近地面TNT爆炸的试验研究和数值模拟.pdf

第2 9 卷第1 期 2 0 1 2 年3 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 9N o ．1 M 盯．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 1 ．0 0 2 近地面T N T 爆炸的试验研究和数值模拟木 刘伟1 ，郑毅1 ，秦飞2 I ．防化研究院1 0 4 4 信箱2 0 2 号，北京1 0 2 2 0 5 ；2 ．北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京1 0 0 1 2 4 摘要为了研究近地面化学爆炸的冲击波传播特性，在试验场进行了不同当量的耵盯近地面爆炸试验， 并应用有限元方法模拟了其中2 种工况的冲击波传播过程。数值模拟结果与试验数据吻合较好，表明计算 模型和参教选取的合理性和正确性，该模型和算法可以为进一步研究近地面爆炸冲击波传播特性提供有效 手段。 关键词T N T ；爆炸冲击波；有限元；阻D Y N A 中图分类号 0 3 8 3 文献标识码A文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 2 0 1 0 0 0 5 - 0 5 E x p e r i m e n t a la n dN u m e r i c a lS i m u l a t i o no f T N T E x p l o s i o no nt h eG r o u n d H UW e i l ，Z H E N GY i l ，Q ，ⅣF e i 2 1 。R e s e a r c hI n s t i t u t eo fC h e m i c a lD e f e n s e ，P OB o x1 0 4 4 - 2 0 2 ，B e i j i n g1 0 2 2 0 5 ，C h i n a ； 2 ．C o l l e g eo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n ga n dA p p l i e dE l e c t r o n i c sT e c h n o l o g y ， B e i j i n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 1 2 4 ，C h i n a A b s t r a c t F o rs t u d yo ft h ep r o p a g a t i o no fs h o c kw a v eb yc h e m i c a le x p l o s i o no nt h eg r o u n d ，t h ed i f f e r e n ta m o u n t T N Tw a ge x p e r i m e n t e da tt e s t i n gg r o u n d ．T h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dw a ga l s ou s e dt os i m u l a t et h et w oc 嬲．T h e 静 s u i t ss h o wt h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h et e s tr e s u l t s ，a n dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e la n da l g o r i t h mp r e s - e n t e di nt h ep a p e ra r eb e n e f i c i a lt ot h ef u r t h e rs t u d y o fp r o p a g a t i o no fs h o c kw a v eb ye x p l o s i o no nt h eg r o u n d ．． K e yw o r d s 耵盯e x p l o s i o ns h o c kw a v e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；琏卜一D Y N A 研究在空气中的化学爆炸，对于评估爆炸危险、 修建防爆工事等有着重要的意义，特别是研究近地 面的化学爆炸更有着现实意义。对于空气中的化学 爆炸，研究者常用B r o d e 、J o s e fH e n r y c h 等给出的经 验公式来计算爆炸冲击波的峰值超压等参数，但是 各经验公式对于爆炸近场的计算偏差较大引，并且 都基于点爆炸的相似率，因此各经验公式多适用于 球状装药的一定距离上的自由场冲击波的计算。采 收稿日期2 0 1 1 1 2 0 5 作者简介刘伟 1 9 7 9 一 。