防盜門破拆機構設計

43/43第1章緒論1.1設計背景當前，國內(nèi)外面臨的反恐形勢日趨嚴峻，各種暴力犯罪——特殊是室內(nèi)人質(zhì)劫持越來越多。對室內(nèi)人質(zhì)劫持案，首先要解決的是破開門體開拓快速通道，為營救人質(zhì)爭取有利時機。由于現(xiàn)代建筑基本都安裝了防盜平安門，若犯罪分子依靠防盜門負隅頑抗，就會給人質(zhì)的解救工作帶來很大困難。遼寧省沈陽市曾發(fā)生一起持槍綁架案件極具代表性。一名犯罪嫌疑人持槍將一名富商于家中綁架，讓被害人的妻子出去取錢，被害人妻子隨后報警。接警后，警方快速將被害人房屋包圍，由于警方缺乏破除防盜門的有效手段，用最原始的方法——鎬頭刨墻。等警方?jīng)_入室內(nèi)，犯罪嫌疑人和人質(zhì)都滿臉是血，好在嫌疑人沒有擊中人質(zhì)要害部位，人質(zhì)經(jīng)搶救脫險，嫌疑人開槍自殺未遂。案件的結(jié)局雖然不算最壞，但影響惡劣，它暴露出警方對防盜門破除手段的匱乏[1]。傳統(tǒng)的人質(zhì)解救方式有談判和強制解救兩種，在談判失效、疑犯高度戒備的狀況下，則只能實行強制解救措施突破門體等障礙快速突入室內(nèi)，不給疑犯反應時間，這樣才能達到有效壓制疑犯，愛護人質(zhì)的目的。隨著科學技術的發(fā)展，破門工具得到了廣泛的研發(fā)。然而國內(nèi)強制破門的手段還不夠完善。運用廣泛的破門工具有破門椎、撞門錘、剪切器、多功能鉗、金屬切割機等。撞門錘、剪斷器、多功能鉗等工具對于木結(jié)構門破門勝利率較高，而且簡便，運用成本低，但對于防盜門尤其是鋼質(zhì)防盜門則難以突破勝利，缺乏突然性。金屬切割器能有效破除防盜門，但由于切割時間長，簡潔驚動恐怖分子，威逼人質(zhì)平安，不適合突擊行動。中國兵器工業(yè)其次0八探討所研制的動能破門彈系統(tǒng)在國內(nèi)破門系統(tǒng)中比較先進，如圖。該系統(tǒng)由破門彈、動力系統(tǒng)、放射系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)、支架等組成?？稍趫?zhí)行反恐救援任務時快速、有效地攻破各種防盜門，使救援人員快速進入房間[2]。但該破門系統(tǒng)威力較大，而且作用完成后需得快速移開才能進入，難以保證室內(nèi)人質(zhì)不受到損害。國外破門手段則相對比較領先，美、英、德、以色列等國家的破門技術已經(jīng)成熟。主要有M100式破門槍榴彈、SAS切門器、PC/TAC戰(zhàn)術型切割炬、Autauga撞門器、Jersey啟動器等。但上述國家的入戶門多為木質(zhì)，即通常說的歐式門，所探討的破門手段和破門工具大多是通過破開門鎖或門鉸達到破門目的，而我國入戶門大多為鋼質(zhì)防盜門，且門鎖較多，內(nèi)置鋼板鋼柱，故上述國家的破門工具和圖動能破門彈系統(tǒng)技術并不完全適用于我國。其中Jersey啟動器雖然功能多用，但僅對于一般結(jié)構的入戶門有效，對于門鎖較多且結(jié)構堅固的防盜門難以完成破拆的任務，而且結(jié)構笨重，運用和攜帶均不便利，如圖[3]。M100式破門槍榴彈由以色列拉斐爾公司為美陸軍生產(chǎn)，圖Jersey啟動器其設計基于拉斐爾公司武器發(fā)展局研制的“西蒙”（SIMON）系列破門槍榴彈，以供美國M16和M4系列突擊步槍運用。M100式破門槍榴彈的結(jié)構包括帶支座的定距桿和引炸藥部件兩部分。士兵運用M100式破門槍榴彈時先將其兩部分連接，然后把該彈安裝在M16式或M4式突擊步槍末端，并朝門射擊。當定距桿遇到門時，觸發(fā)引信引圖M100式破門槍榴彈爆主炸藥，產(chǎn)生的劇烈超壓力沖擊波破門之后可馬上攻入[4]。該破門彈威力巨大，能有效用于反恐任務中的破門任務，但難以保證救援任務中人質(zhì)不受到?jīng)_擊波的損害。由于以上破門手段對于破除目前運用最多的鋼質(zhì)防盜門都存在不同的難度，而且會對人質(zhì)及營救人員的平安造成不同程度的損害。因此，設計一款干脆、高效、突進、功能更加全面且不造成人質(zhì)損害和危及解救人員自身平安的防盜門破拆機構燃眉之急。1.2防盜門相關學問防盜門的全稱為“防盜平安門”。它兼?zhèn)浞辣I和平安的性能。依據(jù)《防盜平安門通用技術條件》規(guī)定，合格的防盜門在15分鐘內(nèi)利用鑿子、螺絲刀、撬棍等一般手工具和手電鉆等便攜式電動工具無法撬開或在門扇上開起一個615平方毫米的開口，或在鎖定點150平方毫米的半圓內(nèi)打開一個38平方毫米的開口。并且防盜門上運用的鎖具必需是經(jīng)過公安部檢測中心檢測合格的帶有防鉆功能的防盜門專用鎖。防盜門可以用不同的材料制作，但只有達到標準檢測合格，領取平安防范產(chǎn)品準產(chǎn)證的門才能稱為防盜門，如圖。圖防盜門基本結(jié)構防盜門從材質(zhì)上主要分為五種：鋼質(zhì)、鋼木結(jié)構、不銹鋼、鋁合金和銅質(zhì)，它們在質(zhì)量和性能上都各有特點。其中鋼質(zhì)防盜門是市場上見得最多、老百姓用得最多的。百姓所熟識的防盜門大都屬于此系列。這類門價格較低廉和合理，它的銷量占市場總銷量的90%以上。防盜平安門依據(jù)其平安級別可分為甲、乙、丙、丁、四個級別的防盜平安門，其中甲級防盜性能最高，乙級其次，丁級最低。國標門一般有四種規(guī)格，高度為2050mm和1970mm兩種高度，寬度為860mm和950mm兩種，組合后可為：2050mm860mm、2050mm950mm、1970mm860mm、1970mm950mm，高度2050mm即為2.05m總高的門框。不同防盜等級的防盜門防盜平安性能不同。依據(jù)新實行的國家防盜平安門通用技術條件，門框和門扇間的鎖閉點數(shù)，甲、乙、丙、丁級防盜門分別應不少于12個、10個、8個和6個；按新標準規(guī)定，防盜門的鎖具應能在防破壞時間內(nèi)，即使鉆掉鎖芯、撬斷鎖體連接件從而拆卸鎖具或通過上下間隙伸進撬扒工具，松開鎖舌等，也無法打開門扇，防盜門的主鎖舌伸出有效長度應不小于16mm，并應有鎖舌止動裝置。而門框的鋼質(zhì)板材厚度甲、乙、丙、丁級分別應選用2mm、2mm、1.8mm和1.5mm等；門扇的外面板、內(nèi)面板厚度用“外板/內(nèi)板”形式表示，按防盜平安的甲、乙、丙、丁級別分別應選用1.00mm/1.00mm、0.80mm/0.80mm、0.80mm/0.60mm。板材材質(zhì)可選用鋼、不銹鋼、鋼/木、銅或其他復合材料[5]。新標準中，把平安門、防盜門、入戶門、平安防盜門、防護門、鋼質(zhì)門等近十種相關叫法的“門”全部納入到防盜平安門的“丁”級中。我們現(xiàn)在在商場里看到的大部分都是丁級防盜平安門，它比較適合于一般的居民消費者運用。