异型防爆墙抗空气冲击波的数值模拟.pdf

第2 7 卷第1 期 2 0 1 0 年3 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 7 N o ．1 M s i r ．2 0 1 0 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 0 ．0 1 ．0 0 6 异型防爆墙抗空气冲击波的数值模拟木 马云玲1 ，赵丽君1 ，聂建新2 1 ．洛阳理工学院土木7 - 程系，洛阳4 7 1 0 2 3 ；2 ．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 摘要通过对比广泛认可的空气冲击波计算经验公式，验证了运用动力有限元软件A U T O D Y N2 D 进行 数值模拟计算冲击波问题的可行性与准确性；运用A U T O D Y N2 D 计算了4 种不同形式防爆墙在相同爆源距 时各防爆墙的抗冲击波能力，其次计算了随爆源距的减小各种防爆墙的冲击波超压峰值减弱率均值，并对比 分析了其变化趋势，得出4 种防爆墙中 b 、 C 、 d 型防爆墙的冲击波超压峰值减弱率均值是随爆源距的 减小而递增的。防爆效果较好。 ， 关键词防爆墙；冲击波；数值模拟 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 0 0 1 0 0 2 6 一0 5 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no nD i f f e r e n tB l a s t W a l l sR e s i s t i n gA i rS h o c kW a v e M AY u n ．1 i n 9 1 ，Z H A OL i - j u n l ，N I EJ i a n - x i n 2 1 ．C i v i lE n g i n e e r i n gD e p a r t m e n t ，L u o y a n gI n s t i t u t eo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，L u o y a n g4 7 1 0 0 3 ，C h i n a ； 2 ．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 g I 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 81 ，C h i n a A b s t r a c t B yc o m p a r i n gt h ew i d e l yr e c o g n i z e de m p i r i c a lf o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h ea i rs h o c kw a v e ，i tv e r i f i e d t h ef e a s i b i l i t ya n da c c u r a c yb yu s i n gd y n a m i cf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eA U T O D Y N2 Dt os i m u l a t et h es h o c kw a v e ．T h e a n t i s h o c kw a v ec a p a b i l i t yo ft h ef o u rd i f f e r e n tb l a s tw a l l sw i t ht h es a m ed i s t a n c et Ot h eb l a s t i n gs o u r c ew e r ec a l c u l a t e df i r s t l y ．T h e nt h ea v e r a g ea a e n u a f i n gr a t eo fp e a ko v e r p r e s s u r eo fs h o c kw a v eo ne v e r yb l a s tw a l lW a sc a l c u l a t e df o l - l o w i n gt h ed e c r e a s eo fd i s t a n c et ob l a s ts o u r c 圯a n dt h e i rc h a n g et r e n d sW a sa l s oa n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e a v e r a g ea t t e n u a t i n gr a t eo fp e a I 【o v e r p r e s s u r eo fs h o c kw a v eo ft h et y p eo f b ， C a n d d b l a s tw a l l si n c r e a s e s w i t ht h ed e c r e a s