含铝炸药在混凝土中爆炸效应的数值模拟研究.pdf

第2 9 卷第3 期 2 0 1 2 年9 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 9N o ．3 S e p ．2 0 1 2 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 2 ．0 3 ．0 2 7 含铝炸药在混凝土中爆炸效应的数值模拟研究 李小雷，聂建新，覃剑锋，任明 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点试验室，北京1 0 0 0 8 1 摘要 优化炸药配方可提高炸药对混凝土介质的爆炸毁伤效应。通过数值模拟方法研究球形装药在无 限域混凝土中的爆炸效应，用J w L 状态方程和M i l l e r 反应速率方程描述R D X 基含铝炸药的产物膨胀和反应 过程，比较了舍铝炸药在混凝土介质中爆炸后形成的空腔半径和粉碎区半径。结果表明，数值模拟结果与理 论估算值吻合较好，含铝炸药比理想炸药做功能力强，毁伤效应明显；含铝量小于2 0 ％时，爆炸形成的空腔 半径和粉碎区半径的大小关系为R D X ／A L 2 0 R D X ／A L t O R D X 。 关键词爆炸力学；含铝炸药；毁伤效应；铝含量；A U T O D Y N 中图分类号T J 5 5 文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 2 0 3 0 1 0 9 0 6 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fE x p l o s i o nE f f e c t si nC o n c r e t e b yA l u m i n i z e dE x p l o s i v e s HX i a o - t e i ，N I EJ i a n x i n ，Q mJ i a n - f e n g 。R E NM 魄 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 A b s t r a c t O p t i m i z i n gt h ee x p l o s i v ef o r m u l ac a ni m p r o v ei t sd a m a g ee f f e c t sO i lc o n c r e t e ．T h en u m e r i c a ls i m u l a - t i o ni su s e dt os t u d ys p h e r i c a lc h a r g e e x p l o d i n gi ni n f i n i t ec o n c r e t e ．T h eR D Xb a s e da l u m i n i z e de x p l o s i v e sa l ed e - s c r i b e db yJ W L e q u a t i o no fs t a t ea n dM i l l e rr e a c t i o nr a t ee q u a t i o no fa l u m i n u m ．T h ec r u s h e dz o n ea n dc a v i t yr a d i ib y a l u m i n i z e de x p l o s i v e sa r ec o m p a r e d ．I ti n d i c a t e st h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h e o r e t i c a le v a l u a t i o na n dt h ea l u m i n i z e de x p l o s i v e sa r eo fg r e a t e re n e r g yp e r f o r m a n c et h a nt h ei d e a le x p l o s i v e s ，a sw e l la ss u p e r i o rd a m a g ee f f e c t s ．W h e nt h ea l u m i n u mc o n t e n ti sb e l o w2 0 ％．t h es i z eo r d e ro fc a v i t ya n dc r u s h e dz o n ec a u s eb ya l u m i n i z e de x p l o s i v e si s R D X ／A L 2 0 R D X ／A L l 0 R D X ． K e yw o r d s e x p l o s i o nm e c h a n i c s ；a l u m i n i z e de x p l o s i v e s ；d a m a g ee f f e c t s ；a l u m i n u mc o n t e n t ；A U T O D Y N 混凝土介质中的爆炸效应是毁伤与防护领域研 究的热点。