线型聚能切割器爆破拆除钢结构烟囱的优化设计

线型聚能切割器爆破拆除钢结构烟囱的优化设计 线型聚能切割器爆破拆除钢结构烟囱的优化设计

孙 飞1，周向阳2，蒋新忠1，李广洲1，唐 毅1，刘 迪1

(1.江苏省核工业二七二地质大队，南京 210003；2.南京市公安局，南京 210000)

摘 要：以一座120 m高钢结构烟囱爆破拆除工程为研究背景，为获得该工程中所用线型聚能切割器较优的结构参数组合，采用正交优化设计的方法，研究了线型聚能切割器罩顶角2α、母线长dm、罩壁厚δ和炸高H四个主要因素对聚能射流的影响，选取L27(313)正交优化表，以射流侵彻钢板最大深度Yi作为评判指标，利用LS-DYNA有限元分析软件进行数值计算，得到4个因素对评判指标Yi影响的主次顺序，获得了最佳的结构参数组合：罩顶角2α取90°、母线长dm取25 mm、罩壁厚δ取1.0 mm、炸高H取10 mm。将优化后的线型聚能切割器应用于实际工程中，效果良好，符合工程要求。

关键词：钢结构烟囱；线型聚能切割器；拆除爆破；数值模拟；正交设计

1 引言

钢结构烟囱爆破拆除工程主要采用线型聚能切割器对主要承重钢结构部件进行爆炸切割处理，从而使烟囱整体结构发生失稳倾倒〔1-2〕。因此，线型聚能切割器的参数及其结构形式会直接影响钢烟囱切割部件的切割效果，进而影响到整个工程的拆除效果。选择何种结构参数的线型聚能切割器既能够保证爆炸切割的效果最佳，又不会令施工的成本过高，是钢结构烟囱及其他大型钢结构建筑物爆破拆除工程面临的一大难题。本文以120 m高钢结构烟囱爆破拆除工程为研究背景，在对线型聚能切割器的爆炸切割机理研究的基础上，通过对影响聚能切割效果各种因素的分析，利用数值模拟手段与正交实验相结合的方法对聚能切割器进行优化设计，以期获得适用于本工程最优参数组合的线型聚能切割器〔1-5〕，同时为合理选取类似工程中线型聚能切割器的参数提供参考。

2 工程概况

待爆钢结构烟囱位于上海宝钢厂区，为塔架式结构，由塔架和筒体两部分组成，塔架高108 m，筒体高120 m(见图1)，充分考虑烟囱周围环境及自身结构特点等，决定采用线型聚能切割器定向爆破拆除方案〔1〕。安装聚能切割器部位(包括塔架和筒体)的壁厚均为16 mm，采用数值模拟与正交实验相结合的方法，对线型聚能切割器进行优化设计。

图1 钢结构烟囱现场图

Fig.1 Scene of steel structure chimney

3 切割器优化设计

3.1 切割器参数的初步确定

参照一些经验公式〔6-10〕，对线型聚能切割器进行曲线拟合，确定线型聚能切割器基本形状(见图2)。其中，药型罩材料选用密度高、塑性好的紫铜材料，内部选用常用的TNT炸药。

图2 切割器初步形状及截面剖视图

Fig.2 Cutter preliminary cross-section shape and section view

线型聚能切割器侵彻靶板的结果是由多个因素共同决定的。经查阅相关文献可知，很多学者对其基本参数做了大量的理论及实验研究，其中最主要的影响因素有罩顶角2α、母线长dm、罩壁厚δ和炸高H〔7-11〕。因此在此聚能切割器的优化设计中同样选取这4个因素作为研究要素。

3.2 优化参数及实验水平值的确定

(1)罩顶角。实践可知，聚能切割器切割靶板的最大深度与炸药传递给对称面的能量有关，当对称面上的能量获得极大值时，其切割深度最大。在对称方向上侵彻射流的动能为

(1)

对Ejy取极值，令

　　得：

(2)

由于cosα

(3)