男，助理研究员、博士研究生，主要从事 核爆炸探测和核辐射监测技术研究， E m a i l i w e m a d 1 2 6 ．c o m 。 基金项目中国上程物理研究院与国家自然科学基金N S A F 重点项 目 代号1 0 6 7 6 1 2 0 。 用显示动力分析有限元方法对空气中的近地面的柱 状耵盯炸药爆炸进行了数值模拟，与试验测试结果 进行了比较，并分析了近地面炸药起爆后的冲击波 传播过程。 1 近地面T N T 爆炸试验 1 ．1 试验方案 2 0 1 0 年7 月，我们在北京某试验场进行了野外 的1 T 盯爆炸试验，采用冲击波测量系统进行冲击波 数据的采集。试验时，将圆柱状炸药悬置在距离地 面h 高度处，传感器安装在高度为h 的固定立杆上， 传感器距离爆心为R 。对不同当量 1 0 0g 、1k g 、 5k g 和l ok g 的1 N T 共进行了l O 次试验，每次试验 万方数据 6爆破 在距爆心不同距离处安置2 ～4 个压力传感器。为 了保证数据测量的可靠性和准确性，信号传输线套 装P V C 管进行防护，其他测试设备放置在防护罩 内。试验装置布置如图l 所示。 i L J t t传辅 图】试验装置 F i g ．1E x p e r i m e n t a ls e t u p 1 ．2 测量仪器和方法 冲击波测量系统由压电式压力传感器、电荷放 大器和安装了高速数据采集卡的汁算机组成。压电 式压力传感器是一种f 1 发电式传感器，利用内部晶 体材料受力后会产生电荷的压电效应来实现力学物 理量动态测量，其具有动态响应宽、响应时间快和信 号传输距离远等优点，可适用于高气压、强干扰等环 境工作。电荷放大器与压电式压力传感器配合使 用，将采集的电衍信号转换成电压信号并滤波放大， 与记录仪器配合即可组成冲击波测量系统。在试验 中采用了2 种不同型号的压力传感器，其主要性能 指标如表1 所示。 表1压力传感器的主要性能指标 T a b l e1T h em a i np e r f o r m a n c eo fp r e s s u r es e n s o r 1 0 0 8 0 6 0 4 0 ∞ 星2 0 钆 0 ～2 0 一4 0 - 6 0 t ／m s a R 1 ．5 m 在测试前，必须确定测量系统的频宽与采样速 率。测量系统的频宽足按照峰值哀减速率绝对值 5 0 倍推算而得到；测量系统的采样速率足按正压作 用时问干采样点法确定的，即在正压作用时问内至 少采样10 0 0 次，并取整采样速率4 I 。该测镀系统 可采用自动采样与手工采样2 种方式，如果采用自 动采样就必须预先估计测试信号的超压值，选择合 适量程的压力传感器，并H ．正确判断信号的触发电 平类型和触发电平值。如果触发电平值设置不合 理，则试验过程r | 1 往往会发生误触发或者不触发，得 不到真正的冲击波信号。 1 ．3 试验结果与分析 下面对试验中2 种不同1 二况给出试验结果，一l 况l 采用的T N T 当揖约为1 0 0g ，炸药呈圆柱形 r 2c m ，h 4 ．9c , m ，炸药距离地面高度1 ．5F n ，两个 压力传感器距离爆心分别为1 ．51 1 1 和2r l l ，压力传 感器均选用Q S 7 0 5 1 型；工况2 采用的7 F N T 当髓约 为5k g ，炸药由1 2 根圆柱形炸药 r 2f r f l ，h 2 0c m 并列捆扎而成，炸药距离地面高度1 ．5m ，两 个压力传感器爆心距离R 分别为5m 和1 3 ．5m ，近 处的传感器采用量程为1 0M 的Q S 8 1 0 8 型，远处的 传感器采用量程为1M 的Q S 7 0 5 1 型。下面给出r 2 种不同工况下的试验结果。 从以上2 图可以看出 1 随着冲击波传播距 离的增大，冲击波超压逐渐减／J 、； 2 工况1r } | 采用 合适量程和灵敏度的压电传感器测得的冲．旨波波形 较为理想，信噪比大，具有明显的正压区和负压区； 3 工况2 中图3 a 由量程为1 0M 的传感器测量 所得，r f fj 二该传感器量程大、灵敏度低，冈此测量曲 线噪声大，负压区不明显。 I ／m s b l R 2 m 图2 工况1 的压力时间曲线 F i g ．2 T h ep r e s s u r e t i m ec u I N eo fo p e r a t i n gc o n d i t i o n1 加∞如∞如加m o m 加如 孟毒 一一一 万方数据 第2 9 卷第l 期刘伟，郑毅，秦飞近地面T N T 爆炸的试验研究和数值模拟 7 5 0 0 4 0 0 3 0 0 毫2 0 0 钆 1 0 0 O 一1 0 0 6 0 5 0 4 0 3 0 q 星2 0 钆 1 0 O 1 0 - 2 0 00 ．51 ．01 ．52 ．02 ．53 ．0 3 ．5 4 ．001 0 ’2 03 04 05 06 0 t ／m st ／m s a R 5 m b R 1 3 ．5m 图3 工况2 的压力时问曲线 F i g ．