研究中多采用理想炸药作为爆炸源，如 宗国庆⋯、宋浦等分别进行了混凝土介质中R D X 和 T N T 的爆炸效应试验研究心J 。对于非理想炸药如 含铝炸药在混凝土介质中的爆炸毁伤效应研究还未 见文献报道。国外用含铝炸药作为爆炸源，在岩土 介质中进行了爆破效应的试验研究，取得了良好的 收稿日期2 0 1 2 0 2 2 8 作者简介李小雷 1 9 8 7 一 ，男，硕士研究生，主要从事爆炸力学研 究， E m a i l l x l l x j b i t ．e d u ．c a 。 效果口] 。含铝炸药已成功用于水下和空中爆炸领 域，混凝土是一种构造材料，性质与脆性岩石类似， 脆性介质中的爆炸毁伤规律研究是含铝炸药扩展应 用的基础。 岩石爆破理论认为，爆炸毁伤效应是冲击波和 气体产物膨胀综合作用的结果。混凝土介质中的爆 炸毁伤理论研究还不完善，现多采用试验研究，试验 周期长，且花费巨大。随着计算机水平和数值模拟 技术的发展，用数值模拟方法来处理爆炸与冲击问 题成为可能。杨冬梅讨论了用A U T O D Y N 软件处理 万方数据 l l O爆破 2 0 1 2 年9 月 混凝土介质中的爆炸毁伤效应的可行性【4J ，认为 A U T O D Y N 可用于混凝土介质中的爆炸毁伤效应研 究。A U T O D Y N 有多种网格处理方法可供选择，并 带有材料模型库可用于各种材料的模拟。以A U ． T O D Y N 为工具，研究含铝炸药在混凝土介质中的爆 炸毁伤效应。 1 模型的建立 1 ．1 物理模型和计算模型 假设半无限域混凝土介质中埋有球形炸药，装 药半径为r ，，装药深度为d ，如图1 所示。从装药中 心起爆后在炸药中形成球面爆轰波，爆轰波在混凝 土介质空腔表面激起球面冲击波并在介质中传播。 随着传播距离的增大，冲击波逐渐衰减成应力波，波 在传播的过程中对介质做功，形成粉碎区和裂隙区 2 个破坏区域。当应力波遇到自由界面时，会反射 形成拉伸稀疏波，若拉伸波的强度小于介质的抗拉 强度，则介质表面不会产生层裂破坏。同时空腔内 爆轰产物气体的膨胀使得空腔半径逐渐增大，当埋 深为某一临界值时，产物的膨胀过程结束后在自由 表面观察不到明显的隆起和崩落破坏，此深度称为 临界埋深如。 川聪域立耳 图1 物理模型 F i g ．1 T h ep h y s i c Mm o d e l 当装药深度d ≥d o 时，可以不考虑自由界面对 爆炸效应的影响。球形装药爆炸后形成球形冲击 波，假设混凝土是各项同性介质，则爆炸毁伤区域也 成球对称分布。可将物理模型简化成一维球对称模 型如图2 所示，装药半径r 0 2c m ，混凝土求解区域 的半径为1 0 0c m 。 1 ．2 网格划分及控制条件 选用A U T O D Y N 中的多材料流动欧拉算法，网 格固定在空间，材料可以在网格间流动。网格总数 为2 0 0 0 个，其中炸药网格划分2 0 0 个。装药在中心 起爆，沿半径方向设置观测点记录不同位置处物理 参量随时间的变化。 1 ．3 材料模型 1 ．3 ．1 炸药 理想炸药爆轰反应速度非常快，在爆轰波阵面 后炸药完全转化为产物气体，高温高压的产物气体 状态用J W L 状态方程来描述。 P - A 1 。剖e 呐～曰 1 。剖e 啦～等 1 式中V 是产物相对比容，V V ／V o ，V o 是炸药的初 始比容；E 是产物单位体积的比内能；A 、曰、尺。、R 、∞ 是常数，由圆筒实验拟合得到。 对于非理想炸药如含铝炸药来说，爆轰反应机 理复杂。根据二次反应机理可知，铝粉在爆轰波阵 面上不参与反应，在爆轰波阵面后的产物膨胀区内 与中间产物反应放热。虽然铝粉的放热对爆轰波阵 面的传播没有支撑作用，但是提高了爆热，增强了产 物做功的能力。铝粉的反应速率相比爆轰反应较为 缓慢，且与多种因素有关，如铝粉粒度、环境压力等。 A U T O D Y N 中用凡亿方程描述产物的状态，用 M i l l e r 反应速率方程描述铝粉的慢反应过程”J 。 J W L M i H e r 状态方程形式如下 P A 卜南 e 罐一邶 卜南 e 吨。 半 2 y 、一7 面d h c 1 一A 。P 6 3 式中Q 为铝粉反应释放的能量；A 为铝粉的反应 度；G 、口和b 是常数，可由实验标定。铝粉慢反应过 ．程释放的能量对气体产物的压力有提升作用，所以 在J W L 状态方程的低压项上添加了与铝粉反应度 相关的能量部分。根据水下圆筒实验标定得到的含 铝炸药状态方程参数见表1 。表中R D X ／A L l 0 和 R D X ／A L 2 0 分别表示在R D X 中含1 0 ％和2 0 ％的铝 粉。反应速率常数取a 1 ／2 ，b 1 ／6 较为合理№J 。G 的取值与炸药特性、铝粉的颗粒形状和尺寸等有关。 1 ．