式中：α为最佳罩顶角半角，(°)；θ为弯折角，(°)。

由式(3)可知，θ的取值直接影响α的大小，通常情况下，θ为15° ～25°，代入式(3)可得2α=80°～101°。为对比2α的变化对形成射流及侵彻靶板深度的影响，模拟实验分别取80°、90°、100°。

(2)母线长。根据定常侵彻理论〔6〕，聚能切割器的侵彻深度与射流密度的平方根、药型罩母线长呈正比。本文在实验资料和理论公式的基础上，结合实际工程要求，采用的母线长实验值为15、20、25 mm。

(3)罩壁厚。罩壁如果过厚，则极易形成破片而不形成射流；罩壁如果过薄，则由于形成的射流质量太少，会在一定程度上降低对靶板的侵彻深度。通常，药型罩的壁厚约为其内部口径的1%～6%。在紫铜药型罩壁厚δ的设计中，可按式(4)进行取值：

δ=(2%～3%)di

(4)

式中：di为药型罩口部内径，mm。

本文的线型聚能切割器药型罩口部内径大致为20 ～50 mm，代入式(4)得δ为0.4 ～1.5 mm。因此，实验选用的药型罩壁厚分别为0.5、1.0、1.5 mm。

(4)炸高。炸高指的是靶板与药型罩最底端之间的距离，它的选取直接影响到聚能切割器切割靶板的侵彻深度。有利炸高是指在聚能切割器选定情况下与最大侵彻深度相对应的炸高〔6〕，在确保能将目标靶板割穿的工况下，有利炸高能够有效地减少装药量、减弱爆炸对周围环境的影响节约成本。为了方便对比分析，实验选用炸高分别为0、5、10 mm。

3.3 模型建立及参数选取

LS-DYNA作为近年来常用的一款高效准确的有限元分析软件，能够更直观地观察和分析聚能射流切割靶板的整个动态过程，也更容易获得有助于进一步深入研究的数据〔8-12〕。

由上述分析可知，本文所建模型由炸药、药型罩、空气、钢板4部分组成。为方便计算，在数值模拟中引入以下假设：模型各部分均为均匀连续介质；整个射流形成和切割侵彻钢板过程均为绝热过程；忽略重力的作用；忽略钢板的整体运动和外界的干扰，假设钢板厚度和水平尺寸无限大。

采用mm-g-μs单位制进行建模。模型采取流固耦合，该方法可以避免因为网格畸变过大造成的计算发散、计算不可信等缺点。空气用有限域进行模拟，空气、钢板及内部装药设定为无反射边界，以避免边界产生的反射应力波对计算结果的影响。由于该模型轴对称，为简化计算，建立1/2模型进行模拟和求解(见图3)。

3.4 正交实验

3.4.1 正交实验方案设计

根据国内外现有的理论和实验资料〔6-12〕，分别选取罩顶角A、母线长B、罩壁厚C和炸高D四个主要参数作为正交优化的因素。为方便对比各实验设计的优劣，选取射流侵彻钢板最大深度Yi作为其衡量指标。各因素及对应的水平见表1。

图3 聚能切割器数值模型示意图

Fig.3 Schematic diagram of cutter numerical model

表1 线型聚能切割器分析的因素水平表

Table 1 Factors and levels of analysis of linear shaped charge cutter

罩顶角A/(°)母线长B/mm罩壁厚C/mm炸高D/mm[***********]00251510

在模拟实验中，考虑到两两因素之间的组合作用，在正交实验设计表中引入交互作用列。通过对每一组因素的交互作用进行分析，来评判不同因素的组合对指标的影响程度。线型聚能切割器考虑两两因素交互作用的四因素三水平正交实验设计见表2〔6〕。

表2 四因素三水平正交表L27(313)

Table 2 Four factors and three levels orthogonal table L27(313)

因素实验号 ABA×B(C×D)A×BCA×C(B×D)A×CB×C(A×D)DA×DB×CB×DC×D[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]

续表2

因素实验号 ABA×B(C×D)A×BCA×C(B×D)A×CB×C(A×D)DA×DB×CB×DC×D[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]

