带壳装药爆炸毁伤混凝土的数值模拟.pdf

第2 8 卷第2 期 2 0 1 1 年6 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 8N o ．2 J u n ．2 0 1 l D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 11 ．0 2 ．0 0 3 带壳装药爆炸毁伤混凝土的数值模拟木 王新生1 , 2 ，黄风雷1 ，汪庆桃3 1 ．北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 1 ；2 ．河南理工大学土木工程学院，焦作4 5 4 1 0 0 ； 3 ．国防科学技术大学指挥军官基础教育学院，长沙4 1 0 0 7 1 摘要’为研究壳体对混凝土毁伤效果的影响规律，运用A U T O D Y N - 2 D 对裸装药和不同厚度钢壳装药爆炸 毁伤混凝土进行了数值模拟，结果表明，裸装药爆炸毁伤混凝土后的有效破坏区半径心值比薄壳体时的小，但 比较厚钢壳体时的大，这与试验结果吻合。壳体的存在对于最终毁伤效果的影响，视钢壳体的厚度而定。 关键词混凝土；爆炸毁伤；球状带壳装药；数值模拟 中图分类号0 3 8 3 ．2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 1 0 2 0 0 0 9 0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o nf o rS h e l lC h a r g e E x p l o s i o na n dD a m a g ei nC o n c r e t e s W A N GX i n s h e n 9 1 ’2 ，H U A N GF e n g ．1 e i l ，W A N GQ i 昭．t 0 0 3 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fE x p l o s i o nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，B e i j i n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ， B e i j i n g1 0 0 0 8 1 ，C h i n a ；2 ．S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n g ，H e n a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ， J i a o z u o4 5 4 1 0 0 ，C h i n a ；3 ．B a s i cE d u c a t i o nC o l l e g eo fC o m m a n d i n gO f f i c e r s ，N a t i o n a l U n i v e r s i t yo fD e f e n s eT e c h n o l o g y ，C h a n g s h a4 1 0 0 7 1 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt oe x p l o r et h el a w s0 fs h e uc h a r g ee x p l o s i o na n dd a m a g ei nc o n c r e t e s ．m en u m e r i c a ls i m u l a - t i o n sw e r ec a r r i e do u tb yu s i n gt h eA U T O D Y N - 2 Ds o f t w a 托a b o u tt h es h e l lc h a r g ea n dn os h e l ld 埘, g ee x p l o s i v e 山I I I l a g e i ne o l l l ℃t e 8 ，a n dt h er e s u l t si n d i c a t e t h ee f f e c t i v ed e s t r u c t i v er a d i u s 也u n d e rn o - s h e l lc h ”g ei ss m a l l e rt h a nt h ev a l u e u n d e rm o l et h i ns b e Ⅱc h a r g e ，b u ti ti sb i g g e rt h a nt h ev a l u eu n d e r 雠t l l i c ks h e uc h a r g e ．T h i sc o n c l u s i o nb a s i c a l l y t a l l i e sw i t ht h ee x p e r i m e n t s ．