eo fd i s t a n c et ob l a s ts o u r c e ，a n dt h e i ra n t i - e x p l o s i o ne f f e c ta r eb e t t e r ． K e yw o r d s b l a s tw a l l ；s h o c kw a v e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ‘ 0 引言 爆炸恐怖袭击事件在整个世界范围内1 3 益增 多，例如2 0 0 7 年1 2 月1 1 日阿尔及利亚首都阿尔及 尔发生2 起汽车炸弹爆炸事件，致使包括1 名联合 国雇员在内的6 7 人丧生，2 0 0 8 年9 月2 7 日，叙利亚 首都大马士革发生的汽车炸弹袭击事件造成1 7 人 收稿日期2 0 0 9 0 9 2 3 作者简介马云玲 1 9 7 7 一 ，女，讲师，硕士．E - m a i l m y l l y 1 6 3 ．C O t H l 。 基金项目河南省教育厅自然科学研究计划项目 2 0 0 9 8 5 6 0 0 0 9 死亡等，爆炸恐怖袭击除了能造成近距离的爆炸飞 散物伤害外，其爆炸冲击波超压对周边的建构筑物 与人员造成的影响往往范围更大，因此对于空气冲 击波的防范，对于重要建构筑物的防护显得异常重 要，而其中一种简单易行的防护措施即为在拟防护 对象附近设置防爆墙减小爆炸引起的空气冲击波危 害作用。国内外有很多学者对于防爆墙抵抗冲击波 及相关问题进行了研究，如TCC h a p m a n 进行爆炸 试验研究了装药尺寸等爆炸参数对于防爆墙后目标 万方数据 第2 7 卷第l 期马云玲，赵丽君，聂建新异型防爆墙抗空气冲击波的数值模拟 2 7 结构的破坏的敏感性问题⋯，HH a o 等研究了地面 爆炸条件下空气冲击波对周围结构的作用以及冲击 波荷载作用于防护屏障后结构的反射压力等引，夏 志成等研究了恐怖爆炸袭击建筑物的防护问题H 】， 伍俊等研究了装配式防爆墙的设计与抵抗冲击波的 防爆效果口 1 ，类似的文献还有文献[ 7 ] 、文献[ 8 ] 。 国内外关于防爆墙的研究均是基于竖直设置的防爆 墙研究，而对于除竖直防爆墙选型以外的防爆墙形 式以及相应抗冲击波能力未有研究，本文尝试使用 动力有限元软件A U T O D Y N2 D 对几种非常规的异 型防爆墙抗冲击波能力进行数值模拟研究，对比考 察异型防爆墙抗冲击波能力与普通竖直防爆墙的 优略。 1 验证计算 为了确保数值模拟研究的准确性，必须对数值 模拟的空气冲击波峰值超压计算结果进行验证。国 内外学者对爆炸荷载下的空气冲击波峰值超压计算 研究已经取得了许多成果，其中得到广泛认可有 H e n r i c h 的经验公式【9 J ，见式 1 ；M i l l s 的经验公 式‘1 引，见式 2 ；萨道夫斯基的经验公式‘9 1 ，见式 3 。 1 ．0 4 720 ．5 5 40 ．0 3 570 ．0 0 06 2 5 p ”2 F j F 一一r j 了一， O ．1 ≤Z ≤0 ．3 驴学一半一紫 o ．3 ≤矧 p ”2 丁丁一1 广，u ≤z ≤1 舻0 丁．0 6 6 0 可．4 0 5 一学，1 ≤z ≤1 0 p ”2 丁 1 广一1 广，1 ≤z ≤ 1 一半一半 垮．㈣ p ” 厂一■矿 ■；i - 一 【z ‘●■●●1 f p 。訾一0 ．1 ，Z ≤1 2 厶 3 l p 。0 丁．0 7 6 学 喾，l ≤z ≤1 5 ‘ 【p ”2 丁 1 广 可，1 ≤z ≤D 式 1 、 2 、 3 中，p 。为冲击波峰值超压值M P a ；Z 为比例距离，Z R ／Q r ，其中R 为爆源距，m ；Q 为等 效T N T 装药量，k g 。 根据伍俊介绍的中小规模汽车炸弹的携药当 量哺】，采用2 种爆炸当量进行计算，一种爆炸等效 耵盯药量为2 2 6 ．8k g ，另一种为18 1 4 ．3 7k g 。2 种携 药情况均按集中球形装药爆炸进行简化，等效田旧 球形装药半径分别为0 ．3 2 1r n 与0 ．6 4 2I T I ，数值计算 模型见图1 。图1 计算模型为关于y 轴对称的半模 型，图中蓝色为空气域，长8 01 1 1 ，宽4 0n a ，监测点1 一 1 3 位于对称轴上，l 点为起爆点位置，距离左边界 1 01 “ 1 1 ，其余监测点相邻2 点间距离为5m ，即2 点距爆 源5m ，3 点距爆源1 0m 等等依次类推，模型的左边 界、右边界以及上边界设置为流出边界，确保冲击波 的流出，不至于发生反射，以保证模拟无限空气域的 计算精度。计算所用空气选用理想气体状态方程，密 度P 1 ．2 2 5k g ／r n 3 ，比热比y 1 ．4 ；炸药选用耵盯，采 用肌状态方程，J W t ．状态方程见式 4 尸 A 1 一蒜 e - g t v - I - 丑 1 一南 e 吨7 可w E 4 式 4 中，P 为爆炸产生的压力；V 为当压力为P 时 的体积与初始体积的比值；E 为炸药的比内能。 T T 盯炸药的密度pm - 16 3 0k g ／m 3 ，爆速d 69 3 0 m ／s ，A 3 7 3 ．7 1 0 9P a ，B 3 ．7 4 7 1 0 9P a ，R l 4 ．