故本課題設計的線性聚能破門機構以丁級防盜門作為目標對象進行探討。擬選門框板材厚度為1.5mm，門板板材厚度擬選“外板/內(nèi)板”為0.80mm/0.60mm。由于國家新標準規(guī)定門扇和門寬搭接寬度不少于8cm，故擬選門扇總厚度為9cm。高寬組合擬選2050mm950mm。國內(nèi)丁級防盜門門板材質(zhì)一般為冷軋鋼板，本課題擬選優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼45#鋼作為門板材料進行探討，其屈服極限Y0為353MPa，密度ρi為7.8g/cm3。本文將以上述選定的丁級防盜門的相關數(shù)據(jù)作為目標對象進行防盜門破拆機構的設計。第2章破門機構設計方案本設計的主要目的是研制一種框型線性聚能切割器，作為本防盜門破拆機構，可以對防盜門鋼板進行快速切割作業(yè)，在很短的時間內(nèi)切割出能容反恐人員快速通過的區(qū)域，進而營救人質(zhì)。2.1線性切割器簡介線性聚能切割器是一種利用線型聚能裝藥在爆炸時產(chǎn)生的高能量密度、高運動速度的刀片狀金屬射流對各種金屬或非金屬障礙物進行切割的爆炸型切割器，具有切割速度快、切割面大、切割威力高的特點。聚能效應是其工作的基本原理。聚能效應是利用裝藥一端的空穴以提高局部破壞作用的效應，這種現(xiàn)象稱為聚能現(xiàn)象。假如在空穴表面加一個金屬罩——聚能罩，可以使能量密度進一步提高，形成金屬射流，使聚能作用大為提高。聚能效應的主要特點是能量密度高和方向性強，適用于產(chǎn)生局部破壞作用的領域。其主要應用可分為軍用和民用兩個方面。聚能裝藥在軍事上的用途主要是利用聚能射流的破甲效應。如應用于魚雷、導彈、各種反坦克彈和各種炸彈等?？梢詫ρb甲、車輛、碉堡混凝土工事等物體進行破壞。聚能射流彈的應用始于二戰(zhàn)，德國、美國、英國、日本都研制了自己的聚能射流彈，用于海軍、陸軍。我國在聚能裝藥的軍事應用方面也做了很多工作，探討出很多聚能裝藥的新方法，提高了聚能裝藥的威力。由于聚能裝藥的優(yōu)越性，在國民建設方面以及爆破拆除、石油工業(yè)、打撈沉船、巖體切割等方面都有著廣泛的應用。西方發(fā)達國家很早就在石油、鋼鐵工業(yè)中應用聚能裝藥，用于在油井中打孔，用聚能裝藥進行金屬切削，還用于進行海冰的穿孔等。近些年來，國內(nèi)在民用領域也越來越多的用到聚能裝藥。如石油、自然氣工業(yè)中油氣井中的切割彈。在民用領域內(nèi)，有一類是利用線型聚能裝藥進行施工作業(yè)的，利用線型裝藥制成的爆炸切割器，應用特別廣泛。爆炸切割器利用聚能原理來切割堅硬物質(zhì)，由于切割都是沿著一個面切割出一條窄縫來，因此，多采納平面對稱型藥型罩。線型聚能裝藥是一種長條形帶有空腔的裝藥，在空腔中嵌有金屬藥型罩。藥型罩的形態(tài)可以是圓弧形或各種不同頂角的楔形，藥型罩的材料可以是銅、鋼、鋁、鉛等。南非JetDemolitionLtd利用聚能切割器勝利地拆除了多種大型鋼結(jié)構建筑物；美國Dykon公司應用聚能切割爆破技術勝利地拆除了一座煉油廠的鋼結(jié)構反應塔；解放軍理工高校曾經(jīng)采納聚能切割索將上海寶鋼集團第一鋼廠原其次煉鋼車間廠房拆除；遼寧工程技術高校也曾經(jīng)利用聚能爆破法拆除長為234.4m，寬為12m的清河門大橋等。此外，線型聚能切割器在采集石材中也有著廣泛的應用。由于聚能裝藥的高能量密度和方向性強的特點，在運用時可以大大縮短施工時間，在民用領域?qū)性絹碓蕉嗟膽肹6]。2.2切割器破拆方案本文設計的線性切割器整體外觀為框型，各連接角為直角，能穩(wěn)定地粘附在防盜門上，解決一般破拆機構須要支架的問題，同時采納各處裝藥同時起爆的設想，起爆方式為遙控起爆，可以避開一般爆破破拆帶來的對反恐人員造成損害的問題。其破拆原理為：當裝備內(nèi)裝填炸藥爆炸后，產(chǎn)生的爆炸能量以高壓作用于楔型金屬罩，使其在對稱平面上擠出向前高速運動薄層呈熔融狀態(tài)的金屬射流，以線狀豎直作用在門板上，使鋼質(zhì)門板在金屬射流的不斷作用下被侵蝕產(chǎn)生裂縫。通過合理設計切割器結(jié)構參數(shù)，使門板在將要被切斷時讓射流速度達到臨界值停止破甲作用，從而防止射流過大損害室內(nèi)人質(zhì)的問題。因為結(jié)構為框型，最終防盜門被切出一塊能容反恐人員通過的方形區(qū)域，該區(qū)域在反恐人員一般的力作用下脫離防盜門，而且用炸藥作為原動力起爆，這個過程在幾秒之內(nèi)就能完成，能在瞬間破門的同時也不給恐怖分子反映的機會，進而實現(xiàn)快速突入、制服恐怖分子、營救人質(zhì)的目的。本設計的主要任務是依據(jù)防盜門結(jié)構、門板材料、所處環(huán)境及切割器的裝藥性質(zhì)，合理的選擇和確定線性切割器的結(jié)構尺寸、組成材料和裝藥參數(shù)等，以理論分析為主，結(jié)合數(shù)值計算得出該切割器相對防盜門的侵徹深度，使切割器形成的射流能在規(guī)定要求下完成破門任務，達到反恐救援的目的。同時還應考慮作用位置的穩(wěn)定性、攜帶的便捷性以及運用的平安性。第3章線性切割器結(jié)構參數(shù)設計要使線性切割器爆炸后形成的平面射流具有侵徹防盜平安門的實力，確保防盜門的破拆，達到突入的目的，就必需合理地設計聚能切割器的結(jié)構參數(shù)。它包括裝藥的選擇、金屬藥型罩設計、炸高的確定、聚能切割器幾何形態(tài)設計等，其中金屬藥型罩結(jié)構參數(shù)設計最為重要。3.1裝藥的選擇炸藥是聚能侵徹防盜門的能源。聚能裝藥起爆使線性金屬藥型罩向?qū)ΨQ面壓合碰撞，形成射流的侵徹性能主要取決于炸藥爆轟壓力。理論分析和試驗結(jié)果表明，聚能射流的侵徹威力隨爆轟壓力的增加而增加。依據(jù)爆炸理論，炸藥的爆轟壓力為:Pc=ρcD2()式（）中，Pc為炸藥的爆轟壓力，ρc為炸藥的裝藥密度，D為炸藥的爆速。由()式可以看出，炸藥的密度和爆速對爆轟壓力有影響，而且炸藥爆速影響更大。因此，為了提高線性切割器的聚能威力，必需選用爆速較高，猛度較大的炸藥。不同炸藥的成型裝藥侵徹速度不同，由試驗得知，爆壓和侵徹深度存在線性關系，即爆壓越高侵徹深度愈大。在炸藥選定后，盡量提高裝藥密度。另一方面，炸藥的選擇還應考慮其成本、加工工藝等因素，綜合考慮炸藥的性能價格比。表是常用炸藥裝藥密度和爆速的相關數(shù)據(jù)。表常用炸藥性能表炸藥名稱黑梯60黑梯50TNTRDXρc（g/cm3）1.7201.6461.5911.126D(m/s)7880744069106530考慮炸藥性能、成本和運用要求等因素,通常運用黑梯60和黑梯50作為線性切割器的裝藥[7]。從表可以得知黑梯60的裝藥密度和爆速均較大，故本課題擬選黑梯60作為欲設計的線性切割器的裝藥。線型聚能裝藥按藥型可分為等厚度裝藥和變壁厚裝藥。