T h es t e e ls h e l l ’8i n f l u e n c eo nt h el a s t e s td a m a g ee f f e c ti sd e c i d e db yi t st h i c k n e s s ． K e yw o r d s c o n c r e t e ；e x p l o s i o na n dd a m a g e ；s p h e r i c a ls h e l lc h a r g e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 现代战争中，随着混凝土结构目标埋置深度的 增加和防御能力的增强，对钻地武器的要求也不断 提高。其中，为增强侵彻过程中弹体的变形破坏能 力，增加弹壳壁厚是进行钻地武器设计时行之有效 的手段。因此，研究壳体厚度对混凝土介质毁伤效 果的影响规律一直是该领域的热点研究问题。 收稿日期2 0 l O 1 2 2 8 作者简介王新生 1 9 7 6 一 ，男，博士生，从事爆炸毁伤技术研究， E m a i l w x s h p u ．e d u ．c n 。 通讯作者黄风雷 1 9 6 5 一 ，男，教授，博士生导师， E ．m a i l h u a n g f l b i t ．e d u ．c n 。 基金项目国家部委基金资助项目 2 0 0 6 0 0 3 1 ；北京理工大学国家 重点实验室资助课题 Z D K 0 8 0 4 然而由于混凝土材料的动态力学行为和爆炸问 题本身的复杂性，再加上壳体的作用，开展理论方面 的研究十分困难，目前实验和数值模拟2 种方法仍 是主要的研究手段。刘彦等进行了不同厚度壳体装 药在混凝土中爆炸的实验⋯，得到了爆坑体积随壳 体厚度变化的规律，在壳体厚度较小时，爆坑体积比 裸装药炸药时的爆坑体积大；当壳体厚度增大时，爆 坑体积呈下降趋势。梁斌等比较了不同壳体材料的 装药爆炸对混凝土介质毁伤效果的影响，结果表 明旧圳，同样装药情况下的裸装药爆炸产生的破坏 区域大于复合壳体及钢壳体装药，由于复合材料壳 万方数据 爆破2 0 1 1 年6 月 体装药在阻抗旺配方面要比钢壳体装药好，复合壳 体装药爆炸产生的破坏区域叉大于钢壳体装药。胡 金生等的试验和数值模拟结果表明“，弹壳的存在 一定程度上增加r 局部破坏效果。曾亮等利用I s D Y N A 有限兀软件进行数值模拟的结果表明”l ，在 弹壳较薄时，爆轰集聚效应较强，能够增强装药爆炸 破坏作用；但在弹壳达到一定厚度后．爆破弹壳所需 能昔大幅增加，抵消r 爆轰集聚效应的作用，装药爆 炸破坏作用触着弹壳厚度的增加而相应减小。苏渡 等模拟结果表明7 ，壳体在定程度提高r 爆轰 波、土中冲击波的峰值压力，并且增加了冲击波的作 用时间，最终形成的漏斗坑口部半径带壳装药比裸 装药约大。 采用A N S Y SA U T O D Y N 软件，对裸装药和不同 厚度壳体的带壳装药爆炸毁伤混凝土的过程进行数 值模拟，将所得结果与试验结果相比较．分析壳体厚 度对毁伤效果的影响。 l 建模与网格划分 计算模型及网格划分如图1 所示，根据壳体厚 度的不同分6 种工况进行计算，考虑实际问题的轴 对称性，仅建立二维的计算模型。混凝土尺寸为 12 0 0m mx 12 0 0 t o n i ；炸药尺寸为曲3 0 7 5m m ；装 药中心距离自由面的最短距离 最小抵抗线甲 为 2 6 3i i i m 。壳体厚度分别为0a m 裸装药 、2m m 、 5m m 、1 0m m 、1 5m m 和2 0m m 。 固】计算模型及阿格划分 F i g IC a l c u l a t i o nm o d e la n dm e s h 为了节省计算时J 1 1 】，计算时取1 ／2 尺寸模型。 混凝土装药最小抵抗线所在的一侧为自由面，其它 边界为透射边界。混凝土和钢壳均采用l a g r a n g e 算 法；炸药则采用E u l e r 算法，并在爆轰产物可能到达 的区域建立夺的E u l e r 网格。 2 材料模型与参数选取 A U T O D Y N 程序作为非线性动力学问题的专月l 数值计算模拟工具，它所提供的材料模型涵盖了广 泛的工程材料研究领域，完争可叭满足本模型数值 计算的需要。 炸药选用B 炸药，采用高能炸药燃烧模型和 J W I ．状态方程描述炸药材料的能量释放过程，表达 式为 P ；F 只 r ，E ． 1 只 A j 一荆e 1 ⋯叫- 一剖e 1 7 等 z 式中F 为炸药燃烧质量分数；只为炸药爆轰产物压力； P 为任意时刻炸药单元所释放的压力．V 为相对体积； 置为爆轰产物的内能一、B ⋯R 心、“为输 参数。 混凝土的响应过程选用R H T 材料模型和P - a l - p h a 状态方程。R H T 模型是对脆性材料的一个新的 模块化应力模型，由R i e d e l 、H i e r m a i e r 和T h o m a 等 人研究提出is , 9 ] 。