注：表中1、2、3表示各因素所对应的水平，A×B表示因素A与因素B的交互作用列。

3.4.2 正交结果分析

通过数值模拟对27组不同因素组合的模型计算，得到各模型中射流侵彻钢板的最大深度。然后依据这27组不同侵彻深度值对正交表进行对比分析，最后得出一组优化的聚能切割器参数组合(见表3)。

表3 模拟计算结果

Table 3 Simulation results

因素实验号 ABCD射流侵彻最大深度Yi/mm[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]733311747

由表3结合综合平衡法〔6〕，将每一交互列也看作一个因素，可计算出各因素的单指标极差值及极差平均值，然后通过对同一因素不同水平极差平均值大小的对比，找出每个因素的最佳水平，进而对指标进行综合衡量，找出最优方案。各因素单指标极差分析结果见表4，正交极差对比见图4。

由表4和图4中的极差值可以看出，对于射流侵彻钢板最大深度Yi这一指标(认为值大更优)，影响最大的是因素B，以第三水平为佳；其次是因素D，以第三水平为佳；第三是因素A，以第二水平为佳；接下来依次是交互列(A×C)2，(A×B)或(C×D)，(B×C)，C。

若不考虑交互作用，很容易得到最优方案为A2B3C3D3，但本次实验中的交互作用(A×C)占到了主要因素的第四位，并且与第三位主要因素相差甚微，而在(A×C)交互作用列中没有具体的因素和水平，需根据表3进行分析，以此来考察A、C的搭配水平，A、C搭配水平见表5。

由表5可知，因素A与因素C的交互作用中A2×C2这一搭配最佳，值为58.78。而由于(A×B)或(C×D)，(B×C)的交互作用与因素C的影响值相差甚微，且因素C中第二水平为最佳，与表5中的搭配一致，故可忽略(A×B)或(C×D)，(B×C)交互作用的影响。因此，可得到较优的参数组合如下：

A2：罩顶角，第二水平，90°

B3：母线长，第三水平，25 mm

C2：罩壁厚，第二水平，1.0 mm

D3：炸高，第三水平，10 mm

表4 单指标极差分析表

Table 4 Table of single index range analysis

指标因素 指标：射流侵彻钢板最大深度Yi/mmK1K2K3k1k2k3极差优方案A[***********][1**********]4A2B[***********][1**********]9B3(A×B)1(C×D)[***********][1**********]13第二水平(A×B)[***********][1**********]51第三水平C[***********][1**********]2C2(A×C)1(B×D)[***********][1**********]96第一水平(A×C)[***********][1**********]40第一水平(B×C)1(A×D)[***********][1**********]73第一水平D[***********][1**********]7D3(A×D)[***********][1**********]47第一水平(B×C)[***********][1**********]13第二水平(B×D)[***********][1**********]62第二水平(C×D)[***********][1**********]34第三水平

注：Ki(i=1,2,3)指的是实验中的各个因素在第i水平所对应的指标值累加之和， ki为其平均值。

图4 正交极差对比

Fig.4 Orthogonal range contrast diagram

3.4.3 优化聚能切割器射流形成过程的数值模拟

按正交分析法选择的最优方案A2B3C2D3结构参数设计切割器，运用有限元分析软件LS-DYNA结合材料相应参数对聚能切割器及钢板建立模型，对模型进行数值计算，然后通过自带的后处理程序LS-PREPOST对计算结果进行分析。

线型聚能切割器侵彻钢板4个典型时刻见图5。其中图5(a)为初始图像，炸高设置为10 mm；t=13 μs时射流已基本形成， 形成射流的头部速度达到最大，为3 052 m/s；之后射流在撞到钢板后，由于钢板的作用，其头部速度逐渐下降，开始切割钢板；t=17 μs时，射流头部的速度大于尾部的速度，射流逐渐拉断形成断流；随着射流质量和能量的减小，头部速度减小直至与杵杆相同，当射流能量小于某一特定值时，侵彻便会终止，图5(d)中射流虽然还没有完全落入钢板底部，但它的动能已经不足以继续侵彻钢板。此时侵彻深度达到最大，为25.77 mm。

