埋地管线爆炸地冲击作用下解析解计算研究.pdf

第2 8 卷第3 期 2 0 1 1 年9 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 8N o ．3 5 e p ．2 0 1 1 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 1 ．0 3 ．0 0 6 埋地管线爆炸地冲击作用下解析解计算研究 都的箭1 ，梁雪莹1 ，邓正栋2 ，马向伟1 1 ．空军3 - 程设计研究局，北京1 0 0 0 6 8 ；2 ．解放军理工大学工程兵工程学院，南京2 1 0 0 0 7 摘要常规武器钻地或地面爆炸地冲击作用下引起埋地管线上的应力如何进行计算是一个值得研究的 问题。基于埋地管线爆炸地冲击作用下数值解计算过程复杂耗时，在工程设计应用中不方便，提出了埋地管 线爆炸地冲击作用下解析解的计算方法，利用该方法进行计算的结果与实验监测数据较为吻合，表明在工程 设计应用中是可行的。 关键词埋地管线；爆炸地冲击；解析解计算方法；数值解计算方法 中图分类号0 3 8 3 ．3文献标识码A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 1 0 3 0 0 2 l 0 5 R e s e a r c ho nA n a l y t i cC a l c u l a t i o nM e t h o do fB u r i e d ’P 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 kW a v e s D U 眈讹n 1 ，L I A N GX u e - r i n 9 1 ，D E N GZ h e n g ．d o n 9 2 ，M AX i a n g ．w e i l 1 ．A i rF o r c eE n g i n e e r i n gD e s i g na n dR e s e a r c hI n s t i t u t e ，B e i j i n g1 0 0 0 6 8 ，C h i n a ； 2 ．E n g i n e e r i n gI n s t i t u t eo fE n g i n e e r i n gC o r p s ，P L AU n i vo fS c i T e c h ，N a n j i n g2 1 0 0 0 7 ，C h i n a A b s t r a c t T h ed y n a m i c a ls t r e s sp r e d i c t i o no f b u r i e dp i p e l i n e sa n di t ss a f e t ya n a l y s i si sap r o b l e mo fc u r r e n tr e s e a r c hi ng r e a td e m a n du n d e rc o n v e n t i o n a lw e a p o nu n d e r g r o u n do rg r o u n de x p l o s i o ng r o u n ds h o c kw a v e s ．F o r 玎x 塘岫聃 o ft h ec o m p l e x i t i e sa n dw a s t et i m eo v e rn u m e r i c a ls o l u t i o nf o rd y n a m i c a ls t r e s so 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 n g r o u n ds h o c kw s v e f l ，w h i c hi sv e r yd i f f i c u l tt od e a lw i t l le n g i n e e f i n gd e s i g n s ，t h ea n a l y t i cs o l u t i o nm e t h o du n d e rc o n - v e n t i o n a lw e a p o nu n d e r g T o u n do rg r o u n de x p l o s i o ng r o u n ds h o c kw s ．v e 8i sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r ．