3 ．2 混凝土 混凝土的抗压强度为3 5M P a 。在受到爆炸冲 击载荷作用时，需要考虑混凝土在高过载、大应变、 高应变率情形下的动态响应过程。混凝土是一种含 扪 M ， m 5 “ m o L 』 ． ～ ● C 门 “ m N X f 1 一 ‰ ㈣ 胁 №n U ■■■ 万方数据 第2 9 卷第3 期李小雷，聂建新，覃剑锋，等含铝炸药在混凝土中爆炸效应的数值模拟研究 1 1 l 有孔隙的材料，在外载荷作用下，孔隙会逐渐塌陷直 至完全消失，可用P a 状态方程来描述这个过程。 一心- 1 【描】卢 4 式中O r 是材料的空隙率，a v ／v ，，移是孑L 隙材料的比 容，q 是孔隙材料完全压实后的比容，随着压力的不 断增加，材料的空隙率趋近于1 ；P 是静水压力；P 。是 材料的初始屈服静水压力；只是材料完全压实时的 静水压力滔是指数，取值与材料性质有关。 材料完全压实后的状态方程可用线性或者多项 式来描述，其中多项式状态方程如下所示 P A 1 肛 A 2 肛2 A 3 肛3 占o B 1 I X P o e ，I X 0 5 P T 1 i x ％2 B o p o e ，弘 0 6 式中p p ／p 。一1 ，P 。和P 是材料的参考密度和当前 密度；e 是内能；肛 O 和肛 R D X ／A L l 0 R D X ／A L 2 0 ，但是铝粉的慢反应放热增 加了产物的做功能力，使得空腔膨胀速度的衰减变 缓。铝含量越大，速度的衰减越慢，当速度衰减为0 时，空腔膨胀过程结束，此时对应最大的空腔半径。 空腔膨胀速度的衰减为R D X R D X ／A L l 0 R D X ／ A L 2 0 。R D X ／A L 2 0 对应的空腔膨胀速度衰减最慢， 最终达到的空腔半径也最大。 图7 为不同炸药在混凝土介质中爆炸后介质的 损伤随半径的分布，粉碎区的半径同样与炸药中铝 的含量相关，铝含量越大，粉碎区半径越大。图8 为 万方数据 第2 9 卷第3 期李小雷，聂建新，覃剑锋，等含铝炸药在混凝土中爆炸效应的数值模拟研究 1 1 3 最大空腔半径和粉碎区半径与含铝量的关系，横坐 标为R D X 炸药中铝的含量，以％表示，纵坐标为爆 炸毁伤尺寸与初始装药半径的比值，其中r ，／r 0 为最 大空腔半径与初始装药半径的比值，r ／r 0 为粉碎区 半径与初始装药半径的比值。随着铝含量的增加， 爆炸空腔半径和粉碎区半径都有相应的增加，说明 在炸药中添加铝粉可以增强爆炸毁伤效应。但是由 于取样点较少，且考查的铝粉添加量范围在2 0 ％以 内，若铝粉的含量进一步的增加，爆炸毁伤效应的变 化规律需更深入的研究。 兰0 ．1 5 目 芒o ．1 0 蚕 茭m 0 5 234567 C a v i t yR a d i u sr o ／e m 图6 空腔膨胀速度与空腔半径的关系 F i g ．6 T h er e l a t i o nb e t w e e nv e l o c i t yo fc a v i t y a n dc a v i t yr a d i u s 1 ．O 0 ．8 ‰0 ．6 电 基 苦0 ．4 O ．2 02 04 06 08 01 0 0 R a d u i s ／e r a 图7 不同炸药爆炸后介质损伤沿半径的分布 F i g ．7 T h ed i s t r i b u t i o no fd a m a g ea l o n gt h er a d i u sc a u s e d b yd i f f e r e n te x p l o s i v e s 3 结论 混凝土介质中装药爆炸的毁伤效应与多种因素 有关，如混凝土的性质，装药结构以及炸药性质等， 其中有关炸药性质对爆炸毁伤效应影响的研究较 少，而含铝炸药在混凝土介质中的爆炸毁伤效应研 究还未见文献报道。含铝炸药的非理想爆轰特性对 于其在密实介质中爆炸毁伤效应的影响如何，是炸 药应用研究所关心的问题。用理想炸药爆炸毁伤混 凝土介质的理论估算公式对所建立的数值模型进行 验证，且空腔膨胀过程与试验现象吻合，说明建立的 模型可用于定性研究含铝炸药在混凝土介质中的爆 炸毁伤效应。 05 1 0 1 5 2 0 A l u m i n i u mC o n t e n t ／％ 图8 毁伤尺寸与铝含量的关系 F i g ．8 T h er e l a t i o nb e t w e e nd a m a g ed i m e n s i o na n d a l u m i n u mc o n t e n ti ne x p l o s i v e s 铝粉的添加降低了炸药的爆压和爆速，从而降低 了空腔的初始膨胀速度，但是铝粉慢反应释放的能量 增强了产物做功的能力，最终形成的爆腔和粉碎区半 径要大于相应的理想炸药。在所考察的铝含量范围 内 2 0 ％ ，随着铝含量的增加，毁伤尺寸也增加。本 文只从毁伤效应的角度来研究含铝炸药在混凝土介 质内的爆炸毁伤效应，实际上毁伤效应与爆炸能量输 出和分配有直接的关系，需进一步的研究。 