3 T h ep r e s s u r e t i m eC I I r V eo fo p e r a t i n gc o n d i t i o n2 0 ．0 5 ≤R ≤0 ．3 △p ，2 { 6 ．1 9 38 百～一o ．3 2 62 iz 2 ．1 3 24 五、o ．3 ≤豆≤l k 0 ．6 6 2 R ’ 4 ．0 5 R2 3 ．2 2 R 一11 ≤R ≤1 0 表2 超压 卸； 测量结果与经验公式比较 单位k P a T a b l e2M e a s u r e da n de m p i r i c a lf o r m u l ar e s u l t so f o v e r p r e s s u r e 卸。 u n i t k P a 2 有限元计算 2 ．1 计算模型和计算方法 考虑到汁算模型的对称性，计算时取1 ／4 模型 作为计算区域，计算区域为LXW XH ，炸药中心处 距离地面1 ．5m ，空气厚度为2m ，地面土体高度为 0 ．5m 。为r 保证计算的稳定性和网格划分的方便 性，数值模拟计算中炸药结构取长方形柱体来近似圆 柱状。炸药密度为1 ．6 3e ／e r a 3 ，爆速D 为69 3 0m ／s 。 T 况H 十算区域为2 ．5mx 0 ．3mX 2 ．5m ，炸药近似为 长方体柱状 4c m 4c m 4c m 、；工况2 计算区域为 15mX0 ．6mX2 ．5f n ，炸药也近似为长方体柱状 1 2C I “ 1 1X1 2c n lX2 1C H I 。汁算模型如图4 所示。 采用S O L I D l 6 4 八节点单元模型，炸药和空气 单元采用A L E 算法，土壤采用L a g r a n g e 算法，采用 V a nl e e r 守恒方程的单凋迎风格式 二阶精度 进行 计算。网格划分时，工况l 炸药及相邻部分网格间 隔取为1c m ，其他部分网格间隔取为2c m ；工况2 网格间隔分别为3c m 和6c m 。计算模型对称面采 用位移约束界面条件，其他面采用无反射吸收界面 条件。 2 ．2 材料模型和状态方程 “ J T 炸药采用高能炸药材料模型 M A T 二H I G H E X P L O S I V E _ B U R N 和J W L 状态方程o ⋯，如下所示 p5A i l 一南 e 幽。 B tl 一南 e 吨” 可t o E 2 式中P 为压力；E 为单位体积炸药的初始内能；A ，、 8 ，、尺．、R 、∞为状态方程的参数。参数又见表3 。 窄气和土壤采用采用M A T _ N U L L 材料模型，状 态方程采用线性多项式方程，如下所示 P G C 渺‘ ％2 ％3 c 4 嘞 铷2 E 万方数据 爆破 式中啦 卫一1 ，p 0 为一指定或者参考密度，P 为当 _ D o 前物质密度；E 为单位体积内能；c 。，C ∥一，C s 为多 项式系数。当C o C 1 C C 3 瓯 0 ，C 。 C 5 v 一1 时，线性多项式状态方程就町以转化为理想气 体的状态方程y 。 图4 】／4 计算模型 I 炸药；I I 空气；川十壤 F i g ．4 T h eq u a r t e rs y m m e t r i c a lm o d e l I E x p l o s i v e ；1 1 A i r ；I I I S o i l 韵钱L “鬻 表3J W L 状态方程参数 T a b e l3T h ep a r a m e t e r so fE O S ～J W L 计算中，卒气密度取为I ．2 9k s ／t n 3 ，G 一n1M P a ， C ， c 2 C ， G 0 ，G C ， 0 ．4 ；土壤密度取为 l8 0 0k s ／m ’，C C 5 C 。 0 ，C 2 C 3 0 ．0 3 ，c 4 0 ．0 1 8 。 2 ．3 计算结果和分析 1 冲击波传播过程 图5 是工况1 的爆炸冲击波4 i 同时刻的压力等 值线图，从图5 中可以看出由于炸药呈柱状，因此 产生的冲击波呈不规则矩形，柱状炸药对角线方向 冲击波强度最大；由于地面反射冲击波的加强作用， 靠近地面部分冲击波强度明显比较大；计算区域内 冲击波阵面与地面夹角较小，故冲击波阵面在地面 发生规则反射。 图6 是工况2 的爆炸冲击波不同时刻的压力等 值线图，从图中可以看出随着冲击波传播距离的增 加，冲击波超压强度逐渐减小，而冲击波阵面入射角 逐渐增大，与地面产生马赫反射；爆炸冲击波与地面 的强烈作用，产生r 地震波，由于地震波传播速度 快，迅速与冲击波阵面拉开距离。 图5 工况1 不同时刻的压力等值线图 F i g 5T h ec o t | t o u r so fp r e s s u r eo fo p e r a t i n gc o n d i t i o n 2 冲击波超压 图7 和图B 给出了2 种工况下的不同距离的压 力时间曲线，可以看出随着冲击波传播距离的增加， 冲击波超压逐渐降低。 