T h i sa n a l y t i cs o h - t i o nm e t h o di sc o n v e n i e n tt ou 暑ei ne n g i n e e r i n gd e s i g n sa n dt h ea n a l y t i cr e s u l t s 哦a g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，w h i c hs h o wt h a ti ti sf e a s i b l ef o rt h i sm o d e lt oa p p l yi ne n g i n e e r i n gd e s i g n s ． K e yw o r d s b u r i e dp i p e l i n e s ；e x p l o s i o ng r o u n ds h o c k ；a n a l y t i cs o l u t i o nm e t h o d ；n u m e r i c a ls o l u t i o nm e t h o d 常规武器 炮、航弹 钻地或地面爆炸产生的地 冲击应力波可以通过土层，对防护工程周围地下埋 设的各种给排水管线、消防管线、油料管线、燃气管 线及动力电缆管线等有可能造成危害，如何计算土 中爆炸地冲击引起埋地管线上的冲击力及这些管线 是否安全是一个值得研究的问题。研究土中爆炸波 传播及其与地下结构相互作用问题常用方法有解析 收稿日期2 0 1 1 0 4 2 9 作者简介都的箭 1 9 7 6 一 ，男，工程师、博士，从事建筑给排水设计 及科研工作， E m a i l d u d e j i a n s i n a ．蛐。 解和数值解2 种方法；对于许多复杂问题通常采用 有限元方法来求解，它在分析爆炸波在土体中传播 及其与结构相互作用时能够得到与实验符合很好的 结论，但计算过程复杂耗时；解析方法简单易行，但 所能解决的问题很少，且这些解析解仅是一些稳态 解，对于一些特殊荷载作用时仍无法求解[ 1 4 J 。目 前，埋地管线防爆炸地冲击作用分析中常采用数值 模拟计算方法“ ] ，在工程应用中极不方便，因此本 文提出了简单快捷的解析解计算方法，并通过模型 试验数据验证了该计算方法的可行性。 万方数据 爆破 2 0 1 1 年9 月 l 埋地管线爆炸地冲击作用解析解计 算方法 1 ．1 爆炸地冲击作用下自由场中质点峰值压力计算 爆炸地冲击作用下影响自由场中质点峰值压力 的因素包括①炮、航弹的外形尺寸及其到自由场中 该质点的距离；②自由场中的土壤或岩石力学特性； ③炮、航弹爆炸时的侵彻深度 爆炸深度 。炮、航 弹在遮弹层或在其内部、或在结构周围土中爆炸地 冲击作用下自由场中质点峰值压力计算公式∞J ，D 、一n P 0 f ‘ p c 1 6 0 。 翥 1 、Ⅳ， 式中P 0 为压力，P a ；f 为爆炸地冲击耦合系数； p c 为声阻抗k g ／m 2 s ；尺为自由场中质点与爆心的距 离，m ；形为装药重量，k g ；n 为衰减系数。 爆炸地冲击耦合系数即是指部分埋设或浅埋爆 炸 近地爆 与完全埋设爆炸 封闭爆炸 在同一介 质中所产生的地冲击大小的比值，不同的介质，其耦 合系数有所不同，它与武器爆炸的比例深度有关，如 土、混凝土和空气的爆炸耦合系数取值见图1 。爆 炸地冲击峰值压力值计算中的土壤特性参数地震波 速、声阻抗和衰减系数可按表1 选取。 氧 幡 加 窭 侣 量 冒 图1在空气、土和混凝土中爆炸地冲击耦合 系数与比例爆深的关系 F i g ．1 T h er e l a t i o ng r a p hb e t w e e nt h ee x p l o s i o nd e p t h r a t i o na n dt h ee x p l o s i o ng r o u n ds h o c kw a v o s c o u p l i n gc o e f f i c i e n ti na i r ，s o i la n dc o n c r e t e 当弹丸侵彻2 种以上的介质时 如较长的弹丸 后半部在混凝土板中，前半部贯穿进板下方的土 中 ，这时耦合系数为各层介质耦合系数按各层所 占装药量加权之和，即 厂 ∑z 罟 2 式中Z 为每种材料的耦合系数，如空气、土、混凝 土等；职为弹丸在各层介质中的装药量，k g ；形为总 装药量，k g 。 表l 计算爆炸地冲击峰值压力的土壤特性参数 T a b l e1T h es o f tc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e rf o rt h ep e a k v a l u eu n d e re x p l o s i o ng r o u n ds h o c kw a v e s 材料描述／雌 m 紫； 。