参考文献 R e f e r e n c e s 宗国庆．混凝土介质爆破效应研究[ D ] ．北京北京理 工大学，1 9 9 4 ． Z O N GG u o - q i n g ．R e s e a r c ho nb l a s t i n g e ．f f e c t su n d e rc o n c r e t em e d i u m [ D ] ．B e r i n g B e i j i n gI n s t i t u t e o fT e c h n o l o g Y ，1 9 9 4 ． 宋浦．混凝土中的爆坑实验研究[ J ] ．火炸药学报， 2 0 0 5 ，2 8 2 6 0 - 6 2 ． S O N GP u ．E x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nc r a t e r i n go fc o n - c r e t e [ 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 5 ，2 8 2 6 0 - 6 2 ． i nC h i n e s e J O H N S O NSM ．E x p l o s i v ee x c a v a t i o nt e c h n o l o g y [ R ] ．U S A r m yE n gN u c l e a rC r a t e rG r o u pR e p 2 1 ，V i r g i n i a ，1 9 7 1 ． 杨冬梅，王晓鸣．混凝土中爆炸数值仿真算法研究 [ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 5 ，2 5 6 5 6 9 5 7 3 ． Y A N GD o n g - m e i ，W A N GX i a o m i n g ．S t u d yo nn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o do fe x p l o s i o ni nc o n c r e t e [ J ] ．E x p l o s i o n a n dS h o c kW a v e s ，2 0 0 5 ，2 5 6 5 6 9 5 7 3 ． i nC h i n e s e M I L L E RPJ ．Ar e a c t i v ef l o wm o d e lw i t hc o u p l e dr e a c t i o n k i n e t i c sf o rd e t o n a t i o na n dc o m b u s t i o no fn o n - i d e a le x p l o - s i v e s [ J ] ，M R SS y m pP r o c ，1 9 9 6 4 1 8 4 1 3 ． 李澎．非理想炸药水下爆炸能量输出结构研究[ D ] ． 北京北京理工大学，2 0 0 6 ． L IP e n g ．S t u d yo ft h en o n - i d e a le x p l o s i v e su n d e r w a t e re x p l o s i o ne n e r g yo u t p u ts t r u c t u r e [ D ] ．B e r i n g B e i j i n gI n s t i 一 2 O 8 6 4 2 ∞∞堪￡尊Q苦to甾≈∞葚一Q 妇 q 列 纠 列 钔 们 列 印 叫 r L r L r L r L r L r L r L r L r L r L 万方数据 1 1 4爆破2 0 1 2 年9 月 上接第9 8 页 5 结语 通过对实测水下爆炸信号的H H T 分析得出所 需传输信号的最高频率，通过实验室测试和海上实 爆试验确定了同轴电缆信号传输的长度极限，理论 分析和试验结果表明 1 水下爆炸信号具有瞬时、高频的特性，冲击 波峰值处的瞬时频率达到9 0k H z 。 2 信号调理器的驱动电流可以通过理论计算 获得，长电缆所能传输的信号频率随电缆长度增加 而减小。 3 当电缆长度达到2 4 01 1 3 时信号的幅值特性 和能量特性能够满足大当量装药水下爆炸威力的评 估要求，而当电缆长度达到3 2 0m 时由于调理器的 输出电流不足以驱动电缆自身的电容而使信号出现 较大扭曲，无法满足爆炸威力评估要求。 [ 1 ] [ 2 ] [ 2 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 刘文华，罗松林，顾文彬，等．单个球形装药浅层水中 爆炸冲击波特性的研究[ J ] ．工程爆破，1 9 9 9 9 1 ．5 ． L I UW e n h u a ，L U OS o n g - l i n ，G UW e n - b i n ，e ta 1 ．