它综合考虑了围压效应、应变率 效应、应变硬化、软化和孔隙压实效应。R H T 模型 可以分为5 个基础部分失效面、弹性极限面、应变 硬化、残余失效面和R H T 损伤模型，R H T 损伤模型 同样考虑了损伤累计 失效表面依赖于损伤 ，并描 述了应变硬化的特征。 混凝土材料的状态方程采用p - a l p h a 多孔材料 状态方程描述，完全密实 即当P 大于等于混凝土 材料的初始密实压力P ㈨ 时采用多项式 3 a 描 述，在拉伸状态下采用 3 b 描述，当压力P 介于初 始孔隙压实压力P c “和初始密实压力P ．。。之问时， 由变换 4 得到的函数描述。 P A 1 p 班2 4 班’十 B o B l p p o 。p 0 3 a 、 P t p 7 缸2 嚣n p 0 8p 0 3 b P ， p ，e _ 尸 ， P d ，e 4 a a l “。．一1 筹 2 4 b 式中p P ／p 。一l 为体积应变，p 和m 分别为变形 前后的密度； ．一A A ，、B ⋯B 、T ．、疋均为材料参数； e 为比内能。 壳体材料选用4 3 4 0 钢。在高应变速率下，钢材 料的流变应力对应变率敏感，材料变形旱现粘塑性 特征，因而在高应变率下要采用材料的热粘塑性本 构方程。目前常用的热粘塑性本构关系为J d a n 一一 C o o k 本构关系”] ，其一般形式为 O - A B s 4 [ 1 c I n e ／￡。 ] [ 1 一 T ‘ “] 5 万方数据 第2 8 卷第2 期王新生．黄风雷，汪庆桃带壳装药爆炸毁伤混凝土的数值模拟 T T r ／ L r 6 式中，A 、占、c 几m 为5 个需要实验确定的参数．其 中A 为屈服强度；B 、n 为应变硬化系数和指数；c 为 应变率硬化系数；m 为热软化指数；f 为参考温度 一般取室温值 ；己为熔点温度；s 。一般为参考应 变率。 以上各种材料参数及本构关系中的参数均采用 A U T O D Y N 标准库中提供的参数。 3 数值模拟结果的试验验证 通过对裸装药和带壳装药在混凝土介质中的爆 炸毁伤过程进行数值模拟，可得到不同时刻的损伤 分布。由损伤分布可知，装药爆轰开始3m s 后，损 伤再无明显增加，裂纹不再扩展延伸．可以把此时最 长裂纹延伸终止位置到对称轴的距离作为混凝土爆 坑的有效破坏区半径尺的值，如图2 所示。将其与 文献[ 1 ] 的试验结果进行比较，如表1 所示。 圈[ a } 谍装药Ih J 2 m m 厚帝壳曩势 图2t ⋯30时装药爆炸毁伤混凝土时损伤分布图 F i g2 扭30 衄沁h i o ne x p l 雌i o nd 删8 萨w h e nt h e d a m a g ed i s t r i b u t i o no f ∞眦m t e 衰l 袭药爆炸是伤混凝土时 数值模拟结果和实验结果 T a b l e1 c a n r g ee x p l o s i o nm ∞口w h e nt h e 口ic o n c r e t e n u m e r i c a lr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s 壳体厚度5 互塑堡堑堕堑生 竺 ，m m 数值模拟结果 试验结果 从表1 可以看出，无论是裸装药还是2m m 厚 带壳装药，R 的试验结果都比数值模拟结果小，这与 试验中孔口的堵塞质量差，造成了爆轰产物的过早 泄露有关，从而降低了试验时的毁伤效果，R 值较 小。但数值模拟结果与试验结果的误差均在允许范 围之内。因此说明用于模拟带壳装药爆炸毁伤混凝 土数值模拟的材料模型和参数的选用比较合理。 4 壳体厚度对爆炸毁伤效果的影响及 分析 为分析壳体厚度对爆炸毁伤混凝土效果的影 响，将裸装药与2m m 厚带壳装药的有效破坏区半 径是进行比较。由表1 可知．无论是R 的数值模拟 结果，还是其实验结果，2m m 厚的带壳装药都要比 裸装药大。因此说明壳体的存在具有增强毁伤效果 的作用，这与文献[ 6 ] 的结论一致。形成该结果的 原因可从分析2 种情况下的应力分布云图着手。 裸装药在起爆后大约9 s 时峰值压力达到最 大的约2 1C ．P a ．而2m i t t 厚的带壳装药在起爆后大 约1 0n s 时，峰值压力达到约2 8G P a 的最大值。 2m m 厚带壳装药较裸装药爆炸时压力升高时间增 加，达到的最大峰值压力也增大。因此壳体的存在 抑制了爆轰产物的扩散，塑性变形延长了压力作用 时间，起到了爆轰聚集和增强的作用。由于带壳装 药爆炸时峰值压力的升高和作用时间的增加．使得 反驶毁伤效果的参量有效破坏区半径皿也增大。 为进一步分析壳体厚度对毁伤效果的影响，还增 加了对5T Ⅲn 、1 0m m 、1 5m m 以及加m m 厚的带壳装 药在混凝土介质中的爆炸毁伤过程的数值模拟。取 典型位置处 距离装药中心的径向距离为⋯5 0 的压力时程曲线进行分析比较。如图3 所示。