汽车炸弹作用下球罐动力学响应的模拟研究.pdf

第2 8 卷第1 期 2 0 1 1 年3 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 8 N o ．1 M a r ．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 1 ．0 3 2 汽车炸弹作用下球罐动力学响应的模拟研究 冯伟涛1 ’2 ，方向1 ，谢立军1 ，刘金川1 ，陈刊1 1 ．解放军理工大学工程兵工程学院，南京2 1 0 0 0 7 ；2 ．7 5 7 3 8 部队，广州5 1 0 5 4 0 摘要针对球形储罐在汽车炸弹作用下的动力学响应进行了数值模拟研究。采用A N S Y S ／L S ．D Y N A 软 件模拟计算了装药量为16 0 0k g 耵盯汽车炸弹爆炸后在1m 、5m 和1 0m 距离内50 0 0m 3 丁烯球罐罐体上 的等效应力和住移随时间的变化关系。模拟结果表明，炸药边界距离球罐距离越近，罐体发生变形的时间越 旱，观察点的应力和位移值越大，汽车炸弹对罐体的破坏作用越明显。因此，在汽车炸弹作用下，球罐极有可 能发生局部破坏，有必要在罐区周围采取一定的防护措施。 关键词数值模拟；动力学响应；汽车炸弹；球罐；冲击波、 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 1 0 l 一0 1 1 2 0 4 S i m u l a t i o nR e s e a r c ho nD y n a m i cR e s p o n s eo f S p e h e r i c a lT a n kE f f e c t e do nC a rB o m b F E N GW e i t a 0 1 ”，F A N GX i a n 9 1 ，X 1 E 厶- j u n l ，L I UJ i n ．c h u a n l ，C H E NK a n l 1 ．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 v e r s i t yo fS c i T e c h ，N a n j i n g 2 1 0 0 0 7 ，C h i n a ；2 ．U n i t7 5 7 3 8o fP L A ，G u a n g z h o u5 1 0 5 4 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nd y n a m i cr e s p o n s eo fs p h e r i c a lt a n ke f f e e t e do nt h ec a l “ b o m bw a sr e s e a r c h e d ．T h eA N S Y S ／L S D Y N As o f t w a r ew a su s e dt oc a l c u l a t et h er e l a t i o n s h i pa m o n ge q u i v a l e n ts t r e s s ，d i s p a l e e - m e n ta n dt i m eo na50 0 0mb u t y l e n es p h e r i c a lt a n kb o d yw h e na16 0 0k gT N Te a rb o m be x p l o d e d ．T h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h em e t a m o r p h o s i so ft h es p h e r i c a lt a n kh a p p e n se a r l i e ra n dt h ee f f e c t i v es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n ti s b i g g e rw h e nt h es p h e r i c a lt a n kc l o s e rt ot h ee x p l o s i o nc e n t e r ，t h e nt h ed a m a g eo nt a n kb o d yi sm o r eo b v i o u s ．