水下爆炸冲击波的数值模拟与试验研究.pdf

第3 2 卷第4 期 爆破 V o l 3 2 N o - 4 2 0 1 5 年1 2 月B L A S T I N G D e c ．2 0 1 5 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 5 ．0 4 ．0 0 4 水下爆炸冲击波的数值模拟与试验研究 钟冬望1 , 3 ，黄小1 , 2 殷秀红1 ，李琳娜1 , 3 ，何理3 1 ．武汉科技大学理学院，武汉4 3 0 0 6 5 ；2 ．武汉爆破有限公司，武汉4 3 0 0 2 3 ； 3 ．中铁港航一武汉科技大学爆破技术研究中心，武汉4 3 0 0 6 5 摘要采用A N S Y S ／L S ．D Y N A 有限元分析软件，对小当量T N T 炸药在无限水域内爆炸进行数值模拟，并 将数值计算结果与实验室内实测数据以及传统的经验公式计算结果进行对比。分析发现用传统的经验公 式计算小当量T N T 炸药在水下爆炸时的爆炸冲击波压力峰值，与实测值相比存在较大误差；运用有限元显 式动力分析方法计算得到的水下爆炸冲击波压力峰值与实测值相吻合，并且水下爆炸冲击波波形相近。对 数值计算值进行拟合得到水下爆炸冲击波压力峰值的计算公式，可以对同等条件下的水下爆炸试验进行估 算。 关键词爆炸动力学；水下爆炸；数值模拟 中图分类号0 3 8 9文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 5J 0 4 0 0 1 7 0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o na n dE x p e r i m e n t a lS t u d yo f U n d e r w a t e rE x p l o s i o nS h o c kW a v e Z H O N GD o n g w a n 9 1 ”，H U A N GX i a o ．训u 1 ”，Y I NX i u ．h o n 9 1 ，L IL i n m ‘”，册L i 3 1 ．C o l l e g eo fS c i e n c e ，W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 6 5 ，C h i n a ； 2 ．W u h a nB l a s t i n gE n g i n e e r i n gC oL t d ，W u h a n4 3 0 0 2 3 ，C h i n a ； 3 ．B l a s t i n gT e c h n o l o g yR e s e a r c hC e n t e r ，C R P C E W U S T ，W u h a n4 3 0 0 6 5 ，C h i n a A b s t r a c t P e r f o r m e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sf o rs m a l le q u i v a l e n tT N Te x p l o s i v eb l a s t e di ni n f i n i t ew a t e r sb yf i n i t e e l e m e n ts o f t w a r eA N S Y S ／L S D Y N A ，a n dt h e nc o m p a r e dt h en u m e r i c a lc a l c d a t i o nr e s d t sw i t ht h ed a t am e a s u r e di n l a b o r a t o r y 鹳w e l la st h er e s u l t sc a l c u l a t e db yt r a d i t i o n a le m p i r i c a lf o r m u l a ．A c c o r d i n gt oa n a l y s i s ．w ef o u n dt h ee l T o r i sl a r g ew h e nc a l c u l a t i n gt h ep e a kp r e s s u r e so fu n d e r w a t e re x p l o s i v es h o c kw a v ec a u s e db ys m a l le q u i v a l e n tT N Te x - p l o s i v eb yt r a d i t i o n a le m p i r i c a lf o r m u l ac o m p a r e dw i t h m e a S u r e dd a t a ．