在同等藥量下，對同一藥型罩，采納變壁厚裝藥，形成的射流在縱向?qū)a(chǎn)生速度梯度，可以使切割深度大大增加，最大可增加30%。線型聚能裝藥的侵徹深度隨著裝藥底寬和藥頂高的增加而增加，但是要相應增加裝藥的重量。隨著藥頂高的增加，射流頭部速度和尾部速度的差值增大，侵徹深度也相應增加。當藥頂高增加到肯定值后，侵徹深度不再增加。本方案采納變壁厚裝藥。3.2金屬藥型罩參數(shù)設計藥型罩是聚能裝藥的核心部分。金屬藥型罩的結(jié)構是破門突入的關鍵，它是形成平面侵徹射流的主要部件。線性藥型罩的材料、幾何形態(tài)及其尺寸等參數(shù)干脆影響射流的性能和質(zhì)量，關系到破門的作用效果，因而必需對其作恰當?shù)倪x擇和設計。聚能藥形罩的設計包括罩材料的選擇、罩型的確定、楔角的設定、壁厚設計。3.2.1藥型罩材料的選用藥型罩材料對于破甲侵徹效果具有特別重要的意義，當藥形罩被壓合后，形成連續(xù)且不斷裂的射流越長、密度越大，則破甲越深。由射流侵徹過程的流體動力學理論可知，侵徹效果和射流長度及射流密度的平方根成正比。因此，要求藥型罩材料的塑性好，密度大，可壓縮性小。為了使射流形成過程中的相對流淌為亞聲速，即相對速度不大于材料聲速，以保證射流的形成，因此音速過低的材料不宜作為罩的材料。為了保證有足夠的射流參和侵徹作用，應保證射流形成過程中不汽化。探討和實踐證明，侵徹性能優(yōu)良的藥型罩材料應具有高塑性、高密度和高聲速3個特點。塑性好的材料易于加工成形，可形成侵徹性能較好的長射流，而射流的長度和侵徹深度成正比關系。此外，總侵徹深度還同射流密度和靶密度之比的平方根成正比關系，因而藥型罩的密度越高，侵徹深度將越深。材料的聲速越高，射流的伸長速度越快，有利于射流侵徹裝甲。純銅是傳統(tǒng)的藥型罩材料。90年頭以來，為了適應高侵徹性能空心裝藥戰(zhàn)斗部的發(fā)展，國外探討了多種單金屬和合金罩材。迄今，單金屬罩材對提高空心裝藥戰(zhàn)斗部的侵徹性能影響最大，鋁、鈾、鉭、錸和鎳具有較大的應用和發(fā)展前景。在合金藥型罩材方面，銅元素和W、Ta、Re等重金屬元素組配成的合金，既有高密度效應又有優(yōu)良的塑性。這類新合金拓寬了發(fā)展罩材的思路，是藥型罩材的發(fā)展方向之一。一些這類合金已顯示出良好的侵徹效果。此外，Ta—W及Ni一W萬合金罩材也顯示出良好的侵徹性能。國外還探討了超塑合金和非晶態(tài)合金等合金罩材，但其效果都不明顯。到目前為止，盡管選用以上多種材料皆可制造出性能比較好的藥型罩，但純銅仍舊是藥型罩的主要選用材料，也是其他材料不能替代的。這是由于純銅有它自身特點及優(yōu)點。那么選用藥型罩材料的基本依據(jù)是什么呢？主要是藥型罩材料的密度、聲速、藥型罩的物理對稱性和幾何對稱性是探討者們選用材料時必需考慮的問題，是藥型罩材料技術的四個基本要素。藥型罩材料的密度和聲速要素分析。純銅是藥型罩的首選材料，因為純銅具有良好的綜合性能，即塑性好、密度(8.9)和聲速(4.7km/s)較高，最終可獲得延性射流，另外純銅價格比較低廉，制作比較簡潔，是其他材料無法替代的。從材料的角度考慮，始終希望得到密度高于銅的新型藥型罩材料。鉬由于其高聲速(5.14km/s)和較高密度(10.2)的屬性是極優(yōu)秀的聚能裝藥藥型罩材料，為了得到高速連貫的射流頭部材料必需具有高的聲速，為了提高侵徹實力，要有高的密度材料。美國陸軍武器探討所和工程中心開展了鉬藥型罩材料及其射流特性的試驗探討。探討結(jié)果表明，鉬藥型罩射流延性好，射流頭部速度可達12.5km/s，可和銅藥型罩的射流性能相媲美。把鎢看做有前景的藥型罩材料主要是其具有高的密度，可增加射流密度。另外其聲速高，鎢的聲速為4.03km/s。藥型罩材料聲速越高，射流速度越高，特殊是射流的頭部速度，假如射流具有高的頭部速度，就能獲得更大的侵徹深度，更有效地毀傷靶板。鉭具有更高的密度(16.6)，同時也具有比較高的聲速(4.5km/s)，是一種主要用于爆炸成型彈丸用的藥型罩材料。雖然很多材料都能制造出性能比較良好的藥型罩，但是紫銅仍舊是制造藥型罩材料首選的材料，其具有高的延展性、相對比較高的密度和聲速，在藥型罩的成型制造過程中，金屬的流淌性好，易于加工成型，同時，材料來源比較廣泛，價格低廉，其性價比高于其他金屬[8]。表是肯定結(jié)構參數(shù)條件下，不同罩材料藥型罩侵徹深度試驗結(jié)果。試驗結(jié)果表明，紫銅藥型罩的侵徹效果最好，其次是鑄鐵、鋼、鋁、鉛。當前，聚能裝藥藥型罩所用最好材料是自由氧化的電解銅。生鐵雖然在通常條件下是脆性的，但它在高速、高壓的條件下卻具有良好的可塑性，因而破甲效果也不錯。鋁的密度太低，鉛的熔點和沸點都很低，其破甲效果不好。綜上所述，考慮材料成本、材料聲速、易加工性以及材料的侵徹性能等因素，本探討選用紫銅作為金屬藥型罩材料，表不同材料藥型罩侵徹深度試驗結(jié)果材料紫銅生鐵鋼鋁鉛侵徹深度（mm）最大值1401211139173最小值10398969170平均值1231111039172其密度ρj為8.9g/cm3。3.2.2藥型罩形態(tài)的確定我們通常把在裝藥表面帶有肯定形態(tài)的凹槽，使炸藥爆炸的能量集中，從而提高對靶的局部破壞作用的效應，稱為炸藥的“聚能效應”，凹槽稱為“聚能槽”。假如在藥柱的聚能槽表面加上一個金屬藥型罩，則爆轟產(chǎn)物在推動罩壁向軸線運動的過程中，將能量傳遞給藥型罩，使能量的極大部分表現(xiàn)為動能形式，這樣就避開了爆轟產(chǎn)物高壓膨脹引起的能量飛散，使能量更為集中，從而提高了炸藥爆炸的聚能效應。在目前眾多關于有罩聚能裝藥的文獻資料中，藥型罩大多為軸對稱的圓錐罩、喇叭罩、半球形罩、截錐罩，如圖所示，藥柱裝藥為軸對稱的柱狀裝藥，起圖常用藥型罩的形態(tài)（a）半球形；（b）截錐形；（c）喇叭形；（d）圓錐形爆方式為中心點起爆。半球形罩能獲得的射流速度太小，破甲效果不明顯。由前可知，侵徹深度和射流有效長度成正比，而初始長度取決于藥型罩的母線長度。在罩底尺寸相同的狀況下，喇叭罩的母線長度較長，因此其侵徹效果較好。事實上，喇叭罩是一個變錐角的藥型罩，其頂部錐角小，底部錐角大，這有利于提高射流的頭部速度及整個射流的速度梯度。增加射流速度梯度，對提高射流有效長度有利?？稍囼灡砻鳎刃嗡幮驼衷黾忧謴匦Ч怯邢薜?，而且其加工工藝比較困難，加工精度要求較高，制造時很難得到正確的形態(tài)，而制造質(zhì)量對破甲性能的影響又很大，故在實際應用中發(fā)覺，由喇叭形藥形罩得到的破甲深度較圓錐形藥形罩增加的并不顯著，一般狀況下很少用喇叭形藥型罩，而采納錐形罩[9]。圓錐罩能產(chǎn)生一股高溫、高速、高能量密度的聚能破甲射流，但只適用于對靶目標產(chǎn)生局部破壞作用的場合，難以完成大面積切割作業(yè)。對于線型聚能裝藥有楔形罩和圓形罩等。圓形罩線性裝藥形成的射流質(zhì)量占整個罩的質(zhì)量的比例要比楔形罩大，這對切割效果是有利的。