表5 因素A、C搭配水平表

Table 5 Factors A and C match level table

搭配方案搭配水平值A1×C1D11=Y1+Y4+Y7=1367+1745+2285=5397A2×C1D21=Y10+Y13+Y16=1411+1903+1901=5215A3×C1D31=Y19+Y22+Y25=1456+1551+1908=4915A1×C2D12=Y2+Y5+Y8=1551+1599+1898=5048A2×C2D22=Y11+Y14+Y17=1849+1795+2234=5878A3×C2D32=Y20+Y23+Y26=1409+1853+2348=5610A1×C3D13=Y3+Y6+Y9=1458+1456+1850=4764A2×C3D23=Y12+Y15+Y18=1233+1902+2281=5416A3×C3D33=Y21+Y24+Y27=1504+2118+1747=5369

图5 不同时刻射流形成并侵彻钢板的模拟图

Fig.5 Jet formation at different moments and the simulation images of the penetrating steel plate

4 应用效果

起爆后，烟囱按照预计方向倒塌在设计范围内(见图6)。在缩短工期的同时大大降低了拆除成本，取得了良好的经济效益。

图6 钢结构烟囱倒塌瞬间

Fig.6 Steel structure chimney collapse transient

该钢结构烟囱爆破拆除后，在现场收集到被聚能射流射穿的塔架和筒体截面形状如图7所示。可以直观地看到，切割部位在聚能射流侵彻的作用下，背部出现翻唇现象；切口较平整，且附有一层紫铜。由此可知，优化后的聚能切割器能够很好地满足该工程的要求。

图7 聚能切割器切割钢结构烟囱效果图

Fig.7 Steel structure chimney cutting cutter figure

5 结论

(1)通过采用数值模拟与正交实验相结合的方法，选取线型聚能切割器罩顶角2α、母线长dm、罩壁厚δ和炸高H4个主要参数进行了优化设计，得出各因素对射流侵彻钢板的最大深度Yi影响的重要程度依次为dm﹥H﹥2α﹥δ。

(2)通过正交实验结果分析，获得了线型聚能切割器拆除钢结构烟囱的最佳参数组合为罩顶角2α取90°、母线长dm取25 mm、罩壁厚δ取1.0 mm、炸高H取10 mm。将优化后的聚能切割器应用于实际工程中，效果良好，符合工程要求。可为合理选取类似工程聚能切割器的参数提供参考。

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Optimal design of shaped charge cutter used in blasting demolition of steel chimney

SUN Fei1，ZHOU Xiang-yang2，JIANG Xin-zhong1, LI Guang-zhou1，TANG Yi1，LIU Di1

(1. NO.272 Geological Party of Nuclear Industry, Nanjing 210003, China; 2. Nanjing Public Security Bureau, Nanjing 210000, China)

ABSTRACT：Taking a 120 m high steel structure chimney blasting demolition project as the research background, in order to obtain the optimal combination of the linear shape energy cutter used in the project, the orthogonal optimization design method was used to study the effect of the linear shaped energy cutter. L27(313)orthogonality optimization table was adopted and the maximum depth Yi of the steel plate penetrated by the jet was taken as the index of judging. The effects of four factors including the apex angle 2α, the length dm, the wall thickness δ and the charge height H on shaped charge jet were selected to analyze. The LS-DYNA finite element analysis software was used to calculate the parameters. The sequence of effect of these four factors on Yi was obtained. The optimal combination of structure parameters was that 2α equals to 90°, dm equaled to 25 mm, δ was 1.0 mm and H was 10 mm. The optimized linear shaped energy cutter was applied to the actual project and the result was good,which met the engineering requirements.

KEY WORDS：Steel chimney; Linear shaped charge cutter; Demolition blasting; Numerical simulation; Orthogonal design

文章编号：1006-7051(2016)06-0048-07

收稿日期：2016-08-16

作者简介：孙 飞(1989-)，男，硕士，助理工程师，从事爆炸与毁伤效应研究及其应用。E-mail：[email protected]

中图分类号：TB41

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.06.011