S o ，o n t h ee 珏e c to ft h eC a rb o m b s ，t h ep a r t i a ld a m a g ei sv e r yl i k e l yt Oh a p p e no nt h es p h e r i c a lt a n k ，t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r y t oa d o p ts o m ep r o t e c t i o nm e a s u r e sa r o u n dt h es p h e r i c a lt a n k s ． K e yw o r d s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；d y n a m i cr e s p o n s e ；e a rb o m b s ；s p h e r i c a lt a n k ；s h o c kw a v e 球形储罐 简称“球罐” 是燃气输配系统中常 用的储气设备之一。由于球罐具有节省材料、承载 能力强、占地面积小、外型美观等优点，在我国城市 燃气建设中得到了广泛的应用⋯。作为重大危险 源，大型球罐内储存着大量的可燃可爆气体，一旦遭 受汽车炸弹袭击，必将引起大规模的连环爆炸，造成 大面积平民伤亡和重大财产损失。目前，汽车炸弹 对一般建筑物的破坏及防护措施研究的比较多【2J ， 收稿日期2 0 1 0 0 9 2 7 作者简介冯伟涛 1 9 8 3 一 ，男，硕士，主要从事智能地雷与反恐防 排爆技术研究， E - m a i l f e n g w t 0 8 2 2 1 6 3 ．嗍。 但对诸如球罐类燃气储存设施的研究较少。同时， 在目前的常规设计中，球罐作为壳体的静力学研究 已取得了相当进展，但对其动力学研究，尤其是在爆 炸载荷下的动态响应，仍然相当不足。采用流固耦 合算法模拟计算了球罐在遭受汽车炸弹袭击后罐体 的动力响应，希望能为工程设计和安全防护提供有 益的参考。 1 动力学控制方程 弹性动力学主要研究弹性物体对动力载荷的响 应。加载过程使物体产生显著的加速度，由加速度引 万方数据 第2 8 卷第1 期冯伟涛，方向，谢立军，等汽车炸弹作用下球罐动力学响应的模拟研究 1 1 3 起的惯性力的影响不可以忽略。弹性动力学一般基 于5 点假设，即连续陛假设、完全弹性假设、均匀性假 设、各向同性假设以及小变形假设。基于5 点假设可 以得到如下线弹性小变形动力学基本控制方程∞j 运动方程 o r 口，， ∥i 2p U 【1 几何方程 占g t t i j 叶，i 2 占g 2i L 叶，i ， L z ， 物理方程 o r i 。A 占船6 口 2 j p 占i 3 o r 从 3 A Z p 占船 3 K e 船 4 式中o r Ⅱ为应力；占d 为应变；以为位移变量； A 万_ ．等b 渺 ≯乇为材料的L a L a m e 常数； A2 订巧可了面渺2F 再刀例科刚 m e 吊烈； 岛是K r o n e c h e r 符号；K2 志为材料的弹性模量。 2 有限元模型及结果分析 2 ．1 模型建立及材料参数 为了研究的简便，对模型作适当简化球形储罐 是三维空间结构，考虑到球罐的各种接口对整体结 构的影响相对较小，而且影响只是局部的，因此在构 建有限元模型时将球罐外连接设备、管道略去，假设 球罐底部与地面的接触方式为固结。同时假设球罐 各组成板块厚度相同，把球罐简化为光滑球形壳体。 以上假设条件没有考虑冲击波可能会造成球罐的整 体位移。球壳外径为1 0 ．6 3 2m ，壳厚为0 ．0 3 2m ，容 积为50 0 0m 3 ，内压为0 ．8M P a ，储存物质为丁烯。 假设空气、炸药、土壤为均匀连续介质，则整个 爆炸过程为绝热过程，空气域模型是一个包括炸药、 土壤和球罐的长方体[ 4 ] 。炸药采用方形T N T 装药， 尺寸为1i n 1 i n 1I l l ，装药距离地面高度为1m 。 炸药边界距球罐距离￡分别为1m 、5m 和1 01 1 1 ，起 爆点在炸药模型中心。建模时，空气、炸药和混凝土 地面采用E u l e r 单元并且共节点，球罐结构采用L a g r a n g e 单元，然后采用C o n s t r a i n e d L a g r a n g e I n S o l i d 约束条件，使E u l e r 单元与L a g r a n g e 单元发生作用。 空气采用M a t N u l l 材料模型和线性多项式状 态方程E o s _ L i n e a r _ P o l y n o m i a l 描述口1 P C o C 1 肛 C 2 p 2 C s p , 3 C 4 C s ／L C 啦2 e 5 式中p p 和。