0 引　言

分离筒盖是某水下平台的重要组成部分，其既要承受高外压又需在接到指令后实现快速分离，分离筒盖能否按照指令完成切割影响着某水下平台试验的成败。因此切割索能否可靠的实现分离筒盖的切割至关重要。前期根据分离筒盖承载及环境适应性要求，选定结构材料为921A钢，而分离筒盖的切割则采用铜聚能切割索。

炸高对切割索的侵彻能力有很大的影响。一方面，炸高可提高侵彻射流能力从而提高侵彻深度；另一方面，炸高过高会使得射流产生径向分散和摆动，甚至引起射流断裂，导致侵彻深度下降。

本文将重点通过数值仿真方法对多种炸高下铜聚能切割索聚能切割921A钢板的切割效果进行研究，找出最优炸高并开展验证试验，修正仿真结果，为分离筒盖的研制提供理论依据。

1 铜切割索切割原理及结构

切割索工作形成的金属射流冲击分离筒盖平板试件时，在平板表面形成极高的压力，在此压力作用下，平板表面金属被挤开，向两面堆积。随着射流和平板的相互作用，金属射流的能量逐步损失，金属射流依附在平板的断裂面上。

根据流体力学理论，当射流冲击靶板时，冲击点的压力P为：

$ P=\frac{\rho_1\nu^2}{\left[\sqrt{a_1}+\sqrt{\frac{a_2\rho_1}{\rho_2}}\right]^2}。$

(1)

式中：ν为射流速度；$ {\rho _1} $为射流冲击靶板前的密度；$ {\rho _2} $为靶板受冲击前的密度；$ {a_1} $为射流冲击靶板后密度变化的修正系数，即射流的压缩性系数；$ {a_2} $为靶板冲击后密度变化的修正系数，即靶板的压缩性系数。

铜切割索由炸药和铜药型罩组成，选用铜皮作为切割索外壳，炸药为黑索金，爆速为8310 m/s，通过前期设计，切割索的锥角为75°，切割索的具体尺寸如图1所示。

2 数值仿真

采用有限元方法对铜切割索聚切割4 mm厚度921A钢板进行仿真分析。为研究炸高对铜切割索聚能切割921A钢板效果的影响，分别按照0 mm、2 mm、4 mm和6 mm这4个炸高进行仿真，通过仿真分析，得出最优炸高。

2.1 模型建立

有限元模型由铜切割索、921A钢板以及空气域构成。921A钢板厚4 mm，宽200 mm，切割索在钢板中轴放置，如图2所示。切割索炸高分别为0 mm、2 mm、4 mm和6 mm，如图3所示。空气域模型为包裹部分金属平板和切割索的六面体。各部分都采用单层实体网格建模，同时对所有单元进行Z轴方向的位移约束。为了简化计算过程，采用1/2轴对称模型，所有部分在对称面施加对称约束，空气域中除对称面和与Z轴垂直的2个面外，其余3个面添加无反射边界条件。

921A钢板采用Lagrange实体网格建模，切割索的炸药部分、药型罩部分与空气域均采用Euler实体网格建模。所有单元网格水平方向最小尺寸为0.25 mm，在平板远离被侵彻的部分，单元网格水平方向尺寸变大为0.50 mm。各部分网格划分情况如图4和图5所示。

2.2 材料参数

炸药为黑索金，材料模型采用LS-DYNA中的高能炸药模型即008#材料模型（*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN），该材料模型中燃烧分数F乘以高能炸药的状态方程，可控制化学能的释放以模拟爆炸，如下式：

$ p = F{p_{eos}}(V,W) ，$

(2)

其中：p_eos为1.2 g/m³；爆炸速度为8 310 m/s；C-J压力为30.15 GPa。

本文采用JWL状态方程来定义压力：

$\begin{aligned} & p = I(1 - \frac{\omega }{{{R_1}V }}){e^{ - {R_1}V}} + J\left( {1 - \frac{\omega }{{{R_2}V}}} \right){e^{ - {R_2}V}} + \frac{{\omega W}}{V}，\end{aligned} $

(3)

式中：V为相对体积；W为单位体积炸药的初始内能；其中状态方程参数取值分别为I=8.50，J=0.18，R₁=4.6，R₂=1.3，ω=0.38，V= 1.00。

铜药型罩采用的材料模型为LS-DYNA中011^#材料模型（*MAT_STEINBERG）。其中质量密度为8.93 g/cm³，杨氏模量为110 GPa，泊松比为0.34。

空气域采用的材料模型为LS-DYNA中009^#材料模型（*MAT_NULL）和*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL状态方程，该状态的线性多项式方程内部能量是线性的，压力由下式给出：

$\begin{aligned} & {P}={{C}}_{0}+{{C}}_{1}{\mu }+{{C}}_{2}{{\mu }}^{2}+{{C}}_{3}{{\mu }}^{3}+\left({{C}}_{4}+{{C}}_{5}{\mu }+{{C}}_{6}{{\mu }}^{2}\right){E} \end{aligned}$

(4)