而楔形罩在對稱面碰撞到射流形成有一個加速的過程，由此可見，楔形罩的射流速度比圓形罩的射流速度大。并且，楔形罩的杵體運動方向和射流一樣對侵徹作用也有肯定貢獻。這兩種形態(tài)的藥型罩各有利弊[10]。因本線性聚能切割器要對防盜門進行大區(qū)域的切割作業(yè)，而且設計裝藥形態(tài)為楔形，所以設計藥型罩時提出楔形罩的方案，楔形罩是平面對稱結(jié)構。采納楔形罩的裝藥稱為線型聚能裝藥，也稱平面對稱型聚能裝藥。由于裝藥是平面對稱型聚能裝藥，所以炸藥起爆后，沖擊產(chǎn)物擠壓楔形金屬罩，藥型罩內(nèi)壁旁邊金屬能在對稱平面擠出長條聚能刀片狀金屬射流，可以對靶板進行大區(qū)域切割作業(yè)[11]。故本課題選用楔形藥型罩。3.2.3藥型罩楔角設計無論從運用性能還是生產(chǎn)工藝要求來看，藥型罩楔角的選擇都是特別重要的。實際數(shù)據(jù)表明，最佳炸高隨楔角增加而增大，始終到65o左右，然后又隨楔角的增加而削減。從射流形成理論中射流速度和質(zhì)量公式分析可知，藥型罩楔角存在最佳范圍。當楔角小于時，雖然侵徹深度增大，但相應的穿孔直徑削減，后效作用降低，同時侵徹穩(wěn)定變壞；當楔角大于時，射流形成過程可能發(fā)生了新的變更，即可能形成爆炸型彈丸，侵徹深度顯著下降，且孔徑增大。所以，應依據(jù)應付目標的特性，選用合適的藥型罩楔角。一般說來，聚能裝藥起爆后，在裝藥中傳播的球面散心波和藥型罩相遇，爆轟產(chǎn)物驅(qū)動藥型罩微元加速運動。當藥型罩微元以壓垮角在軸線匯聚時，在匯聚處產(chǎn)生高溫高壓；在肯定條件下，產(chǎn)生高速運動的射流和低速運動的杵體。由于射流和杵體的速度相差很大，射流和杵體很快分別，中間形成空隙，后續(xù)壓垮的藥型罩微元在此空隙處匯聚，接著形成射流和杵體。藥型罩連續(xù)壓垮，從而在匯聚過程中形成連續(xù)的射流和杵體，而射流被不斷拉長，如圖所示。圖聚能射流示意圖由經(jīng)過Pugh、Eihcelberger、Roostker等人發(fā)展完善的PER理論認為藥型罩的壓垮速度是變更的，從罩頂端究竟端是漸漸減小的。如圖所示，這樣罩壁壓垮后，由于P′的速度小于P，當P到達J時，P′到達N而不是M，于是形成一條曲線，壓垮角也發(fā)生變更。圖藥型罩幾何關系及壓垮示意圖由PER理論得出的射流速度和質(zhì)量公式分別為：Vj=V0cos(-α-δ)()Mj=M(1-cosβ)（）式中，α為半楔角，β為壓垮角，δ為變形角（壓垮速度方向和罩平面法向的夾角），V0為壓垮速度，M為金屬罩質(zhì)量。為分析便利，假設炸藥瞬時爆轟，罩壁面同時平行地向軸向壓合。此時有α=β，δ=0，因而有：Vj=V0cot（）Mj=M·sin2()()由式()可以看出，隨α增加，Vj減小，但Mj增加。試驗表明，小楔角時，射流頭部速度較高，但射流質(zhì)量較小，因此侵徹較深，切口寬度較??；大楔角時，射流頭部速度較低，射流質(zhì)量較大，因而侵徹深度下降，但切口較寬。盡管線性楔形罩的質(zhì)量是面對稱分布的，保證形成平面射流條件下，罩的楔角可以做得較大，但當α很大時,仍舊會引起藥型罩的翻轉(zhuǎn)而形成彈丸，為保證形成具有足夠速度和質(zhì)量的平面射流，罩的楔角既不能太小，也不能太大。試驗探討表明，線性楔形罩的最佳楔角在70o～120o范圍內(nèi)選擇。為了加工便利，在保證運用要求的狀況下，本探討課題中楔角2α選為90o。3.2.4藥型罩壁厚設計藥型罩的最佳壁厚隨藥型罩材料、楔角、炸藥性能、外殼和炸高等參量的變更而變更，其中外殼和楔角是主要影響因素。總的說來，藥型罩最佳壁厚隨楔角增加而增加，隨外殼的加厚而增加。當爆轟壓力沖量足夠大時，壁厚增加使形成射流的金屬增多，從而提高了射流性能和侵徹實力。當然罩壁厚也不能太大，否則會使壓垮速度變小，也可能爆炸使罩形成破片，影響射流的正常形成，從而影響破甲作用。試驗探討還表明，采納變壁厚藥型罩對射流性能和侵徹實力有較大影響[12]。實際應用的閱歷表明，頂部厚、底部薄的藥型罩使侵徹口較大，侵徹深度較?。环粗?，頂部薄、底部厚的藥型罩，只要壁厚變更適當，可提高破甲效果。當爆轟產(chǎn)生的壓力沖量足夠大時，藥型罩的壁厚增加對提高破甲威力有利。但是，假如截面厚度變更率不當，反而會降低侵徹實力，而且變壁厚無疑將加大加工難度，影響加工精度。由于形成金屬射流的金屬為藥型罩內(nèi)層五分之一左右的金屬層，假如金屬藥型罩的罩壁較薄，形成射流的金屬重量就小，造成射流的質(zhì)量密度比較低，有效射流長度會減小，藥型罩性能達不到設計的要求，將干脆影響到破甲彈的破甲性能[13]。依據(jù)實際須要，結(jié)合大量侵徹試驗的結(jié)果，藥型罩的壁厚為0.02～0.03倍罩底寬度時為最佳。在能滿意要求的前提下，考慮到便于計算，本探討采納的罩壁為等厚，厚度b為1.5mm。3.3炸高的初步確定炸高是藥型罩底面到侵徹物之間的最短距離。炸高對切割器的侵徹實力有很大影響。一方面，炸高增加能使侵徹射流較長，從而提高侵徹深度；另一方面，炸高增加會使射流產(chǎn)生徑向分散和搖擺，甚至引起射流斷裂，導致侵徹深度下降。因此必需設計線性切割器的最佳炸高。最佳炸高是肯定范圍內(nèi)變更的參量，它和藥型罩的楔角大小、罩材料性能、炸藥性能等因素有關。在相同裝藥種類、裝藥結(jié)構、藥型罩材料和藥型罩結(jié)構的狀況下，炸高不同，線型聚能切割器的切割實力也不相同。在裝藥量不變的狀況下，選擇有利炸高可以提高切割器的切割實力。在滿意肯定的切割實力的狀況下，有利炸高可以削減裝藥量、節(jié)約成本和減輕爆炸對環(huán)境的影響。眾多學者通過理論分析、試驗測定和數(shù)值模擬對炸高影響線型聚能切割器的切割實力進行了定性和定量的探討，探討成果在肯定程度上促進了線型聚能切割器的設計和切割實力的評估。但這些探討成果基本上都是針對某一特定類型的線型聚能切割器進行的，沒有從基本原理上對炸高的確定作用給出合理的說明，因此其確定的相關計算公式不具有普遍性。馬海洋博士等人通過數(shù)值模擬技術對爆炸切割過程進行真實再現(xiàn)，說明白炸高對線型聚能切割器切割實力影響的基本原理，為合理確定線型聚能切割器的有利炸高供應一個有效的方法。他們通過分析認為，小炸高下，影響射流侵徹實力的主要因素是靶板阻礙了射流的形成。射流頭部起先斷裂時的位置并不是最有利炸高，最佳炸高應當存在于射流斷裂后的某一個位置。把射流起先斷裂之后的適當位置作為有利炸高，可以大量節(jié)約試驗和數(shù)值模擬的工作量，實現(xiàn)有利炸高的快速選取。由于裝藥種類、裝藥結(jié)構、藥型罩材料及藥型罩形式各不相同，尤其是裝藥和藥型罩的幾何形態(tài)對射流斷裂影響較大，射流斷裂程度對于射流侵徹實力的影響難于把握，因此把射流頭部第2次斷裂時的位置作為有利炸高是能夠滿意工程要求的[14]。