T h ep e a kp r e s s u r e so fu n d e r w a t e re x p l o s i v e s h o c kw a v ec a l c u l a t e db yt h ee x p l i c i td y n a m i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o dc o i n c i d ew i t hm e a S u r e dd a t a ，a n dt h e u n d e r w a t e re x p l o s i v es h o c kw a v e sa r ea p p r o x i m a t e d ．F i t t i n gc a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h ep e a ko fu n d e r w a t e re x p l o s i v e s h o c kw a v ep r e s s u r ea n di tc a nb eu s e dt oe s t i m a t et h eu n d e r w a t e re x p l o s i o ne x p e r i m e n to nt h es R i n ec o n d i t i o n ． K e yw o r d s e x p l o s i o nd y n a m i cm e c h a n i c s ；u n d e r w a t e re x p l o s i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 随着人类对江、河、湖、海的不断开发和利用，水 下爆破的应用越来越广。研究水下爆炸冲击波的传 播规律，合理利用水下爆炸能量，已经成为爆破工程 收稿日期2 0 1 5 0 7 3 0 作者简介钟冬望 1 9 6 3 一 ，男，博士、教授，从事矿山工程力学、爆 炸理论及其应用等方面的教学与研究工作， E - m a i l z h o n g d w l 2 3 2 6 3 ．n e t 。 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 1 7 4 1 4 7 ，5 1 5 7 4 1 8 4 ；湖北 省科技支撑计划项目 2 0 1 4 B E C 0 5 8 普遍关注的课题。由于水下爆炸的作用机理非常复 杂，只有少数问题存在解析解。因此，该领域一直以 试验研究和数值计算为主。以B r i d g m a n 和C o l e 为 代表的水下爆炸研究实验室联合W o o d s H o l e 实验 室进行了大量的水下爆炸试验，测试分析了T N T 、特 屈儿、偏托里特等理想炸药球形药包产生的爆炸冲 击波，并提出了很多对实际工程具有指导意义的经 验公式’2J 。国内学者基于长江、珠江、黄埔港等水 万方数据 爆破2 0 1 5 年1 2 月 下爆破工程，采用水下爆炸压力传感器，对水下爆破 冲击波压力进行监测，进而对水下爆炸领域开展了 许多相关的研究【3 引。随着现代计算机技术和计算 理论的快速发展，人们可以通过数值模拟方法对水 下爆炸的各种现象进行分析研究’6 培J ，并利用计算 分析软件强大的后处理功能，真实地再现水下爆炸 冲击波产生和传播的过程。 采用A N S Y S ／L S ．D Y N A 有限元显示动力分析软 件，对水下爆炸冲击波的传播进行了数值计算，并结 合实验室内实际测量的距离爆心不同位置处的水下 爆炸冲击波压力数据，对传统的经验公式进行修正。 1 水下爆炸冲击波的数值模拟与试验 研究 1 ．1 水下爆炸冲击波的数值模拟 在A N S Y S ／L S ．D Y N A 软件中，选择S O L I D l 6 4 实 体单元和多物质A L E A r b i t r a r yL a g r a n g e E u l e r 算 法对球形装药在无限水域内爆炸进行数值模 拟[ 9 ’1 0 ] 。在数值计算时，对于球形装药结构，为了划 分网格方便及保证网格的均密性，将球形装药简化 为立方体装药结构。同时，为保证计算精度，与炸药 接触的内部水介质的网格划分较密，而外围水介质 的网格划分相对稀疏。为了在有限空间内模拟炸药 在无限水域内爆炸，在与炸药单元共面的三个自由 面上施加对称边界条件，在另外三个自由面上施加 非反射边界条件，通过添加关键字．cB O U N D A R Y N O N R E F L E C T I N G 进行控制。由于研究的问题存 在对称性，为减少计算时间，建立1 ／8 模型，有限元 计算模型如图l 所示。 炸药 图1 有限元计算模型 单位c m F i g ．