嚣鬈， 衰警数 1 ．2 爆炸地冲击作用下埋地管线受力计算 如图2 所示，设当爆炸球面应力波刚传播至管 道的时刻，管道受球面应力波作用的长度为￡ 单 位m ，S 为球面应力波阵面与管线相交的弧长 单 位m ，其对应弧角为口 单位弧度 ，球面应力波 半径为尺 单位m ，爆心与管道的垂直距离为d 单位m ，则有 L 2 R s i n o ．／2 3 R d 4 式 3 中的a 弧度值建议取0 ．1 0 ．4 弧度 爆 心与管道的垂直距离为d 越小取大值，越大取小 值 ，将a 值及式 4 代入 3 式便可求得爆炸球面 应力波刚传播至管道时刻的受球面应力波作用的管 段长度￡，可用 1 式可求得此时垂直于迎爆面上的 峰值压力。如模型试验图3 中1 ’管道，爆心与管道 的垂直距离为d 1 ．3m ，取仅 0 ．4 弧度，则可用 式 3 和式 4 求得￡ 0 ．5 1 65m ，从表1 中选择符 合上述数值模拟中土壤特性的参数，便可求得1 。管 道受爆炸球面应力波作用的管长￡上垂直于迎爆面 上 正对爆心的管道迎爆面位置为0 点 峰值压力 值分布如图4 所示。 从图4 可看出，可把管道迎爆面上的压力分布 近似看成如图5 所示的线性分布，正对爆心的管道 迎爆面上的集度设为q 。，L ／2 处的集度设为q ，管道 两端处理成固定端 q ，、q 分别为管道迎爆面上的压 力值与管道直径的乘积，单位为N ／m 。 在爆炸地冲击作用下，忽略土体对管道弹性固 定作用，假定埋地管道与周围土体一起震动，则由力 学知识便可求得图4 中管道中点处的弯矩为【6 ’ 万方数据 第2 8 卷第3 期都的箭，梁雪莹，邓正栋，等埋地管线爆炸地冲击作用下解析解计算研究 肘学 ㈤ I ．墨一 图2 爆炸球面应力波作用于管道示意图 F i g ．2 T h es k e t c hm a pf o rt h ee x p l o s i o ns t r e s s w a v eo nb u r i e dP i p e l i n e s I ．．．．．．．J a 平面布置图 a T h ep l a n el a y o u t 5 ．地面 b 彳一剖面图 b 彳一s e c t i o np l a n e I ．T N Tc y l i n d e r ；2 ．1 ’p i p e ；3 ．2 。p i p e ； 4 ．C o n c r e t ef r u s t a ；5 ．G r o u n d 图3T N T 药柱与管道布置示意图 单位m F i g ．3 T h el a y o u ts k e t c ho ft h eT N T c y l i n d e ra n dp i p e s u n i t m 图4 受作用的管长L 上的压力分布图 F i g ．4 T h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i n gg r a p ho ft h e b u r i e dp i p e l i n e sw h o s el e n g t hi sL 叮I ，卅。一、、、、 L ／2一L／2． F i g ．5 T h ep r e s s u r ec a l c u l a t i o nd i s t r i b u t i n gm a po f b u r i e dp i p e l i n e sa g a i n s te x p l o s i v e 根据等直梁在纯弯曲时横截面上任一点处正应 力的计算公式可得正对爆心的管道背面处轴向正应 力为 盯 等 6 根据上式可求的管道轴向应变为 占f 爹一矿。 盯。 矿 矿。 c 7 ， 【彳 - - k - ‘≥以．tlr 式中E 、E 。为分别为管道的弹性模量和切线模量，单 位P a ；矿。为屈服应力，单位P a ；l 为管道横截面对 中性轴的惯性矩，， 竹 D 4 一∥ ／6 4 ，m 4 ；D 、d 为分 别为管道的外直径和内直径，单位m 。 2 爆炸地冲击作用模拟试验 2 ．1 试验方法 1 试验模型 试验场地选择在6 ．0m 6 ．0m 2 ．0m 的弹坑 内进行。炸药距1 ’管道和2 ’管道垂直距离均为 1 ．3m ，钻地I ．5m 爆炸 药量分别取0 ．2 ，0 ．4 ，0 ．6 ， 0 ．8 ，1 ．0 ，k g 。填埋在弹坑内管道两端需固定方法 是把管道两端分别插入2 个混凝土墩圆孔内，圆孔 与管道之间的孔隙用砂子填塞。用黄土、沙质填土、 干沙和回填土填埋管道，2 根管道上下平行，在同一 垂直平面内。炸药与管道布置示意图如图3 所示。 2 试验用管道及测点布置 2 根管道中点处与距中点1 ．