平面對稱楔型罩的試驗探討表明，鋁罩因其延展性好，形成的射流較長，其有利炸高約為罩底寬度的6～8倍；銅罩的有利炸高約為罩底寬度的6倍左右；一般鋼鐵罩材其有利炸高約為罩底寬度的1～3倍。雖然加工精確的藥型罩的最佳炸高通常大于4倍罩底寬度，但是考慮到金屬罩形態(tài)和尺寸的影響，實際炸高一般限制在1～3倍罩底寬度之間。此炸高可使侵徹深度足以達到最佳炸高侵徹深度的90%左右。在某些狀況下，小炸高有肯定的優(yōu)越性。綜合上述分析，在確定罩底寬度d為50mm的條件下,炸高H選為30mm是可行的,這有利于侵徹性能的穩(wěn)定性。炸高的精確值會在后邊的計算中得到確認。3.4切割器幾何形態(tài)設計切割器外部結(jié)構的設計對反恐人員能否短時間突破防盜門起著至關重要的作用。為達到破門營救人質(zhì)的目的，須要對線性聚能切割器的整體幾何構造進行合理設計，同時應綜合防盜門所處環(huán)境對破門系統(tǒng)進行全面分析，考慮切割器在作用時的定位問題，以及盡量削減切割器裝藥引爆后給外界造成的損害。設計的方案不僅要能滿意反恐救援的要求，還應滿意加工簡潔、造價成本低以及攜帶便利的要求。隨著城市人口的密集化，一般居民房都為樓梯房或樓道房，入戶門所在的空間不是很大，不能容納太大的防盜門破拆機構系統(tǒng)，故設計的破門系統(tǒng)體積必需相對較少?，F(xiàn)階段一般的防盜門破拆機構都設有支架等系統(tǒng)，不僅須要占用空間，而且攜帶不是很便利。綜合上述因素，考慮到設計目的最終要在防盜門上侵徹出能夠容反恐人員通過的門洞，本方案設定切割器的整體外部結(jié)構為框型結(jié)構，其作用示意圖如圖所示，外圖線性切割器作用示意圖觀簡潔卻好用，且連接角設置為，這樣聚能切割器的連接處可以完全切斷所要切割部位的鋼板[15]。切割器罩底設計有磁性材料，能干脆牢靠地吸附在防盜門門板上，既能起到固定切割器的作用，同時還免去了支架系統(tǒng)，節(jié)約了空間，可以為援救任務節(jié)約時間。切割器可以沿直角方向進行拆解和組合，拆解之后攜帶便利。組合之后可以形成框型結(jié)構，作用在防盜門上能侵徹出長為1.6m，寬為0.6m的長方形門洞，足夠反恐人員快速進入室內(nèi)制服疑犯，解救人質(zhì)。起爆裝置采納棱上線性起爆，可以實現(xiàn)各處同時起爆，能有效防止起爆不均引起的射流翻轉(zhuǎn)、偏向等現(xiàn)象[16]。在起爆裝置上設計遙控接收器件，實行遙控起爆，可削減炸藥爆炸對反恐人員造成的次生損害?；窘M成如圖所示。圖線性切割器基本結(jié)構示意圖切割器外殼材料采納45#鋼。外殼對侵徹效果的影響是通過對爆轟波波形的影響而產(chǎn)生的，主要表現(xiàn)在爆轟波形成的初始階段。如前所述，外殼厚度對藥型罩的最佳壁厚也有影響，這些影響既有有利的一面，也有不利的一面。一方面，有殼線性聚能裝藥可以減弱稀疏波的作用，有利于提高裝藥能量利用，殼體越厚，裝藥能量利用率越高；另一方面，由于殼體的存在會引起爆轟波在殼體壁面的反射，從而使壁面旁邊爆轟波能量加強，使側(cè)向爆轟波較中心爆轟波提前到達藥型罩壁面，造成罩壁受載不勻稱，破壞了爆轟波波形，造成射流不集中、不穩(wěn)定，因此使侵徹深度下降。外殼越厚，這種影響越大。考慮上述有利和不利因素，為了存貯、運輸和運用便利，設計線性切割器時取外殼厚a為2mm。綜上分析，選擇并初步確定線性聚能切割器的一些基本設計結(jié)構參數(shù)列在表中。表線性切割器結(jié)構參數(shù)表裝藥參數(shù)罩結(jié)構參數(shù)外殼厚度炸高ρc（kg/m3）Pc(Gpa)D(m/s)b（mm）Pj（kg/m3）2α(度)d（mm）a(mm)H(mm)172026.778801.589009050230依據(jù)以上所述，可以得出線性切割器剖面幾何尺寸圖如圖所示。炸高由切割圖線性切割器剖面幾何尺寸圖器底座尺寸確定，確保了組合后各處炸高均等，防止了因切割時由于炸高不同而引起的侵徹效果不同的一些問題。其中在裝藥殼體后構建緩沖防護層，能有效削減炸藥爆炸后產(chǎn)生的爆轟波對外界的損傷，起到平安防護的作用。其中圖中尺寸m為73mm，n為85mm，c為11.5m。圖為實體切割器局部圖。圖聚能切割器實體局部圖第4章切割器侵徹深度計算推導由于線性聚能裝藥為面對稱結(jié)構,它的射流形成過程及破門過程有其自身特點,此時軸對稱聚能裝藥侵徹深度計算公式不能適用,目前尚無系統(tǒng)完善的計算理論。本方案依據(jù)爆炸流體動力學理論,推導建立了適用于線性切割器聚能裝藥的半閱歷半理論公式,作為侵徹深度計算的依據(jù)。依據(jù)這個理論,聚能裝藥從頂端起爆后,隨著爆轟波的傳播,藥形罩被一層一層壓跨。被壓跨的聚能罩向?qū)ΨQ平面方向運動,在對稱平面上相遇并發(fā)生碰撞,聚能罩內(nèi)層一部分金屬被擠壓,形成高溫高壓的金屬射流,而聚能罩的外層部分變成杵狀體伴隨金屬射流運動,金屬射流邊向?qū)ΨQ平面擠壓邊拉伸。聚能罩被壓跨時,每個微元獲得的能量不同,從聚能罩頂部究竟部罩微元獲得的能量漸漸削減,因此聚能罩各部分的壓跨速度也漸漸降低。形成的金屬射流也相應的產(chǎn)生了一個速度梯度，使得射流長度產(chǎn)生差異，導致侵徹深度也隨罩微元位置的不同而發(fā)生變更[17]。4.1罩微元的劃分及數(shù)學模型的建立分析聚能裝藥爆轟金屬藥型罩的過程時,可以將整個金屬藥型罩劃分成若干個微元,各罩微元在炸藥的爆轟下分別進行聚能運動。如何對罩微元進行劃分是特別關鍵的問題。微元劃分的合理性,將干脆確定所建立的數(shù)學模型是否能反映聚能裝藥爆轟和射流形成的物理過程,也將確定所計算的射流參數(shù)、及侵徹深度是否合理。分析罩微元的壓垮運動模型如圖所示?？紤]到設計的金屬藥型罩厚度勻稱，圖4.1.1罩微元壓垮運動模型金屬射流雖然由兩側(cè)金屬罩擠壓形成，然而楔形罩為平面對稱結(jié)構，依據(jù)流體動力學理論，計算侵徹深度時只需分析一側(cè)藥型罩的運動模型即可。本方案在設計時綜合計算精度和工作量等方面的因素，將一側(cè)藥型罩等分為10個微元建立數(shù)學模型進行探討，計算線性切割器所能侵徹的深度。依據(jù)罩微元壓垮運動模型，以金屬罩罩頂為原點，罩對稱平面為z軸建立坐標，如圖4.1.2所示。圖切割器數(shù)學計算模型4.2藥型罩壓垮速度炸藥爆轟后，沖擊波通過炸藥沖擊藥型罩，沖擊波之后是高壓爆炸氣體產(chǎn)物。當沖擊波產(chǎn)物經(jīng)過第i微元時，作用在第i個微元上的氣體產(chǎn)物壓力將向藥型罩微元傳遞沖擊壓力，依據(jù)動量守恒原理，藥型罩將會獲得一個速度。