一1 ，P 为当前密度，初始密度 P o 1 ．2 9 0k g ／m 3 ；材料的内能E 2 ．5 1 0 5P a ； C 。 C 2 C 3 C 6 0 ，C 4 C 5 ．0 ．4 ；％为初始相对 体积。 炸药采用M a t H i g h E x p l o s i v e B u m 材料模型， 采用J W L 状态方程描述 P A 。1 一南 e 吨y B 11 一南 e 吨y 等 6 式中P 为静水压力；J w L 状态方程参数为 A 1 3 7 1 ．2G P a ，B l 3 ．2 3 1G P a ，R 1 4 ．1 5 ，R 2 0 ．9 5 和∞ 0 ．3 5 。炸药密度P l6 3 0k g ／m 3 ，爆炸速度 D 69 3 0m ／s ，爆轰初始内能E o 7 ．0 1 0 9J ／m 3 。 球罐材料为1 6 M n R ，采用J o h n s o n C o o k 模型，弹 性模量2 0 1G P a ，泊松比0 ．3 ，密度约7 ．8s ／c m 3 ，屈 服强度2 6 5M P a 。 地面为混凝土地面，采用M a t J o h n s o n H o l m q u i s t _ C o n c r e t e 模型，又称为H J C 模型，该模型主要应 用于高应变率、大变形的混凝土与岩石模型。H J C 模型的强度以规范化等效应力描述【6 J 矿‘ [ A 1 一D B P ‘“] 1 CI n 占’ 7 式中A 、日、C 、Ⅳ为材料常数，其中A 是无量纲的黏 结强度，B 是无量纲的压力硬化系数，Ⅳ是压力硬化 指数，C 是应变率系数；无量纲等效应力o r ‘ o r ／Z ， o r 是真实等效应力，Z 是准静态单轴抗压强度； P ’ 峨无量纲化压力；占 e ／e 。是等效应变 率；D 是损伤度，其计算如下 D ∑一A 6 r p 舡丁p 8 一 g P ’弘P 式中A e ，为等效塑性应变量；△脚为等效体积增量。 以P ‘ 4 D 。 P r 。 啦为常压P 下材料断 裂时的塑性变形；P 与r ’为规范化压力与压力与材 料所能承受的规范化最大拉伸静水压力；D 。与D 为 损伤参数。表l 为混凝土H J c 模型的材料参数。 表1 混凝土材料模型参数 T a b l e1M a t e r i a lp a r a m e t e r sm o d e lf o rc o n c r e t e 万方数据 1 1 4爆破 2 0 1 1 年3 月 具体模型如图1 所示，为了更好的说明问题，在 球罐模型上按照与装药距离由近及远取3 个观测点 A 、B 、C 单元。 图1 模型及观测点 F i g ．1 M o d e la n do b s e r v i n gp o i n t s 2 ．2 球罐结构应力分布 图2 a 为炸药右侧边界距离球罐1I T I 时观测 点上的等效应力变化曲线。由图2 a 可以看出， 1 ．7m s 左右，A 单元等效应力迅速上升为8 1 0M P a ， 远远超出了球罐的破坏极限。在随后的时间里单元 日和C 上的等效应力也迅速上升，达到并超过了罐 体的破坏极限。由此可见，在lm 范围内，球罐将发 生大面积的破坏，这主要是由于在近距离范围内，球 罐受到冲击波和爆炸产物的共同作用，破坏强度较 冲击波单独作用时要大得多，因此，汽车炸弹若在此 范围内爆炸，球罐将发生彻底破坏，罐内气体也将随 之发生快速泄漏，受到炸药爆炸火球和冲击波的影 响，极有可能发生燃烧爆炸。 图2 b 为炸药右侧边界距球罐5m 时观测点 上的等效应力变化曲线。由图2 b 可以看出，在 4m s 时，距离爆心较近的A 单元和B 单元等效应力 迅速上升，而相对较远的C 单元在4 ．5m s 左右开始 上升。同时可以看出，距离爆心最近的A 单元相对 于B 单元和C 单元来说，等效应力在最短时间上升 至最大值，约为2 6 0M P a ，刚刚达到罐体的破坏极 限，球罐将发生局部破坏。由于冲击波的入射波和 反射波的相互作用，在球罐壳体上的等效应力呈一 定幅度的振荡。 图2 C 为炸药右侧边界距球罐1 0m 时观测点 上的等效应力变化曲线。由图2 e 可以看出，A 单 元在1 2m s 左右等效应力最先到达最大值，约为1 6 0 M P a ，尚未达到球罐材料的屈服极限。A 、B 、C 三个 单元的应力随时间一次上升，但幅度比距离为5m 时的值小，这是由于随着冲击波的传递，包括压力、 速度、温度等参数迅速下降。