1 F E Mm o d e l u n i t c m 炸药采用半M A T H I G H E X P L O S I V E B U R N 材 料模型，爆轰产物通过J W L 状态方程进行描述 P A t 一南 e 呐‘ B 一南 e 啦。 字 1 式中A 3 7 4G P a 、B 7 ．3 3G P a ；无量纲常数R l 4 ．1 5 、R ， 0 ．9 5 ；格林爱森参数∞ 0 ．3 ；初始能量 E 。 7 ．0 1 0 9J ／m 3 ；初始相对体积V 0 ．5 。 水介质采用术M A T N U L L 材料模型，通过 G r u n e i s e n 状态方程进行描述 P o c 么[ ， ，一等卜争2 】 P 二r r 1 [ 1 _ ．s - _ 1 肛“南。，吾备】 ％ 掣 E 2 式中u ，一‰曲线的截距C 0 ．1 4 8 ；u ，一‰曲线斜 率的系数S I 2 ．5 6 、S 2 一1 ．9 8 6 、S 3 0 ．2 2 6 8 ； G r u n e i s e n 参数％ 0 ．5 ；一阶体积修正量a 3 ．0 ； 肛 旦一1 ；水介质密度P o 1 0 0 0k g ／m 3 。 p 0 1 ．2 水下爆炸冲击波的试验研究 为研究水下爆炸冲击波的传播规律，由武汉科 技大学理学院和西北核技术研究所合作研制出模拟 深水环境爆炸试验用容器。其设计内径为D 2 0 0 0m m ，壁厚6 3 5m m ，圆柱形筒体长1 9 5 0m m ， 椭球封头直边长2 5m m ，整个容器壳体内部长 3 0 0 0m m ，总重量8 5 0 0k g ，允许最大r r N T 当量为 1 0g 。实验室采用由美国P C B 公司生产的W 1 3 8 A 电气石水下激波传感器，布置传感器时，离爆炸点最 近的传感器与爆炸点的距离设为2 5c m ，其余传感 器与爆炸点的距离依次设为5 0c m 、7 5c m 、1 0 0c m ， 且保证传感器与爆炸点在同一水平位置。连接各传 感器的导线采用直穿式从电缆转接盘穿出，外接数 据采集器。数据采集器的另一端连接计算机，将采 集得到的数据进行换算和存储，如图2 所示。 1 ．爆炸点；2 ．传感器导线；3 ．水下爆炸压力传感器；4 ．电缆转接盘 1 ．E x p l o s i o nc e n t e r ；2 ．S e n s o rw i r e s ； 3 ．U n d e r w a t e re x p l o s i o np r e s s u r es e n s o r ；4 ．C o n n e c t i n gp l a t e 图2 爆炸容器内水下爆炸冲击波压力测试装置 单位e m F i g ．2T e s t i n gd e v i c eo fu n d e r w a t e re x p l o s i v es h o c k w a v ep r e s s u r ei ne x p l o s i o nc o n t a i n e r u n i t c m 由于试验条件的限制，在爆炸容器充满水介质 后，只对1 ．0g 和3 ．0gT N T 当量炸药在容器中心爆 炸这两种情况进行了监测，对采集所得的数据进行 换算和处理，从而得到传感器所在位置处的水下爆 炸冲击波压力峰值的实测值。 万方数据 第3 2 卷第4 期钟冬望，黄小武，殷秀红，等水下爆炸冲击波的数值模拟与试验研究 1 9 2 计算结果分析 根据文献[ 2 ] ，球形装药时，计算水下爆炸冲击 波压力峰值的传统的经验公式为 P 攀 半一警 k g ／c m 2 ， 尺尺尺3 。’ o - 0 5 ≤R ≤l O m ／海 3 攀 罕一訾 k g ／c m 2 ， R尺尺’ ’7 1 0 ≤R 一≤5 0 m ／夕i n m e ／m s a 有限元数值模拟典型波形图 aJA t y p i c a lw a v ec a l c u l a t e db yF E M 式中，R 尺／y 形，月为测点离炸药中心的距离， 彤表示T N T 当量。运用式 3 计算出爆炸容器内不 同位置处的水下爆炸冲击波压力峰值，即可得到 表1 中的经验计算值。 通过数值计算和试验监测，得到水下爆炸冲击 波压力典型的波形图，如图3 所示。同时，通过数值 模拟方法计算出不同T N T 当量炸药在容器中心爆 炸时，距离爆炸点不同位置处的爆炸冲击波压力峰 值，即数值计算值。将实测值、经验计算值与数值计 算值进行对比，如表1 所示。 2 9 9 22 9 9 2 ．52 9 9 32 9 9 3 ．52 9 9 42 9 9 4 ．52 9 9 5 n m e ，m s b 试验测试典型波形图 b At y p i c a lw a v em e a s u r e di nl a b o r a t o r y 图3 水下爆炸冲击波压力波形图 F i g ．