0m 处布置测点， 分别在管道迎爆面上布置2 个压力传感器，背面沿 其轴向贴应变片，如图6 所示。测点编号如表2 所 示，管道有关几何参数如表3 所示。 3 测试系统 管道动应力测试系统图如图7 ，所需器材与设 备包括试验用管道、电阻应变片、压力传感器、电阻 应变仪、I 台计算机及l 台压力表检验泵。电阻应 变片型号为B F l 2 0 - S A A ；压力传感器型号为B P R 万方数据 爆破 2 0 1 1 年9 月 2 ／6 0 ；电阻应变仪型号为Y D - 2 8 型；数据采集和分 析选用数据自动采集与处理系统 即D A S P 采集分 析系统 。 1 ．P r e s s u r es e n s o r ；, 2 ．S t r a i ns l i c e ；3 ．S u r f a c ef a c i n ge x p l o s i o nc e n t e r ； 4 ．B a c ko f b u r i e dp i p ef a c i n ge x p l o s i o nc e n t e r 图6 应变片、压力传感器布置示意图 单位m F i g ．6 T h el a y o u ts k e t c ho fs t r a i ns l i c ea n d p r e s s u r e8 e r l s o r u n i t m 表2 管道各测点编号 T a b l e2T h es e r i a ln u m b e ro fm e 吼s u l ep o i n to nt h ep i p e s 簪县』『篮鲤址』遁邋篮址 8 。 中点处距中点1 ．0 m 处中点处距中点1 ．0 m 处 表3 测试用管道有关几何参数 T a b l e3T h eg e o m e t r yp a r a m e t e rf o rm e a s u r ep i p e s 1 ．应变片 2 ．压力传感器 3 ’差妻畏阻H 笃瓣柔囊应变仪I ’I 与分析系统 1 ．S t r a i ns l i c e ；2 ．P r e s s u r es e n s o r ；3 ．D y n a m i cr e s i s t a n c es t r a i ng a u g e ； 4 ．D a t aa c c e p t i n ga n d a n a l y z i n gs y s t e m 图7 测试系统图 F i g ．7 T h es k e t c ho fm e a s u r i n gs y s t e m 2 ．2 试验结果 表4 为不同药量爆炸地冲击作用下，测得管道 所受的最大轴向应变和最大压力值。1 、3 、4 、5 、6 、7 测点有数值，2 、8 测点信号干扰太大，没有测得相应 数据。 2 ．3 解析解计算结果与试验结果比较 根据试验结果及文献[ 5 ，8 ] 计算分析，爆炸地 冲击作用下埋地管道的受力过程是瞬态受力过程， 由于正对爆心的管道迎爆面上承受着较大的地冲击 压力作用，从而导致了正对爆心的埋地管段背面部 分因弯曲受拉而承受着很大的轴向拉应力作用。用 式 1 ～式 7 分别计算正对爆心的管道迎爆面上 爆炸地冲击压力值及其背面部分因弯曲受拉而承受 的轴向应变值，并与试验结果进行了比较，见表5 所 示。解析解计算中管道物理力学参数为初始弹性模 量E o 1 ．0 1 0 1 1P a ，屈服应力盯。 2 ．8 9 1 0 8P a ，切 线模量E 。 5 ．0 1 0 8P a 。 表4 不同药量作用下各测点测得的最大值 T a b l e4T h em a x i m a lm e a s u r i n gd a t au n d e r d i f f e r e n tT N Tw e i g h te x p l o s i o n 测点编号f _ i 了j 鼍妻孑音。 最大压力管道1 ’ f i t ／M P a 管道2 ． 5 3 ．6 81 1 6 ．3 9 1 6 9 ．5 82 3 6 ．1 5 2 8 6 ．1 1 3 0 ．2 67 0 ．9 81 0 1 ．2 31 2 9 ．醴1 6 5 ．6 6 7 1 ．5 61 1 9 ．储加1 ．6 92 6 8 ．9 1 53 2 1 ．2 5 注表中“一”表示未测得相应数据 表5 解析解计算结果与试验结果对比 T a b l e ．5T h ec o m p a r i s o no fe x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n da n a l y a c a lr e s u l t s 1 ．