波阵面随着传播距离 的增加而不断扩大，受压缩的空气质量不断增加，因 而单位质量空气所包含的能量不断减小，作用在球 罐上的压力也随之减小。此时，罐体将发生一定的 变形，但是未发生局部破裂。 田 山 譬 R 钽 凝 静 母 a 一 窆 R 翅 餐 蜘 一 山 窆 R 翻 餐 匐| } ． 图2 爆心距球罐己时三单元等效应力曲线 啦．2 E f f e c t i v es t r e s sc u r v ea b o u tt h r e ee l e m e r a sa tar a n g eo fL 2 ．3 位移随时间变化曲线 图3 为观测点位移随时间的变化曲线。可以看 出，炸药边界距离球罐1m 时，罐体发生变形的时间 为1 ．8m s ，由于计算时间较短，位移尚未达到最大 值；炸药边界距离球罐51 1 1 时，罐体发生变形的时间 为3m s ，变形的最大幅值为3 ．5m s ；炸药边界距离 球罐1 0I n 时，罐体发生变形的时间明显变迟，为 5 ．5m s ，产生变形的最大幅值也要小一些，为2c m 。 同时可以看出，无论是在1m 、5m 还是1 0m 范围 内，距离炸药边界较远的点发生变形的时间要迟一 些，变形的幅度要小一些。并且，炸药边界距球罐 5n l 时，3 个观测点之间的位移幅值差异明显大于 距离为1 0I T I 时，这是由于距爆心较近时压力下降速 率很快，而距离较远时，压力下降较为缓慢。 3 结语 汽车炸弹爆炸后产生冲击波在较短的时间内与 球罐发生作用，罐体上的应力迅速上升，并达到屈服 极限，球罐局部发生屈曲，由于冲击波的入射波和反 射波相互作用，等效应力呈现一定幅度的振荡。炸药 边界距离球罐距离越近，罐体发生变形的时间越早， 万方数据 第2 8 卷第l 期 冯伟涛，方向，谢立军，等汽车炸弹作用下球罐动力学响应的模拟研究 1 1 5 观察点的应力和位移值越大，汽车炸弹对罐体的破坏 球罐来说，防护距离至少应设置在1 0i n 以上。 作用越明显。由模拟结果可以看出，对于此类壁厚的 [ 2 ] [ 3 ] 塌～么 - 0 5 } f 盲1 f t l m 5 “，三 J m t ／m ． b ￡m 2 O j I 5 蠢1 ．0 掣O ．5 图3 爆心距球罐L 时三单元位移曲线 隐．3D i s p l a c e n 橱mc l l r v ea l x u tt h r e ee l e m e n t sa tar a n g eo fL 参考文献 R e f e r e n c e s [ 4 ] 徐英，杨一凡，朱萍，等．球罐与大型储罐[ M ] ．北 京化学工业出版社，2 0 0 4 3 - 7 1 ． 孔新立，蒋美蓉，赵跃堂，等．建筑物防汽车炸弹工程 措施[ J ] ．爆破，2 0 0 6 ，2 3 4 8 6 - 8 9 ． 潘旭海，徐进，蒋军成．圆柱形薄壁储罐对爆炸冲击 波动力学响应的模拟分析[ J ] ．化工学报，2 0 0 8 ， [ 5 ] [ 6 ] 1 01 5 c L Z O m 2 9 3 7 9 7 8 0 0 ． 李海斌，阳建红，赵长生，等．意外撞击和冲击波作用 下气瓶的动态响应分析[ J ] ．武汉科技大学学报， 2 0 0 9 ，3 2 3 3 2 4 - 3 2 7 ． 时党勇，李裕春，张胜民．基于A N S Y S ／L S D Y N A8 ．1 进行显式动力分析[ M ] ．北京清华大学出版社，2 0 0 5 ． 张秀华，段忠东，张春巍．近地空中爆炸钢框架结构冲 击响应[ J ] ．地震工程与工程振动，2 0 0 9 ，2 9 4 7 1 - 7 3 ． 上接第9 9 页 3 当用风镐破除围岩时，必须先首先详细检查作 业地点的安全隋况，由有经验的工人使用长度不小于 3m 的长柄工具由外向里、由上向下“敲帮问顶”。 4 所有施工人员必须经过培训，考试合格，方 可上岗。其它未尽事宜严格按煤矿安全规程、 煤矿安全技术操作规程及其它相关规定执行。 4结语 1 在不影响巷道的正常使用的条件下，采用静 态爆破法不仅提高了掘进速度，而且整个过程不产 生粉尘、噪声、飞石等，可大大降低降尘和安全防护 费用。 2 静态爆破法是一种较合理、安全、经济的施 工方法，但其破碎时间较长，效率比较低，且当钢筋 含量高时，作用效果不明显，因此应进一步研制作用 时间短及效率高的静力破碎剂。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]王建鹏．静态破碎剂破岩机理研究[ J ] ．中国矿业， 2 0 0 8 ，1 7 1 1 9 0 - 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