7 5 ，R 2 0 ．9 ，∞ 0 ．3 5 ，E 6 ．0 1 0 9J ／m 3 。 图1 数值模拟模型示意图 单位m F i g ．1 M o d e lS k e t c ho fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n u n i t m 应用式 1 一 3 分别计算数值模型监测点2 一 1 3 对应位置的冲击波超压峰值以比例距离作为横坐 标，以空气冲击波超压峰值作为纵坐标可对经验公式 与数值模拟值进行比较，见图2 。从图2 可知，数值模 拟计算结果与经验公式计算结果较吻合，利用A U T O ． D Y N2 D 进行计算冲击波超压问题是可靠的。 日 山 譬 邋 警 出 翱 扩 剁 比例距离“m k g “ m 图2 超压峰值计算结果比较 F i g ．2 C o m p a r i s o no fp e a ko v e r p r e s s u r eo fs h o c kW I I V O 万方数据 爆破2 0 1 0 年3 月 2 数值计算模型 程C O 与N 嚣嚣苌篓巽盖焘嚣耋器嘉釜主萎 2 ．1 材料模型考文献[ 1 2 ] 一[ 1 3 ] ，C O N C - 3 5 M P A 材料及R H T 模 模拟所用混凝土材料选用软件材料库中自带的型计算参数表见表1 。 表1C O N C 一3 5 M P A 计算参数 T a b l e1M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fC O N C - 3 5 M P A 2 ．2 几何模型 为了考察异型防爆墙的抗冲击波能力，特选取 以下3 种异型防爆墙与普通竖直防爆墙进行对比， 各防爆墙形式见下图3 ，由于重点研究冲击波跨越 防爆墙后的超压峰值与衰减情况，故防爆墙为按刚 性体处理，墙体由0 ．3m 厚} 昆凝土组成，墙体所有结 点设置为固定。 o n 塑S l 斗一 B 卜卜坚0 卜坐 b 业铀一卜_ j 上斗_ 耻墨 c d 图3 各形式防爆墙示意图 单位m F i g ．3S k e t c ho ft h ed e f o r m e db l a s tr e s i s t a n tw a l l s u n i t m 仅以普通竖直防爆墙为例，建立的计算数值模 型示意如下图4 ，其余形式的模型除了防爆墙体形 式不同外。其他性质相同。模型长5 0m ，宽2 0m ，其 中包含映射爆炸区域、空气域以及防爆墙体3 部分， 爆点距离空气域左下脚点1 0m ，防爆墙距离空气域 左下脚点2 0m ，空气域采用E u l e r 网格，防爆墙体采 用L a g r a n g e 网格．2 类单元采用流固耦合算法，模型 中的墙体所有边界采用固定约束，空气域的左、右、 上边界均设置为流出边界，以保证爆炸产生的冲击 波在边界无反射的流出达到模拟无限域的目的。为 了考察冲击波的传播情况，共布置监测点1 5 个，见 图4 ，水平方向监测点编号为l 一6 ，距地面垂直距离 均为lm ，l 点距离爆点的水平距离为1 5m ，其余相 邻监测点水平问距均为5m ；垂直方向监测点编号 为7 1 5 ，距爆点的水平距离均为1 5m ，7 点距离地 面的垂直距离为3m 。其余各相邻点的间距为2m 。 图4 计算模型示意图 单位m F i g ．4 S k e t c ho ft h ec a l c u l a t i o nm o d e l t m i t m 万方数据 第2 7 卷第1 期马云玲，赵丽君，聂建新异型防爆墙抗空气冲击波的数值模拟 2 9 3 计算结果与分析 为了研究不同形式防爆墙对于冲击波传播的削 弱作用，模拟了小轿车携T N T 炸药进行恐怖爆炸袭 击的空气冲击波作用。按照伍俊所描述的汽车炸弹 爆炸参数哺】，取装药量为2 2 6 ．8k g ，爆炸点距地面垂 直距离0 ．6m ，分别计算了距离空气域左下脚点水 平距离为1 0m 、1 lm 、1 2m 、1 3n l 、1 4m5 种情况下 的爆炸作用，典型的空气冲击波传播过程见图5 。 从图5 中可以观察到，5 ．5I l l s 时刻冲击波阵面接近 防爆墙，1 0m s 左右冲击波已经与防爆墙接触，在1 4 m 8 时刻可以明显的看到空气冲击波在防爆墙处的 反射与绕流作用，在2 0m s 时冲击波阵面已经跨越 防爆墙继续向前传播，而防爆墙后的波阵面与其他 位置的波阵面相比已有所减弱。 d 2 0 ．0 m 8 。图5 冲击波传播示意图 F i g ．5 S k e t c ho fs h o c kw a v ep r o p a g a t i o n 在爆点距离空气域左下角点1 0I l l 位置处的情 况下，依照不同防爆墙形式将监测点7 一1 5 与1 6 的超压峰值绘制于图6 中，可以清楚的看到，无论是 何种形式的防爆墙对于空冲击波的减弱作用都是明 显的，尤其沿垂直方向上，防爆墙的形式对于冲击波 的减弱作用影响显著，见图6 a ；水平方向上防爆 墙后的近区位置冲击波超压峰值受防爆墙形式的影 响较显著而远区则不显著，各种形式的防爆墙在远 区对于冲击波的削弱作用基本相当，见图6 b 。若 定义冲击波超压峰值减弱率为式 5 叼 警 5 叼2 一 k ， 式中，田为冲击波超压峰值减弱率；p 。