依據(jù)定常志向不行壓縮流體理論，可推導出罩微元壓垮速度Voi的計算公式為：Voi=()式（4.2.1）中，D為炸藥的爆轟速度，其值由表3.1.1給出；A（φi）為爆轟波方向系數(shù)，可由閱歷公式確定：A（φi）=1+cos2φi（）式（）中φi為爆轟波到達微元i的入射角，即起爆點和罩微元的之間連線和罩微元法線的夾角，如圖4.1.2所示，據(jù)圖可得其計算式為：（）式（）中，α為藥型罩頂角也就是楔角的一半，x0為起爆位置到罩頂?shù)木嚯x，為了便于加工和計算，本設計將x0的值確定為15mm；x為以罩頂為原點，罩微元i在面對稱方向的坐標，如圖4.1.2所示。式（4.2.1）中，b為罩微元厚度，即藥型罩厚度；Bi為罩微元上有效炸藥厚度，由圖4.1.2可計算得：（4.2.4）式（4.2.4）中d為金屬罩罩底寬度；s為設計計算給定的值，為了便于加工和計算，取其值為11mm；f的值由x0確定，計算公式為：f=(4.2.5)式（4.2.1）中μi為罩微元法向有效裝藥量和罩微元質(zhì)量之比，其大小為：（4.2.6）式（4.2.6）中ρc裝藥密度；ρj為金屬藥型罩密度[18]。4.3變形角當炸轟產(chǎn)物作用在罩微元上時，因爆轟波方向不同，并非垂直作用于藥型罩表面，因此罩微元獲得壓垮速度后并非垂直罩表面運動，而是和金屬罩表面有個流淌偏角，稱為變形角。變形角即為微元壓垮速度和罩微元法線的夾角，如圖。依據(jù)圖中幾何學問可得：（）4.4壓垮角壓垮角的正切值事實上就是變形后罩壁在面對稱平面的斜率，如圖所示。炸藥在Q點處引爆，以引爆時作為零時刻，則爆轟波到達罩微元A的時間為：()A點的坐標為:()在爆轟波的作用下，罩微元A的速度馬上達到Voi。且沿著和微元處法線成δ角的方向運動，在t時刻該罩微元到達M點。為了求M點的坐標，做直角三角形AMN，明顯AM=Voi(4.4.3)∠MAN==A(4.4.4)則M點坐標為（4.4.5）如前所述，壓垮角的正切值事實上就是變形后罩壁在軸線z的斜率，如罩微元A的壓垮角就是A點到達軸線z上B點時，罩壁曲線在B點的斜率。對于給定的罩微元，它的坐標z、y還隨時間t而變更。故斜率要用偏導數(shù)表示。將罩壁坐標，即式（4.4.5）中z、y分別對x取偏導數(shù)（4.4.6）式中（4.4.7）將式（4.4.6）除以式（4.4.7）得（4.4.8）這就是變形運動中罩微元A到達M點時斜率的表達式。令式（4.4.5）中的y=0，得到（4.4.9）將式（4.4.9）代入式（4.4.8），即得到y(tǒng)=0處的斜率，也就是壓垮角的的正切值[19]（4.4.10）式（4.4.10）中可由式（4.2.1）對x求偏導得到；可由式（4.3.1）及式（4.4.4）結(jié)合對x求偏導得到；的值可推導如下：由圖4.1.2可得（4.4.11）由式（4.4.1）可知故可得（4.4.12）最終可由式（4.4.10）求得壓垮角（4.4.13）4.5射流微元相關計算（1）射流速度依據(jù)定常志向不行壓縮流體力學理論，考察楔形罩的變形過程。OC為罩壁初始位置，為半楔角。當爆轟波到達微元A點時，A點起先運動，設其速度為V0（稱為壓垮速度），其方向和罩內(nèi)表面外法線成角(稱為變形角)。A點到達軸線時，爆轟波到達C點，AC段運動到了BC位置，BC和軸線的夾角稱為壓合角或壓垮角。假設：爆轟波到達罩面后，罩上微元馬上達到壓垮速度V0，并以不變的大小和方向運動；罩壁各層的速度是勻稱的，都是V0；罩上各微元的壓垮速度V0及變形角相等；變形過程中罩壁長度不變，即；罩材料當作志向不行壓縮流體；爆轟波掃過罩壁的速度不變。依據(jù)上述假設，變形后的罩壁BC應為直線。過C點作AB的垂線CF，則∠ACF=δ，因是等腰三角形，故同理可知則AE平行于CB，，即罩上各微元的壓垮角相等。當罩上微元G點在E點處碰撞時，爆轟波到達A點，當爆轟波到達C點時，微元從A點到達軸線B點，此時碰撞點從E點到B點。設碰撞點的運動速度為V1，則碰撞點旁邊的圖形如圖所示。裝藥爆炸后，罩壁以壓跨速度向軸線運動，當它到達碰撞點時，分成杵和射流兩部分，杵以速度Vs運動，射流以速度Vj運動，碰撞點以速度V1運動，即靜坐標下射流圖射流形成的定常流淌模型和杵體的速度模型，如圖4.5.2所示。圖靜坐標下射流和杵體示意圖假如站在碰撞點視察，以V1的速度和碰撞點一起運動，則可看到罩壁以相對速度V2向碰撞點運動，然后分成兩股:一股向碰撞點左方離去，另一股向碰撞點右方離去，相當于把各個運動加上一個速度V1的狀況，稱為動坐標，如圖4.5.3所示。圖動坐標下射流和杵體示意圖在動坐標時，把罩壁碰撞形成射流和杵的過程描述成定常流淌，罩壁外層向碰撞點左方運動，成為杵，罩壁內(nèi)層向碰撞點右方運動，成為射流。依據(jù)流體力學定常志向不行壓縮流體可用伯努里方程描述，即流體各處的壓力和單位體積動能的總和為常量，對于杵上P點和罩壁外層Q點，有下式:（）其中PP和PQ為流體中P點和Q點的靜壓力，為金屬射流密度，為杵的密度。因為所取P點和Q點距碰撞點E很遠，因此可忽視碰撞點的影響，則其靜壓力應和四周的氣壓相等，而P點和Q點四周的爆轟產(chǎn)物壓力，在膨脹過程中，可以認為是相等的，即二點的靜壓相等；由不行壓假設，罩壁密度和杵體的密度也是相等的，所以，由式（）可得（）在動坐標下，罩壁以速度V2流向碰撞點，仍以速度V2向左和向右離去，取向右為正，向左為負。在靜坐標中，只要加上一個動坐標的速度(碰撞點速度)V1就行了，則可得：射流速度：()杵體速度：（）設罩微元的質(zhì)量為M，射流微元的質(zhì)量為Mj，杵體的質(zhì)量為Ms，有質(zhì)量守恒條件知()由軸線上的動量守恒條件還可得（）將式（）和式（）聯(lián)立得（）（）式（）、（）和（）是在動坐標下得到的，但式中不含速度項，不用變換就適用于靜坐標下的狀況。對于碰撞點速度V1和罩壁相對速度V2，可以在中利用正弦定律求得：（）（）（）將其代入式（）、式（），可得出射流和杵體的速度表達式：（）（）對于某一射流微元i，其射流速度可表示為：（）（2）射流微元初始長度依據(jù)圖，當爆轟波到達罩微元時，微元上頭部點1首先受到?jīng)_擊獲得壓垮速度，向?qū)ΨQ平面運動，并在擠壓過程中形成射流微元頭部。當爆轟波到達罩微元尾部點2時，點2才起先運動，最終被擠壓形成射流微元尾部。由于罩微元頭部和尾部所處的位置不同，炸藥爆轟后獲得的壓垮速度也不相同，故罩微元頭部和尾部到達對稱平面的時間也不同，罩微元頭部首先到達對稱平面，并接著向前高速運動，當罩微元尾部到達對稱平面時，形成最初的射流微元[20]。由圖和圖可推導出射流微元初始長度的計算公式為：（）式（）中，Vj1為射流微元頭部射流速度，它對侵徹深度影響極大，可由式（）計算得出；Vo2為罩微元尾部壓垮速度，可由式（）計算得到；l0為罩微元的初始長度，因本方案沿罩母線分金屬罩為10個微元，所以罩微元的初始長度即為罩母線的特別之一，故其值為：（4.5.16）（3）射流微元侵徹前的有效長度由前面式（）可以求得射流微元初始長度。依據(jù)射流形成的原始理論，在圖射流隨時間的運動過程爆轟產(chǎn)物的作用下，金屬藥型罩擠壓形成的射流長度要大于杵體長度好幾倍。