0 l6 3 ．4 90 ．8 9 1 测点 5 3 ．6 8 5 测点 1 ．2 4 8 7 ．2 40 ．9 8 3 测点 7 1 ．5 6 7 测点 2 ．2 31 2 8 ．3 61 ．9 2 1 测点 1 1 6 ．3 9 5 测点 2 ．3 61 3 5 ．6 82 ．0 4 3 测点 1 1 9 ．6 8 7 测点 3 ．3 51 8 4 ．5 63 ．O l 1 测点 1 6 9 ．5 8 5 测点 3 ．6 72 1 9 ．6 83 ．3 4 3 测点 2 0 1 ．6 9 7 测点 4 ．4 1 2 5 6 ．粥3 ．9 r 7 1 测点 2 3 6 ．1 5 5 测点 4 ．3 52 7 3 ．4 53 ．7 6 3 测点 2 6 8 ．9 5 7 测点 5 ．1 02 9 8 ．6 94 ．8 9 1 测点 2 8 6 ．1 1 5 测点 5 ．2 13 3 8 ．3 65 ．1 6 3 测点 3 2 1 ．2 5 7 测点 从表5 的数据结果比较中可看出，解析解模型 计算得出的管道迎爆面的压力值及管道迎爆面的背 面轴向应变值均大于试验值，误差在 1 8 ％以内，计 算结果与实验结果较为吻合。导致解析解计算出现 误差的原因一是因为选取的土壤特性参数，难以完 全反应出试验场地土壤的真实情况；二是埋地管道 在爆炸地冲击作用下，管道弯曲时要受管道背面的 土体抵压阻止其弯曲变形的，而解析解计算方法在 推导过程中是假定埋地管道与周围土体一起震动 的，忽略了土体对管道弹性固定作用；但从安全的角 锄蜥 炳㈣姗l 至蚴 撕㈣ 田 一 孵砣 O O O ● ● I - ● ● ● ● l 2 l 2 1 2 l 2 l 2 道道道道道道道道道道 管管管管管管管管管管 2 4 6 8 O m m m m L 万方数据 第2 8 卷第3 期都的箭，梁雪莹，邓正栋，等埋地管线爆炸地冲击作用下解析解计算研究 2 5 上接第1 6 页 [ 2 ]李国宾．复合药型罩的研究进展[ J ] ，兵器材料科学与 工程，1 9 9 5 ，1 8 1 6 3 - 6 8 ． [ 2 ] L IGB ．T h es t u d yd e v e l o p m e n to fM u h i l a y e rl i n e r [ J ] ． O r d n a n c eM a t e r i MS c i e n c eA n dE n g i n e e r i n g ，1 9 9 5 ， 1 8 1 6 3 - 6 8 ． i nC h i n e s e [ 3 ] C H O UPC ，C A R L E O N EJ ，K A R P PRR ．C r i t e r i af o rj e t f o r m a t i o nf r o mi m p i n g i n gs h e l l sa n dp l a t e s [ J ] ．J o u r n a lo f A p p l i e dP h y s i c s ，1 9 7 6 ，4 7 7 2 9 7 5 - 2 9 8 1 ． [ 4 ] C H A N T E R E TPY ，U C H T E N B E R G E RA ．B i m e t a l l i cf i n e r sa n dc o h e r e n c eo fs h a p e dc h a r g eJ e t s [ C ] ／／1 5 t hI n t e r - n a t i o n a lS y m p o s i u mo nB a l l i s t i c s ，J e r u s a l e m ，I s r a e l I n t e r - n a t i o n - a lB a l l i s t i c sC o m m i t t e e 。1 9 9 5 1 4 3 1 5 0 ． [ 5 ] C U R T I SJP ，C O R N I S HR ．F o r m a t i o nm o d e lf o rs h a p e d c h a r g e dl i n e r sc o m p r i s i n gm u l t i p l el a y e r so fd i f f e r e n tm a ． t e r i a l s [ C ] ／／1 8 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nB a l l i s t i c s ． S a nA n t o n i o T e c h n o m i eP u b l i s h i n gC o m p a n yI n e ，1 9 9 9 4 5 8 ．