键字的失效应力设置取两者之间的数值时，防护装置脱离靶板的时间较低粘接强度时更晚，冲击波到达测点的时间也更晚，超压峰值也远小于低防护应力时的情况，为0.138 MPa。对冲击波超压的防护效果从59.4%提升到了73.7%。

除此之外，将中粘接强度的仿真与不脱粘的防护仿真进行对比可以看出，失效应力继续增大，防护效果提升有限。即使失效应力继续增大到防护装置完全不脱粘，防护效果的提升也只有6.5%，冲击波超压峰值到达时间也几乎没有变化。

5 结　语

通过利用TIEBREAK关键字对防护装置与有机玻璃板的低、中、高粘接强度过程进行数值模拟，得到以下结论：

1）本文低粘接强度防护仿真下爆点上方200 mm处测点的超压峰值为0.213 MPa，最大值出现在119 µs时刻；中粘接强度防护仿真下测点超压峰值在124 µs时刻出现，达到了0.138 MPa；高粘接强度防护仿真测点超压为0.129 MPa，于起爆后124 µs时刻出现。

2）中粘接强度较低粘接强度相比，防护效果提升了35.2%，证明增大粘接强度可以使得防护装置与靶板解除绑定的时间更晚，防护效果有较大提升。继续增大粘接强度至极大值，防护效果提升了39.4%，证明当粘接强度到达一定数值之后，继续增大粘接强度使得防护装置不脱粘，防护效果也不再有明显提升。