由图 可知，在该典型位置处，带壳装药蚌值压力随着壳体 厚度的增加呈逐渐减小的趋势。与裸装药比较．壳体 较薄 6 2m m 、5 一 时的峰值压力较裸装药大，而 壳体较厚 5 1 0 r a m 、1 5 r a m 和2 0m m 时的峰值压 力较裸装药时小，因此存在一临界壳体厚度，使得在 该壳体厚度F 的峰值压力与裸装药相同，毁伤效果 也趋于一致。 l0 _ 0 ．8 台 l0 ．6 i 芒o4 万方数据 爆破2 0 1 1 年6 月 了爆轰产物的膨胀，使得压力作用时间延长，这一点 可以从图3 中所有的带壳装药压力作用时间都要比 裸装药压力作用时间K 得到证明。壳体较薄时，爆 炸冲击波迅速传播至壳体与混凝土介质的交界面 处，发生透射和反射，不断地反射起到r 爆轰聚集、 增强的作用，冈此峰值压力比裸装药时的大；壳体较 厚时，由于冲击波在壳体中的传播速度较混凝土中 的快，首先到达典型位置处并形成上图中的第1 个峰 值点，而一段时间后爆轰产物膨胀形成的压力到达相 同位置处形成上图中的第2 个峰值点，壳体越厚，冲 击渡到达典型位置处越早，因此图中最厚的壳体 2 0m m 爆炸后压力首先升高，形成了第1 个峰值 点，随着壳体厚度的增加，压力升高时间逐渐推迟。 混凝土介质的破坏除了与峰值压力的大小有关 外，还受有效压力 如超过混凝土的抗压强度的压 力 作用时间的影响。因此较薄壳体的带壳装药爆 炸由于峰值压力大，有效压力作用时间长，毁伤范围 也比裸装药时的大；而较厚壳体的带壳装药爆炸虽 然整体的压力作用时间较裸装药长，但有效压力作 用时间短，峰值压力较小，因此毁伤范围也比裸装药 时的小。 从能量角度分析可知，一方面，使相同体积的钢 壳破碎、飞散消耗的能量要比同样体积的混凝土多． 因此壳体越厚消耗的炸药能量越多，留给混凝土产生 破坏的能量就越少，使得爆炸威力减弱；另一方面，由 于壳体的存在使得爆炸存在爆轰反射、聚集、增强的 作用，进而增大了爆破破坏效应。因此壳体对于最终 毁伤效果的影响，视两方面的比较结果而定。 1 5a m 厚带壳装药在扛30m s 时的损伤分布 如图4 所示，其有效破坏区半径R 为4 9 5m m ，均要 比2m m 厚带壳装药时的5 4 0m m 和裸装药时的 5 】0m m l l 、。这与i 式验结果所得结论一致。 固4 1 5m m 厚带壳装药爆炸毁伤棍凝土 在㈨30m s 时的损伤分布 F i g41 5m mt h i c k ⋯c r e t 。s h e l lc h a r g ee x p l ∞i o nd a m a g e w h e na tt 30m so ft h ed a m a g ed i s t r i b u t i o n 4 结语 1 运用A U T O D Y N - 2 D 软件．对裸装药和不同 壳体厚度带壳装药在混凝土介质中的爆炸毁伤过程 进行了数值模拟。结果表明，棵装药爆炸毁伤混凝 土后的有效破坏区半径曰值比薄壳体时的小，但比 较厚壳体时的大，与试验结果吻合。认为壳体的存 在具有增强毁伤效果的作用。 2 通过对典型位置处的裸装药和不同壳体厚 度带壳装药爆炸毁伤混凝土过程中的压力时程曲线 的分析和比较可知，典型位置处带壳装药爆炸时的 峰值压力随着壳体厚度的增加呈逐渐减小的趋势。 但较薄壳体时的峰值压力大于裸装药，而较厚壳体 时的峰值压力则小于裸装药。 3 从能量角度分析，壳体的存在起到了爆轰 反射、聚集、增强的作用，进而增大了毁伤效果．但不 断增加的壳体质量由于破碎、飞散消耗掉了较多的 炸药能量，留给混凝土产生破坏的能量逐渐越少，最 终随着壳体厚度的增加，使得混凝土的毁伤效果减 弱。因此壳体对于最终毁伤效果的影响，视增强和 减弱的比较结果而定。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 刘彦，段卓乎，王新生．等不同厚度壳体装药在混 凝土中爆炸的实验研究[ J ] 北京理工大学学报， 2 0 1 0 ，3 0 7 7 7 1 0 7 3 ．8 4 8 [ 1 ] L I UY 皿．D U A Na u p p 。％，W A N GX i n s h e n g ，e ta tK x p e r i m e a t so ne x p l o s i ∞o fe x D 】⋯w i t hd i f f e m n lt h l e k n ㈤ s h l ki n 一№[ J ] T r a n s a c t i ㈣o fB e i j i n gI n s t i t u t eo f T e c h n o l o g y ．2 0 1 0 ．3 0 7 7 7 1 ∞，8 4 8 i nC h i n № 2 】粱斌，卢永刚．陈忠富不同壳体装药在混凝土中爆 破威力初步分析[ J ] 弹箭与制导学报，2 0 0 7 ，2 7 4 1 1 I - 1 1 3 ．1 2 5 [ 2 ] L I A N GB i n ，L UY o n g - g a n g ，C H E NZ h o n g - f uP r i m a r y 蛐- a t y z eo fd 近e r e n tm a t e r i a ls h d lc y l i n d e rc h a 。