依據(jù)圖，由于起爆中心到達罩微元頭部和尾部的時間不同，使得罩微元頭部和尾部獲得的壓垮速度不同，并且從罩頂?shù)秸值壮侍荻冗f減。因此罩微元上各點以各自的壓垮速度向?qū)ΨQ平面運動，始終到達對稱平面為止。而此時形成的初始射流微元上各點的射流速度各不相同，也存在速度梯度。很明顯，射流微元頭部的射流速度要比其尾部的射流速度大，所以當射流微元沿直線前進時，會隨時間而漸漸被拉長，如圖所示。在到達靶板時達到最長，也就是侵徹前的有效長度。綜上所述，結(jié)合圖，射流微元有效長度的計算公式可推導為：（）式（）中，為前個射流微元侵徹深度之和，、分別為射流微元頭部和尾部速度，可由式（）計算得出。為射流微元初始長度到罩底的距離，可由圖推導求得：（）（4）射流微元侵徹深度試驗探討表明，當射流速度較高時，即達到射流臨界破甲速度Vk的2.6倍時，可以不考慮靶板強度，侵徹深度按志向不行壓縮流體定常條件來計算。對于線性聚能裝藥，由式（）計算的射流微元平均速度Vj通常小于2.6Vk，故其侵徹深度Li由閱歷公式計算：（）式（）中，和分別為靶板和金屬藥型罩的材料密度；Vj取射流微元中點射流速度，由式（4.5.14）計算得出；K[21]。表系數(shù)K和炸高H的關系H（mm）0102030405060K0.6270.7230.8241.2041.0830.9050.821式（）中，Vk為射流臨界侵徹速度，不同靶板的抗射流侵徹實力是用來探討破甲機理的重要課題之一，而射流的破甲臨界速度是推斷靶板材料的特征量，同時又是確定射流對某種靶板材料最大可能穿深的主要參數(shù)之一。由于靶板有強度，當射流速度低到某肯定值時，將無法克服靶板抗力而停止侵徹。這肯定值就是射流臨界速度。它的值跟靶板材料和射流材料有關：（4.5.20）4.6切割器侵徹總深度由前可知，本方案在計算切割器侵徹總深度時，考慮計算量的問題，只將金屬罩沿其母線等分為10個罩微元進行探討。通過上面給出的公式，可分別算出每個微元的壓垮速度、變形角、壓垮角、射流速度、射流微元初始長度、射流微元侵徹前有效長度及射流微元侵徹深度的相對應的數(shù)值。最終我們要求射流侵徹總深度，也就是這章要求的線性聚能切割器的總侵徹深度，可由每個射流微元的侵徹深度相加得出，即（4.6.1）第5章數(shù)值計算處理及結(jié)果分析5.1數(shù)值計算軟件MATLAB簡介上述章節(jié)通過設計分析，確定了線性聚能切割器的裝藥尺寸及結(jié)構尺寸，并推導出炸藥爆轟后金屬罩運動各階段的計算公式。目前要解決的問題就是通過計算確定線性切割器的炸高，驗證前面設計的裝藥尺寸及結(jié)構尺寸是否能達到預期的目的。前面在第3章中初步確定了炸高H的值為30mm，但是否為最佳炸高，是否能侵徹出我們破門須要的深度，須要通過計算進行確定和驗證。因為計算線性切割器總侵徹深度的計算公式都比較困難，所以選取一套能簡化計算的方案尤其重要。由第4章可以了解到在計算線性聚能切割器總侵徹深度時，是以劃分微元的形式進行的，也就是說要計算總的侵徹深度，必需先對每一個微元分別進行計算。由于計算每個微元侵徹深度的計算公式都特別困難，如式（4.4.13）中，既有基本的加減乘除，還涉及到三角函數(shù)及對函數(shù)求偏導等算法。假如只用一般的計算方法，很難計算出精確的結(jié)果，而且工作量將極其浩大。考慮到這方面的因素，在計算相關的詳細數(shù)值時，將借助數(shù)值計算軟件MATLAB進行協(xié)助計算。MATLAB的名稱源自MatrixLaboratory，是20世紀末至今的大型科學工程計算軟件的優(yōu)秀代表，經(jīng)驗了10多年的補充、完善和幾個版本的升級換代，已經(jīng)發(fā)展成為一個內(nèi)容極為豐富的浩大系統(tǒng)，它是一種科學計算軟件，特地以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)。MATLAB將高性能的數(shù)值計算和可視化集成在一起，并供應了大量的內(nèi)置函數(shù)，從而被廣泛地應用于科學計算、限制系統(tǒng)、信息處理等領域的分析、仿真和設計工作。其數(shù)學函數(shù)庫包括了大量的數(shù)學計算方法，從加減乘除等基本運算，到正弦余弦等三角函數(shù)運算，更有矩陣求逆、傅立葉變換等困難算法。它供應了基本的數(shù)學算法，例如矩陣運算、數(shù)值分析算法，MATLAB集成了2D和3D圖形功能，以完成相應數(shù)值可視化的工作，并且供應了一種交互式的高級編程語言——M語言，利用M語言可以通過編寫腳本或者函數(shù)文件實現(xiàn)用戶自己的算法。確定了計算方案，在對線性切割器侵徹深度進行計算時，只需將上述章節(jié)中推導出來的計算公式在MATLAB軟件中建立M文件進行集成編譯，輸入已知量的數(shù)值，就可以在調(diào)試環(huán)境中進行調(diào)試，運行得出相應未知量的數(shù)值。這樣就免去了常規(guī)計算中困難的計算過程，干脆可以得出想要的計算結(jié)果。計算不同微元的相應值時，只需變更已知量的賦值即可。由于計算公式中有些特殊的字符如“”、“”、“”等在M文件編輯器中沒有定義，所以在編輯時做了相關的一些變形，以便能正確得到調(diào)試結(jié)果。如將“”用字母“e”代替、“”用字母“g”代替、“”用字母“c”代替、“”用字母“p”代替等等。在編寫基本數(shù)組函數(shù)符號時也變換為MATLAB支持的形式，以免運行時出錯。MATLAB的工作界面如圖5.1.1所示。圖5.1.1MATLAB工作界面5.2數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析在上一節(jié)中確定了計算線性聚能切割器侵徹深度的計算方案，接下來要進行的工作就是對得出的數(shù)值進行處理和分析，驗證方案是否可行。各微元的爆轟波入射角φi、壓垮速度Voi、變形角、壓垮角、射流速度、射流微元初始長度的數(shù)值可分別通過式（）、式（4.2.1）、式（）、式（4.4.13）、式（）、式（）及相關公式求得。將上述公式在MATLAB數(shù)值計算軟件中編成M文件運行得出的相應數(shù)值如表5.2.1所示。