4 6 5 ． [ 6 ]臧涛成，贾建新，黄丽宏．用聚能装药多层药型罩提高 射流速度的研究[ J ] ．弹道学报，1 9 9 5 ，7 2 7 8 - 8 2 ． [ 6 ] Z A N GTC ，J L AJX ，H U A N GLH ．AS t u d yo fI n c r e a s i n g j e tv e l o c i t yo fs h a p e dc h a r g eb yu s i n gm u l t i l a y e rf i n e r [ J ] ．J o u r n a lo fB a l l i s t i c s ，1 9 9 5 ，7 2 7 8 - 8 2 ． i nC h i - n e s e [ 7 ] 臧涛成，胡焕性，邵琦．破甲弹复合罩性能研究[ J ] ． 火炸药报，1 9 9 8 ，2 1 4 4 4 4 7 ． [ 7 ] Z A N GTC ，H UHX ，S F I A OQ ．T h ep e r f o r m a n c es t u d yo f [ 8 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 0 ] [ 1 1 ] [ 1 1 ] 8 h 印e dc h a r g el i n e r [ 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 ，1 9 9 8 ，2 1 4 4 4 4 7 ． i nC h i n e s e 郑宇，王晓呜，李文彬，等．双层药型罩射流形成的 理论建模与分析[ J ] ．火炸药学报，2 0 0 8 ，3 1 3 1 0 1 4 ． Z H E N GY ，W A N GXM ，L IW B ，e ta 1 ．T h e o r e t i c a lM o d - c l i n ga n dA n a l y s i so nJ e tF o r m a t i o no fD o u b l e L a y e r e d C o n i c a lL i n e r [ 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 I a n t s ，2 0 0 8 ，3 1 3 1 0 1 4 ． i nC h i n e s e 郑宇，王晓鸣，李文彬．双层药型罩侵彻半无限靶板 的数值仿真研究[ J ] ．南京理工大学学报 自然科学 版 ，2 0 0 8 ，3 2 3 3 1 3 - 3 1 7 ． Z H E N GY ，W A N GXM ，L IWB ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o no n d o u b l e - - l a y e r e ds h a p e dc h a r g el i n e rp e n e t r a t i o ni n t os e m i i n f i n i t et a r g e t [ J ] ．J o u r n a lo fN a n j i n gU 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 ，2 0 0 8 ，3 2 3 3 1 3 - 3 1 7 ． i nC h i - n e 8 e 1 袁建飞，苏建军，王辉，等．复合药型罩E F P 的形成 及数值模拟[ J ] 。火炸药学报，2 0 1 0 ，3 3 1 8 3 - 8 6 ． Y U A NJF ，S UJJ ，W A N GH ，e ta 1 ．E F Pf o r m i n ga n dn H m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rd o u b l el a y e r e dc h a r g el i n e r s [ J ] ． C h i n e s eJ o u r n a lo f E x p l o s i v e s ＆P r o p e l l a n t s ，2 0 1 0 ， 3 3 1 8 3 - 8 6 ． i nC h i n e s e 李翼棋，冯素贞．爆炸力学[ M ] ．北京科学出版社， 1 9 9 2 1 1 3 ．1 1 5 ． uYQ ，F E N GSz ．E x p l o s i o nM e c h a n i c s [ M ] ．B e i j i n g S c i e n c eP r e g 。1 9 9 2 11 3 ．11 5 ． 万方数据