3 U n d e r w a t e re x p l o s i o ns h o c kw a v e s 表1实测值、经验计算值与数值计算值之间 的对比 单位M P aJ T a b l elR e s u l t sc a l c u l a t e db yF E Ma n dt r a d i t i o n a l e m p i r i c a lf o r m u l aa n dt h em e a s u r e dd a t a u n i t M P a 注表中“一”处表示因传感器损坏导致该处测点没有 得到相应数据。 通过图3 可以看出，通过A N S Y S ／L S D Y N A 有 限元软件模拟计算得到的水下爆炸冲击波压力随时 间衰减的波形与实测结果相吻合。至于试验测试典 型波形图中出现较大的二次压力波以及后续的连续 波形震荡，究其原因是由于水下爆炸冲击波在爆炸 容器的中环面和椭圆封头处发生反射所致。 对比表1 中数据，可以发现，在小药量范围内， 随着药量的增加，由传统的经验公式计算得到的经 验计算值与实测值相比，误差越来越大，尤其是距离 爆炸点较近的位置。但是，通过有限元显式动力分 析方法计算得到的数值计算值与实测值相吻合，相 比经验计算值误差较小。可见，运用有限元显式动 力分析方法，选取合理的计算参数，能够使计算结果 达到一定精度，对水下爆炸这类复杂问题起到很好 的预见作用。 对表1 中数据进行整理，得到比例距离R 与水 下爆炸冲击波压力峰值P 。的对应关系，如表2 所示。 对数值计算得到不同比例距离处的爆炸冲击波 压力峰值数据进行拟合，得到经验公式 P 。 1 2 9 ．4 1 R 一5 8 3 4 通过图4 可以看出，式 4 能够较好的表达出 数值计算值和实测值。此幂函数公式是基于有限元 显式动力分析方法和实验室条件下水下爆炸冲击波 试验得到，能够用于预算小当量T N T 炸药在水下爆 炸，短距离范围内的水下爆炸冲击波压力峰值，具有 一定的指导意义。其是否具有更广泛的适用性，还 万方数据 2 0爆破 2 0 1 5 年1 2 月 有待进一步的现场试验进行验证。 置 善 0 测 鹫 R 出 伯 量 蹬 蝼 k * 表2比例距离足与水下爆炸冲击波压力峰值 的对应关系 T a b l e2R e d u c e dd i s t a n c e sRa n dt h ep e a kp r e s s u r e s o fu n d e r w a t e re x p l o s i o ns h o c kw a v e s 比例距离雨 m - k g “” 图4 水下爆炸冲击波压力峰值随比例距离衰减趋势图 F i g ．4 T h ep e a kp r e s s u r e so fu n d e r w a t e re x p l o s i o ns h o c k w a v e sa t t e n u a t e db yr e d u c e dd i s t a n c e 3 结论 1 运用A N S Y S ／L S ．D Y N A 有限元分析软件对 炸药在无限水域内爆炸进行了数值模拟分析，数值 计算的结果与实验室内的实测数据比较吻合。运用 此分析软件对水下爆炸这类复杂问题进行数值计 算，可以对不同比例距离处的水下爆炸冲击波压力 峰值进行预测。 2 采用传统的经验公式计算得到的小药量、 短距离范围内的水下爆炸冲击波压力峰值，与实测 数据相比，误差较大。运用有限元显式动力分析方 法对不同药量、不同距离处的水下爆炸冲击波压力 峰值进行计算，并拟合得到新的经验公式，对同等条 件下的水下爆炸问题具有一定的指导意义。 [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 7 ] [ 8 ] 参考文献 R e f e r e n c 鹳 E 8 ] RHC o l e ．U n d e r w a t e re x p l o s i o n s [ M ] ．P r i n c e t o nU n i v e r - s i t yP r e s s ，P r i n c e t o n 。N J 。1 9 4 8 ． 亨利奇J ．爆炸动力学及其应用[ M ] ．熊建国，等，译． j E 京科学出版社，1 9 8 7 ． 周睿，冯顺山，吴成．条形药包冲击波峰值超压工 程计算模型[ J ] ．工程爆破，2 0 0 1 ，7 4 1 9 - 2 3 ． Z H O UR u i ，F E N GS h u n ．s h a n ，W UC h e n g ．