表5.2.1、、、、、數(shù)值表微元號0453021.97.792260.5855534.911.2549.42920.98.090263.2435184.44.47312.553.132833.68.267865.2314919.323.7556.312758.78.376666.6464717.34.1649559.0382694.68.428267.6264561.136.2561.3872639.38.456968.2914437.83.96997.563.4322591.48.456968.7434337.848.7565.2262549.48.445469.0764254.03.85851066.8012511.98.422569.3454181.2511.2568.1992478.18.393869.6094115.13.803312.569.4422446.98.359569.9074052.4613.7570.562417.78.319370.293990.33.78821571.5622389.68.267870.803926.1716.2572.4732362.28.216271.4883857.23.808517.573.2982334.78.158972.4053781.0818.7574.0552306.58.090273.6373694.63.86792074.7422276.88.0175.2813594.7921.2575.3782244.87.92477.4873477.63.981522.575.9632209.37.815180.4433339.01023.7576.5072168.97.689184.4023174.94.17452577.0062121.57.534489.6852981.5從表中數(shù)據(jù)可知，微元從罩頂?shù)秸值?，爆轟波入射角漸漸增大，壓垮速度漸漸減小，變形角先增大后減小，壓垮角始終增大，射流速度漸漸削減，射流微元初始長度先減小后增大，符合設計結(jié)構下線性聚能切割器射流形成原理，因此計算數(shù)值是符合理論分析的。將表5.2.1中的數(shù)值代入式（）、式（）中，可分別求得射流微元侵徹前有效長度、射流微元侵徹深度。為了確定最佳炸高，在此分別求出不同炸高下各微元的侵徹前有效長度和射流侵徹深度，以便最終求得線性聚能切割器總侵徹深度進行比對。微元侵徹前有效長度計算數(shù)值如表所示，表中炸高H和微元侵徹前有效長度的單位均為mm。表5.2.2各炸高下微元侵徹前有效長度數(shù)值微元H010203040506013.76904.88125.99357.10578.21799.330110.442323.46924.28125.12776.28696.98267.56498.796433.33593.92964.56485.60586.03866.33346.756043.26393.73294.24295.18295.47165.62145.904853.18493.60974.07695.01465.23315.30605.524763.04803.50164.00525.08725.27895.29795.496172.79173.35743.99125.43755.62835.58375.791182.32093.11214.00846.17796.37966.22216.459791.45782.65384.02967.58037.78347.39007.6706100.09691.78433.999910.175210.31339.39969.7103由表5.2.2分析可知，同一炸高的狀況下：對于小炸高，微元從罩頂?shù)秸值?，形成的射流在侵徹前的有效長度漸漸減小；對于中大炸高，從罩頂?shù)秸值?，侵徹深度先減小后增大。同一微元，隨著炸高的增大，形成的射流在侵徹前的有效長度漸漸增大，符合炸高越大，射流被拉的越長這一理論分析。其中有個別出現(xiàn)反差現(xiàn)象，這表明射流在侵徹前的有效長度不僅和炸高有關，還和微元所處位置及裝藥厚度有關，也就是和微元獲得的壓垮速度有關。射流微元的侵徹深度和炸高H也有關系，它們對應的數(shù)值關系分別列在表5.2.3中。同一微元，隨著炸高的增大，其射流侵徹深度先增大后減小。同一炸高：小炸高情表5.2.3各炸高下射流微元侵徹深度相應數(shù)值微元H010203040506010.81781.96963.59509.51399.06827.06566.202520.75361.72883.07778.42307.71005.73255.228530.72521.58782.74137.51426.67094.80174.017740.71001.50902.54906.94996.04674.26343.512950.69321.45972.45016.72645.78504.02553.287960.66371.41662.40786.82595.83744.02063.271970.60831.35882.40037.29866.22604.23913.448980.50611.26032.41198.29677.06064.72613.849190.31831.07572.426610.18818.62105.61774.5744100.02120.72452.412213.694711.43877.15525.7992況下，從罩頂?shù)骄烤?。微元侵徹深度漸漸減小；中大炸高狀況下，從罩頂?shù)秸值?，微元侵徹深度先減小后增大。將其變更規(guī)律用曲線可以表示為圖5.2.1所示。圖5.2.1射流微元侵徹深度和炸高關系曲線圖從圖5.2.1中可知，在本設計的確定的裝藥尺寸和結(jié)構尺寸下，炸高H為30mm左右時，線性切割器聚能效應最佳，能獲得較大的侵徹深度。依據(jù)表5.2.3，結(jié)合式（4.6.1）可以計算出設計的線性聚能切割器在不同炸高下的總侵徹深度，如表5.2.4所示。表5.2.4不同炸高下的總侵徹深度H/mm0102030405060L/mm5.817414.090826.471985.431474.464551.647443.193從表5.2.4中分析可知，本方案設計的線性聚能切割器在炸高H為30mm時能獲得最佳聚能切割效果，其切割侵徹深度L為85.4314mm，在防盜門門扇總厚度為90mm，前板為0.8mm冷軋鋼板，后板為0.6mm冷軋鋼板，中間內(nèi)襯鋼柱和鋼板，填充國標蜂窩紙等材料的狀況下，完成破門突入的任務是完全可行的。通過理論分析和計算結(jié)果，表明白本方案設計的線性聚能切割器已經(jīng)達到了設計的指標要求。結(jié)束語本文是關于防盜門破拆機構——小型線性聚能切割器結(jié)構參數(shù)的探討和設計。目前，關于聚能切割技術在國外相對比較成熟。而國內(nèi)則起步較晚，目前只有少數(shù)幾家單位擁有這項技術。針對當今社會反恐救援任務的需求，在現(xiàn)有防盜門破拆機構及手段不是很完善的基礎上，本文以國內(nèi)丁級防盜門作為目標對象對線性聚能切割器的研制進行了初步的設計，通過對聚能射流進行了理論分析和數(shù)值計算，選用設計了比較合理的結(jié)構參數(shù)，取得了階段性的成果。本文的探討工作主要分為兩部分：理論分析和數(shù)值計算。通過理論分析，確定了聚能切割器裝藥為黑梯60，裝藥方式為變壁厚裝藥