将数值模拟计算结果和试验数据进行比较 如表 4 所示 ，可以发现2 种工况下数值模拟计算结果与 试验数据吻合较好；相比而言，由于数值模拟计算考 虑到了试验炸药的形状，其计算结果比经验公式计算 结果更为可靠；同时，由于计算模型与实际试验存在 的差异性，以及采用的物质状态方程的不准确性等因 素，数值模拟计算结果比试验结果普遍略小。 表4 却。试验结果与计算结果比较 单位k P a T a b l e4M e a s u r e da n dp r e d i c t e dv a l u eo f o v e r p r e s s u r e 却。 u n i t k P a 万方数据 第2 9 卷第1 期刘伟，郑毅，秦飞近地面肿爆炸的试验研究和数值模拟 9 雾 c t 83 9 m s d t 1 25 m 8 图6 工况2 不同时刻的压力等值线图 F i g ．6 T h ec o n t o u r so fp e e s s u r eo fo p e r a t i n gc o n d i t i o n2 t ／m s 图7 工况1 距爆心不同距离的压力时间曲线 F i g 7T h ep r e s s u r e t i m ecurveo fo p e r a t i n gc o n d i t i o n1 3 结语 1 经验计算公式对于非自由场内不规则形状 的炸药体引起的爆炸冲击波超压估值与实际情况误 差较大，特别是对复杂形状的炸药体爆炸冲击波，其 计算结果误差更大。 2 计算模型和算法能够描述近地面‘兀盯爆炸 的冲击波传播过程，计算所得冲击波超压值与试验 结果符合较好，可为冲击波传播过程的研究理论研 究和工程实践提供依据。 图8 工况2 距爆心不同距离的压力曲线 F i g ．8 T h ep r e s s u r e - t i m ec I l r v eo fo p e r a t i n gc o n d i t i o n2 参考文献{ R e f e r e n c e s [ 1 ] B R O D EHL ．B l a s t w a v e f r o mas p h e r i c a lc h n g e E J ] ．T h e P h y s i c so fF l u i d s ，1 9 5 9 ，2 2 2 1 7 - 2 2 9 ． [ 2 ] J 亨利奇爆炸动力学及其应用[ M ] 熊建国，译．北 京科学出版社，1 9 8 7 下转第2 6 页 ．量埘埘舶埘埘埘埘埘埘埘枷山弘弛曲“引墟盯儿弘∞ ∑ ～垡J●11●JJ●1J一 如帖％盯们盯∞“町∽盯帅k舢舢“鼬帆“k靠“乩m驴舯昕船m伸g；“舯的舯鲫 m ●，9 8 7 5 4 3 2 。加 毒】I E 万方数据 2 6爆破 ． 2 0 12 年3 月 爆破拆除作业的体会是 [ I ] D UDJ ，I I A N GxY R e s e a r c h 。na e l yt lc a l c u l a t i O i l 1 爆破前一定摸清拆除物地表下的管道填埋方 式，做出校核，采取有效地防护手段，保证管道安全。 2 塌落体触地冲击足一个复杂的力学变化过 程，本文只运用了H e r t z 碰撞理论对冲击情况傲了 很大简化，触地过程中还有质点碰撞理论以及能量 原理等。计算过程也比较理想化，更加精确的计算 校核方式还需进一步研究。 3 影响塌落体触地冲击的主要因索有塌落体 质量、形状、落差以及土体性质。本文只对塌落体塌 落面为矩形的情况做了简要探讨，对圆筒形或多边 形的没有介绍。 l 茎| 4 取水口和取水管道处场景 F i g ．4 T h esceneo ft h eb l a s t e dp i p e 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 】都的箭，梁雪莹．埋地管线爆炸地冲击作用下解析解 计算研究[ J ] ．爆破，2 0 1 1 ，2 8 3 2 1 - 2 5 m e t h o do fb u r i e dp i p e l i n e su n d e re x p l o s i o ng r o u n ds h o c k w a v e s [ J ] ．B l a s t i n g ．2 0 1 1 ．2 8 3 2 1 2 5 i nC h i n e s e 罗艾民．建筑物塌落体触地冲击力计算方法研究[ J ] 蝤安科技学院学报．2 0 0 2 ，2 2 3 2 6 8 2 7 1 ． L U OAM ．B u i l d i n gc o l l a p s eo fg r o u n ds hc Ⅺkf o r c ec a l c u l a t i o nm e t h o dr e s e a r c h [ J ] X i ’a nU 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 2 ．2 2 3 2 6 8 - 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