C a l c u l a t i o n [ 9 ] [ 1 0 ] m o d e lf o rp e a kp r e s s u r e so fs h o c kw a v ef r o ml i n e a rc h a r - g e s [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 0 1 ，7 4 1 9 - 2 3 ． i n C h i n e s e 顾文彬，叶序双，张鹏祥，等．浅层水中爆炸水底影响 的试验研究[ J ] ．解放军理工大学学报，2 0 0 1 ，2 2 5 5 ．5 8 ． G UW e n b i n ，Y EX u s h u a n g ，Z H A N GP e n g - x i a n g ，e ta 1 ． E x p e r i m e n t a ls t u d i e so fb o t t o mi n f l u e n c ei ns h a l l o w - l a y e r w a t e re x p l o s i o n [ J ] ．J o u r n a lo fP L AU n i v e r s i t yo fS c i e n c e A n dT e c h n o l o g y ，2 0 0 1 ，2 2 5 5 - 5 8 ． i nC h i n e s e 苏华，陈网桦，吴涛，等．炸药水下爆炸冲击波参 数的修正[ J ] ．火炸药学报，2 0 0 4 ，2 7 3 4 6 - 4 8 ． S UH u a ，C H E NW a n g h u a ，W UT a o ，e ta 1 ．A m e n d m e n to f s h o c kw a v ep a r a m e t e r so fu n d e r w a t e re x p l o s i o n [ J ] ．C h i - n e s eJ o u r n a lo fE x p l o s i v e s P r o p e l l a n t s ，2 0 0 4 ，2 7 3 4 6 - 4 8 ． i nC h i n e s e 李家贵，边小华，张雷．爆炸冲击波传播的数值模拟 与试验数据对比[ J ] ．山西建筑，2 0 0 6 ，3 2 8 1 0 6 - 1 0 7 ． L IJ i a - g u i ，B I A NX i a o - h u a ，Z H A N GL e i ．N u m e r i c a ls i m u - l a t i o n o fb l a s tw a v ep r o p a g a t i o ni nt u n n e lc o m p a r e dw i t h e x p e r i m e n td a t a [ J ] ．S h a nX iA r c h i t e c t u r e ，2 0 0 6 ，3 2 8 1 0 6 - 1 0 7 ． i nC h i n e s e 盛振新，刘荣忠，郭锐．水下爆炸冲击波相互作用的 仿真分析[ J ] ．火工品，2 0 1 2 ，2 5 3 2 4 - 2 9 ． S H E N GZ h e n - x i n ，L I UR o n g - z h o n g ，G U OR u i ．S t u d yo nt h e s h o c kw a v e si n t e r a c t i o no fu n d e r w a t e re x p l o s i o n s [ J ] ．I r I i ． t i a t o r s ＆P y r o t e c h n i c s ，2 0 1 2 ，2 5 3 2 4 - 2 9 ． i nC h i n e s e 张振华，朱锡，白雪飞．水下爆炸冲击波的数值模拟 研究[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 4 ，2 4 2 1 8 2 - 1 8 8 ． Z H A N GZ h e n h u a ，Z H UX i ，B A IX u e - f e i ．T h es t u d yo n n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fu n d e r w a t e rb l a s tw a v e [ J ] ．E x ． p l o s i o na n dS h o c kW a v e s ，2 0 0 4 ，2 4 2 1 8 2 1 8 8 ． i n C h i n e s e L S D Y N AK e y w o r dU s e r ’SM a n u a l [ M ] ．C a l i f o r n i a L S T C ，2 0 0 7 ． 李裕春，时党勇，赵远．A N S Y S l l ．0 ／L S D Y N A 基础 理论与工程实践[ M ] ．北京中国水利水电出版社， 2 0 0 8 ． 万方数据