铲b i t t i n g d a m a g ee f f e c ti n ⋯m t e [ J ] J o u r n a lo fP r q “t l l ∞， R 0 c k e t B ．M _ 目l 恼蚰dG u i d a n c e ，2 0 0 7 ，2 7 4 I l I - 1 1 3 ． 1 2 5 i nC h i n e s e [ 3 ] 粱斌，卢永刚．杨世全，等不同壳体装药爆炸威力 的数值模拟及试验【J ] 火炸药学报．2 0 0 8 ，3 1 1 6 - 1 1 ．1 5 [ 3 ] L I A N GB i n ．L UY o n g g a n g ，Y A N Gs h 】1 u 肌，e ta t N u ． m r i c a ls i m u l a t i o n 帅de x p e r i m e n ti n v e s t i g a t i o ndb l o t e f f e c t o f e x p l o s i v ec h a r g ew i I hd i f f e m n ts h e l l 眦t e r l s l s [ J ] C h i n ∞eJ o u m a lo fE x p l o s i v e s ＆P m p e l l a n t s ，2 0 0 8 ， 3 1 1 6 - 1 1 ．1 5 i nC h i n e s e 下转第3 4 页 万方数据 爆破 2 0 1 1 年6 月 度相对较低，能有效减轻防护构件自重等优点，可考 虑用于油气类高爆炸性物质的防护，其实际可行性 还有待通过实验进行论证。另外，泡沫铝夹芯结构 在抗爆炸方面的性能逐渐引起专家们的重视3 | ，因 此，这种防护结构的研究将会成为下一步科研工作 的重点。 参考文献 R e f e r e n c e s 蒋新生，杜杨．油料洞库油气爆炸抑制数值模拟 [ J ] ．后勤工程学院学报，2 0 0 8 ，2 4 4 1 3 - 1 8 ． 杜锋．火灾环境下液化石油气储罐综合安全防护 [ J ] ．油气储运，2 0 1 0 ，2 9 5 3 7 8 - 3 8 0 ． 杜锋．火灾环境下液化石油气储罐综合安全防护技 术研究[ J ] ．工业安全与环保，2 0 1 0 ，3 6 7 2 6 - 2 7 ． 沈伟，杜杨，周建忠，等．地下原型坑道中油气爆 炸的实验研究[ J ] ．流体力学实验与测量，2 0 0 3 ， 1 7 3 2 3 - 2 6 ． 王录才，陈玉勇．泡沫铝力学性能及变形行为研究现 状与进展[ J ] ．材料热处理工艺，2 0 0 8 ，3 7 1 8 8 6 - 8 9 ． G I B S O NLJ 。A S H B YMF ．C e f i e l a rs o l i d s S t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e s [ M ] ．2 n de d ．C a n b r i d g e C a n b r i d g eU n i v e r s i t y p r e s s ，1 9 9 7 2 0 3 - 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B - 5 0 0n u m e r i c a la n a l y s i s u s i n gan e wm a c r o s c o p i cc o n c r e t em o d e lf o rh y d r o c o d e s [ C ] ／／9 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u m ，I n t e r a c t i o no ft h e E f f e c t so fM u n i t i o n sw i t l lS t r u c t u r e s ，M a i ，1 9 9 9 ． [ 1 0 ] J O H N S O NGR ，C O O KWH ．Ac o n s t i t u t i v em o d e la n d d a t af o rm e t a l ss u b j e c t e dt ol a r g es t r a i n ，h i g hs t r a i nr a t e s a n dh i g ht e m p e r a t u r e s [ C ] ／／P r o c7 t hI n tS y m pB a l l i s t i c s ．H a g u e ，H o l l a n d ，1 9 8 3 5 4 1 ．5 4 7 ． 1 J 1 j ，J 1 J 1 J 1 J l ． 眩 口 H 陋 № 万方数据