R e s e a r c h o ns p e c i f i cp r o p e r t i e so fs h o c kw a v ef r o me x p l o s i o no fs i n g l e s p h e r i c a lc h a r g ei ns h a l l o ww a t e r [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ， 1 9 9 9 9 1 - 5 ． i nC h i n e s e 金辉，张庆明，张妹红，等．水下爆炸中压力载荷测 量与分析[ J ] ．爆破，2 0 0 9 ，2 6 2 1 8 - 2 2 ． J I NH u i ，Z H A N GQ i n g - m i n g iZ H A N GS h u h o n ge ta 1 ． M e a s u r e m e n ta n da n a l y s i so fu n d e r w a t e re x p l o s i o np r e s s u 陀l o a d [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 0 9 ，2 6 2 1 8 - 2 2 ． i nC h i - n e s e [ 3 ]张义平，李夕兵，赵国彦．基于H H T 方法的硐室大爆破 震动分析[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 5 ，2 4 S 1 4 7 8 4 ．4 7 8 9 ． [ 3 ] Z H A N GY i p i n g ，L IX i - b i n g ，Z H A OG u o y a h ．A n a l y s i so f c h a m b e rb l a s t i n gv i b r a t i o nb a s e dO i lH H Tm e t h o d [ J ] ． C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ， 2 0 0 5 ，2 4 S 1 4 7 8 4 - 4 7 8 9 ． i nC h i n e s e [ 4 ] H U A N GNE ．T h ee m p i r i c a lm o d ec o m p o s i t i o na n dt h e H i l b e r ts p e c t r u mf o rn o n l i n e a ra n dn o n - s t a t i o n a r yt i m es e ． r i e sa n a l y s i s [ J ] ．P r o cRS o cL o n dA ，4 5 4 9 0 3 - 9 9 5 ． [ 5 ] H U A N GNE 。An e wv i e wo fn o n l i n e a rw a t e rw a v e st h e H i l b e r ts p e c t r u m [ J ] ．A n n uR e vF l u i dM e c h ，1 9 9 9 ，3 1 4 1 7 - 4 5 7 ． [ 6 ] 邱艳宇，卢红标，蔡立艮，等．压电传感器受爆炸瞬变 温度影响的试验研究[ J ] ．爆破，2 0 1 0 ，2 7 4 3 1 ．3 4 ． [ 6 ] Q I uY a h y u ，L UH o n g b i a n ，C A IL i g e n ．E x p e r i m e n t a lr e - s e a r c hO i le f f e c to fe x p l o s i o nt r a n s i e n tt e m p e r a t u r eo np i e z o e l e c t r i es e n s o r s [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 0 ，2 7 4 3 1 - 3 4 ， i n C h i n e s e [ 7 ] 汪大立，张涛，张立，等．球形装药水下爆炸初始冲 击波能量计算[ J ] ．淮南矿业学院报，1 9 9 5 9 4 7 ．5 1 ． [ 7 ] W A N GD a l i ，Z H A N GT a o ，Z H A N GL i ，e ta 1 ．U n d e r w a t e r b l a s t i n gc a l c u l a t i o no ft h ei n i t i a ls h o c kw a v ee n e r g y [ J ] ． J o u r n a lo fH u a i n a nM i n i n gI n s t i t u t e ，1 9 9 5 9 4 7 5 I ． i n C h i n e s e 万方数据