式中：C₀～C₆为多项式方程系数，C₅=3.25，其余为0；空气质量密度ρ=1.29E-3 g/cm³；μ=1；单位体积初始内能E=1.0 J。

921A钢板采用LS-DYNA中的15^#材料模型^[4]（*MAT_JOHNSON_COOK）。该模型一般用于描述大应变（large strains）、高应变率（high strain rates）、高温（high temperatures）环境下金属材料的强度极限以及失效过程。同时采用的状态方程为*EOS_GRUNEISEN^[5]。

表1～表3列出了921A钢板材料参数、本构模型参数及失效参数。

2.3 仿真结果分析

使用关键字*INITIAL_DETONATION在0 μs时刻起爆炸药，起爆点设置在炸药顶部。随着炸药起爆所产生的冲击波将药型罩压垮，形成高能射流，对钢板形成侵彻。对4种不同炸高工况数值仿真得到的切割过程及结果进行分析。

1） 0 mm炸高

图6为0 mm炸高下聚能切割921 A钢板的数值仿真过程。可以看出由于聚能切割索紧贴钢板，在1.5 μs时刻，射流在成型之前就已经接触钢板，并未达到聚集炸药爆炸能量的效果。在10～15 μs射流侵彻过程已基本结束，金属射流被卡滞在钢板中，切割效果并不可靠。

2） 2 mm炸高

图7为2 mm炸高下聚能切割921 A钢板的数值仿真过程。在2.5 μs时刻，金属射流开始侵彻钢板，可以看出其形态相较于0 mm炸高工况已有了很大的改善，2 mm的炸高空间为金属射流提供了形成的时间和空间。在10～15 μs射流侵彻过程已基本结束，切割效果较0 mm炸高工况有所加强，但金属射流仍被卡滞在钢板中，且切割断裂较为勉强。

3）4 mm炸高

图8为4 mm炸高下聚能切割921A钢板的数值仿真过程。可以看出金属射流经过3.5 μs的发育后，以细且长的标准杵体形状到达钢板表面。其侵彻能力相较于前2种工况大大提升，在10 μs时刻已将钢板切开，并且在15 μs时刻穿透钢板，并未卡滞在钢板中。

4）6 mm炸高

图9为6 mm炸高下聚能切割921A钢板的数值仿真过程。可以看出在5 μs时刻，金属射流已经历形成过程并出现拉断现象，金属射流拉断之后其密度变得不均，且射流速度下降，侵彻能力迅速衰减。在15 μs时刻，侵彻过程已基本结束，钢板并未被切开。

通过上述仿真分析，可以看出在炸高0 mm和6 mm时未实现平板切割，在炸高2 mm时虽实现了平板切割，但金属射流未完全贯穿平板，在炸高为4 mm时，金属射流贯穿平板，经分析4 mm应为该型切割索的最优炸高。

3 聚能切割验证试验

通过4种炸高下聚能切割4 mm厚921A钢板的数值仿真结果，可以得出4 mm炸高最接近该型切割索的最优炸高，但上述结果均为仿真计算结果，该型号切割索的实际切割能力还需验证。设计该型切割索的切割性能验证试验装置，对该切割索在4 mm炸高的仿真结果开展试验验证。

试验装置由试验件、夹持工装、压板及电爆管等组成。试验件被夹持工装由两端夹持，试验件的切割槽内放置聚能切割索，确保切割索的炸高为4 mm，通过压板实现对切割索的纵向限位，聚能切割索由电爆管起爆。图10为爆炸切割试验结果，可以看出钢板被成功切开，且切口整齐。证明4 mm炸高下聚能切割索对4 mm厚921A钢板的切割效果优异。

为验证该型切割索在4 mm炸高下最大切割厚度，设计了最大切割厚度试验用试验件及试验工装，开展4 mm炸高情况下最大切割能力试验，试验件参数见表4，试验件厚度连续值如图11所示。试验结果分别如图12和图13所示。

该型切割索在4 mm炸高下试验结果如下：

1#试验件，炸高为4.0 mm，在切割平板厚度为4.2～6.0 mm段，切口整齐，金属射流完全切透试验板，无撕裂现象；在6.0～9.0 mm段，未实现切割。

2#试验件，炸高为4.0 mm，在切割平板厚度为4.2～6.0 mm段，切口整齐，金属射流完全切透试验平板，无撕裂现；在6.0～9.0 mm段，切口不平整，且局部出现金属本体颜色，平板存在撕裂现象，金属射流未能完全切透平板。

通过上述试验，确定了该切割索最大可实现6 mm厚921A钢板的切割。

4 结　语

本文通过有限元方法分别对0 mm、2 mm、4 mm和6 mm炸高下聚能切割4 mm厚921A钢板的切割过程进行数值仿真。通过仿真分析，得出该切割索在4 mm炸高时切割效果最好。设计试验装置，开展了4 mm炸高下切割4 mm厚921A钢板试验，试验结果表明，在该炸高下该型切割索可实现对921A钢板的完全切割，验证了数值仿真结果。同时，开展了该型切割索在4 mm炸高下的最大切割能力摸底试验，确定了该型切割索的最大切割能力，为后续设计分离筒盖的切割厚度提供支撑。