为无防爆墙时 的空气冲击波超压峰值；p 。为有防爆墙时的冲击波 超压峰值，则沿垂直向与水平向分别计算各监测点 的冲击波超压峰值减弱率然后求其均值可得 a 、 b 、 C 、 d 形式防爆墙的垂直向减弱率均值分 别为1 4 ．3 6 ％、1 3 ．5 l ％、1 8 ．9 2 ％、1 4 ．7 4 ％，水平向 的减弱率均值分别为2 ．8 0 ％、9 ．2 0 ％、1 3 ．7 5 ％、 1 ．1 8 ％。从上述计算结果可知，无论沿垂直方向还 是沿水平方向， c 形式的防爆墙对于冲击波的减 弱作用最大最有利于抵抗爆炸冲击波。 同理，按照爆点距离空气域左下脚点水平距离 为1 1m 、1 2m 、1 3 m 、1 4m 的情况分别计算冲击波超 压峰值减弱率均值，连同计算的1 0m 情况的结果一 并列表如表2 。从表2 计算的垂直向冲击波超压峰 值减弱率均值可知，4 种形式的防爆墙削弱冲击波 的作用均随着爆点距防爆墙距离的缩小而增大，防 爆效果逐渐变强；水平向除了竖直防爆墙即 a 型 防爆墙的水平向变化规律性不强外，其他形式的防 爆墙的冲击波超压峰值减弱率均值亦是逐渐增大 的， a 型防爆墙的水平向变化规律性不强的原因 是由于在竖直防爆墙作用下冲击波的传播在拐角处 监测点的冲击波波阵面超压峰值变化较大，在水平 向监测点求均值时波动较大而造成。从移动防护和 随机防护的角度考察4 种防爆墙的防冲击波效果时 可知 b 、 c 、 d 型防爆墙的冲击波超压峰值减 弱率均值均随爆源距的变化较规律，效果良好。 c 型防爆墙无论在垂直向还是水平向冲击波超压 峰值减弱率均值均最小，防爆效果最好。 孟 道 誊 出 辋 0 ．0 9 0 ．0 8 日0 ．0 7 L 芝o ．0 6 蓼o ．0 5 出0 ．0 4 骝0 ．0 3 0 ．0 2 0 ．O l 距地面垂直距离，m a 距地面水平距离，m b 图6 垂直向与水平向的超压峰值曲线 F i g ．6 V e r t i c a la n dh o r i z o n t a lp r e s s u r eh i s t o r y c l l r v eo fs h o c kw a v e 万方数据 爆破2 0 1 0 年3 月 4 结论 通过对比前人的经验公式，验证了运用A U T O D Y N 模拟计算冲击波传播问题的可靠性，并结合计 算无防爆墙与普通竖直防爆墙，分析了异型防爆墙 对于空气冲击波的削弱作用，得出了以下结论 1 无论是 a 型普通竖直防爆墙还是文中 b 、 c 、 d 异型防爆墙均能不同程度的削弱墙后的空 气冲击波的冲击作用。 2 在固定爆源距的情况下， a 、 b 、 c 、 d 4 种防爆墙中垂直方向上冲击波超压峰值减弱率均 [ I ] [ 2 ] [ 3 ] 【4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 值排列顺序从大到小依次为 c 、 d 、 a 、 b ；水 平方向上4 种防爆墙的冲击波超压峰值减弱率均值 的规律性较差需要针对具体防护要求进行分析选 型；无论垂直向还是水平向在固定爆源距的情况下 c 型防爆墙的冲击波超压峰值减弱率均值最大应 优先选型。 3 从移动防护和随机防护的角度考察，随着起 爆点的随机移动或爆源距的逐渐减小，4 种防爆墙 中 b 、 c 、 d 型防爆墙的冲击波超压峰值减弱 率均值变化较规律，防爆效果较好。 表2 冲击波超压峰值减弱率均值表 T a b l e 2A v e r a g ed e c r e a s i n gr a t eo fp e a ko v e r p r e s s u r eo fs h o c kw a v e 参考文献 C H A P M A NTC 。R O S ETA ，S M I T H SPD ．R e f l e c t e dB l a s t W ．a v eR e s u l t a n t sB e h i n dC a n t i l e v e rW a l l s AN e wP r e d i c - t i o nT e c h n i q u e [ J ] ．I m e m a t i o n MJ o u r n a lo fI m p a c tE r I 舀 n e c r i n g ，1 9 9 5 ，1 6 3 3 9 7 - 4 0 3 ． W UC h e n g q i n g ，H A OH o n g ．M o d e l i n go fS i m u l t a n e o u s G r o u n dS h o c ka n dA i r b l a s tP r e s s u r eo nN e a r b yS t r u c t u r e s f r o mS u r f a c eE x p l o s i o n s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fI m p a c tE n g i n e e r i n g ，2 0 0 5 ，3 1 3 6 9 9 - 7 1 7 ． Z H O UXQ ．H A OH ．P r e d i e t i o no fA i r b l a s tL o a d so nS t m c - t u r e sB e h i n daP r o t e c t i v eB a r r i e r [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o fI m p a c tE n g i n e e r i n g ，2 0 0 8 ，1 6 3 3 6 3 3 7 5 ． 夏志成，贾蓬，金丰年．应对恐怖爆炸袭击建筑物防 护的研究现状综述[ J ] ．防灾减灾工程学报，2 0 0 6 ， 2 6 2 2 2 9 2 3 4 ． 伍俊，刘晶波，闫秋实．装配式防爆墙和翻转式路刺 组合防护结构[ J ] ．土木工程学报，2 0 0 8 ，4 1 1 9 9 - 1 0 3 ． 伍俊，刘晶波，杜义欣．汽车炸弹爆炸下装配式防爆 墙弹塑性动力计算与数值分析[ J ] ．防灾减灾工程学 报，2 0 0 7 。2 7 4 3 9 4 - 4 0 0 ． S C H L E Y E RGK ，L o W A K BMJ ，P O L C Y NMA ，e ta 1 ． [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] E x p e r i m e n t a lI n v e s t i g a t i o no IB l a s tW a l lP a n e l sU n d e r - s h o c kP r e s s u r eL o a d i n g [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fI r a - p a c tE n g i n e e r i n g ，2 0 0 7 ，3 4 3 10 9 5 - I1 1 8 ． K E M E N N I K O VA l e xM ，R O S ET i m o t h yA ．M o d e l l i n gB l a s t L o a d so nB u i l d i n g si nC o m p l e xC i t yG e o m e t r i e s [ J ] ．C o r n - p u t e r sa n dS t r u c t u r e s ，2 0 0 5 ，8 3 3 21 9 7 - 22 0 5 ． H E N R Y C HJ ．T h eD y n a m i c so fE x p l o s i o na n di t sU s e [ M ] ．A m s t e r d a m E l s e v i e r ，1 9 7 9 ． M I L L SCA ．T h eD e s i g no fC o n c r e t eS t r u c t u r et oR e s i s t E x p l o s i o n sa n dW e a p o nE f f e c t s [ c ] ∥P r o c e e d i n g so ft h e l s tI n tC o n f e r e n c eo nc o n c r e t ef o rh a z a r dp r o t e c t i o n s ． E d i n - b u r g h ，U K ，P P 6 1 - 7 3 ，1 9 8 7 ． A U T O D Y NT h e o r yM a n u a l [ M ] ．R e v i s i o n6 ⋯1C e n t u r y D y n a m i c sI n c ，2 0 0 3 ． R I E D E LW ．B e t o nU n t e rD y n a m i a c h e nL a s t e n - M e s o - u n d M a r k o m e c h a n i a c h eM o d e l l et m di h r eP a r a m e t e r i nG e t - m a l l [ C ] ∥E r n s t M a e h - I n s t i t u t ，e d i t o r ．F r e i b u r g F r a u n ． h o f e rI R B ，I S B N3 - 8 1 6 7 - 6 3 4 0 - 5 ，2 0 0 4 ． R I E D E LW ，W I C K L E I NM ，T H O M AK ．S h o c kP r o p e r t i e s o fC o n v e n t i o n a la n dH i g hS t r e n g t hC o n c r e t e ，E x p e r i m e n ． t a la n dM e s o m e e h a n i e a lA n a l y s i s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r - h a lo fI m p a c tE n g i n e e r i n g ，2 0 0 8 ，3 5 3 1 5 5 - 71 ． 万方数据