爆炸冲击波在坑道内传播规律研究.pdf

2 0 1 3 年6 月爆炸冲击波在坑道内传播规律研究于文华等 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 8 3 5 2 ．2 0 1 3 ．0 3 ．0 0 1 爆炸冲击波在坑道内传播规律研究 于文华①②张亚栋① ①解放军理工大学国防工程学院 江苏南京，2 1 0 0 0 7 ②中国人民解放军6 6 4 6 9 部队 北京，1 0 0 0 4 2 [ 摘要]为了给坑道防护工程防爆炸空气冲击波的设计与研究提供一定的参考依据，收集整理了国内外常用的 计算坑道口外爆炸产生的坑道内爆炸空气冲击波传播参数的计算方法，对其进行了比较和分析后给出了能够较好 描述冲击波传播规律的计算方法。采用A N S Y SA U T O D Y N 有限元软件对某坑道比例模型试验进行了数值模拟，将 模拟结果与坑道模型试验数据进行了比较，说明采用A N S Y SA U T O D Y N 有限元软件进行爆炸冲击波问题的数值模 拟是可行的。 [ 关键词]爆炸冲击波坑道冲击波超压峰值超压冲量数值模拟 [ 分类号] O3 8 2 ．1T Q 5 6 0 ．7 引言 常规武器在坑道防护工程口部附近爆炸产生的 爆炸冲击波在坑道内传播，对坑道内的人员和设备 构成极大的威胁。以往进行防护工程设计与研究时 大多依据核爆炸冲击波，这样常规弹药爆炸在坑道 内爆炸冲击波的防护工程设计缺少有效的依据J 。 国内外学者和专家对坑道内爆炸冲击波传播规律进 行了研究，以不同形式给出了一些经验计算方法。 为便于比较，将计算方法表达形式进行了统一。 1 冲击波超压峰值 1 工程兵科研三所的学者针对坑道内爆炸冲 击波传播进行了野外爆炸试验心j ，结合国外研究成 果，提出了坑道人射压力参数的计算方法 △p 。 0 ．2 5 8 比3 ／1 ．1 3 2 - 0 ．5 1 9 Z - 1 ．5 8 e 。06 4 2 肌3 1 式中△p 。为人射冲击波超压峰值，M P a ；z D ／√c 为 坑道比例等效直径，m ／k g 3 ；C 为T N T 等效装药质 量，k g ；D 为坑道等效直径，n l ；凡 L ／D 为比例距离， ￡为计算断面距洞1 3 距离，I l l ；R 为爆心距洞口距离， n l o 2 美国工程兵水道试验站 W E S 于1 9 8 4 年用 比例模型实验模拟了球形装药在坑道人口正前方爆 炸情况下，1 0 0 1 0 0 0 k g 的普通高爆弹药产生的短时 高峰值冲击波[ 3 ] △p 。 p i ／{ 1 t a n [ , r r ／2 x ／ X E 】 2 式中p i 为坑道入E l 处的压力，M P a ；X ∥妇为距入 口的比例距离；A 为坑道截面积，I T l 2 ；E 0 ．5 8 6 C 们／A p 0 ／p i 为无量纲经验衰减系数；p 。为大气 压力，M P a 。 3 1 9 9 7 年，W E S 将装药沿坑道的中轴线悬挂， 根据坑道模型和原型实验结果，提出了坑道口外爆 炸时，坑道内空气冲击波峰值超压在坑道内衰减的 计算方法【4J △p 。 C 1 ／ t 一彳‘1 一3 ．5 m ／k g ∽≤k ≤0 3 其中，C 1 2 2 0 0 e h ，B 0 ．9 5 0 ．1 6 1 R ，k R ／C 1 力，Z 。 D ／C 1 力 4 德国厄恩斯特一马赫研究所对圆柱状高爆 炸药在入口外地面不同位置和方向上直立爆炸进行 了详细研究“ J 。将人口前爆炸转换为小药量的堵 口爆炸 P o J P i 。 0 ．3 7 5 R - 0 ．9 6 D ≤R ≤5 D 4 式中p 。。。为装药在入E l 外爆炸时坑道内某点的压 力，M P a ；p i 。为装药在堵口爆炸时相应点的压力， M P a 。 2 冲击波冲量 1 工程兵科研三所给出口外爆炸冲击波冲量 的计算方法 ／／C 1 ／3 0 ．2 4 ，己一o 0 8 1 Z 一1 4 8 9 R ／C 1 ／3 一o 1 9 6 5 式中，为冲击波冲量，M P a m s ；R 为爆点距坑道 } 收稿日期2 0 1 3 - 0 3 - 0 6 作者简介于文华 1 9 8 5 ，男，硕士，主要从事抗爆结构研究。E - m a i l y u w a n g j i n g h u a 1 2 6 ．c o r n 通信作者张亚栋 1 9 7 0 ，男，教授，主要从事抗爆结构研究。E - m a i l z l l y d e 1 7 2 ．c o r n 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 2 卷第3 期 口部距离，i n ；C 为T N T 等效装药质量，k g 。 2 美国工程兵水道试验站 W E S 1 9 8 4 给出 计算方法 I ／C ∥3 0 ．0 4 2 1 ．1 3 z 一 忱[ P o △p L ／p 0 1 o ．6 6 3 后勤工程学院李秀地等由模型坑道爆炸试 验 坑道截面积为0 ．6 7 m 2 ，装药量1 0 0 0 4 6 0 0 9 实测 数据拟合出了冲击波冲量计算方法∞J I ／C ∽ 0 ．1 1 ．1 3 z 。1 v 2 [ P o △p L ／p o o ．5 7 式中p 。为大气压力，M P a ；△p 。为冲击波超压峰值， M P a ；z 为坑道等效比例直径，彳 ∥√c ，m ／k g Ⅳ3 。 3 爆炸冲击波参数的计算方法比较分析 由于工程兵科研三所计算方法的适用范围最 广，本文以工程兵科研三所给出的计算坑道口外爆 炸冲击波参数的计算方法为参照，将各计算方法与 其作比值来考虑各冲击波参数计算方法间的差异。 通过改变n 的取值，研究坑道内不同断面处冲击波 参数计算方法的差异随坑道比例装药等效直径的变 化情况，为今后的工程设计和应用提供依据。 3 ．1 沿轴线坑道口外 R 1 ．0 D 爆炸时空气冲击 波超压峰值比较分析 图1 为坑道内不同断面处 L 0 ．5 D 、1 ．0 D 、 5 ．0 D 和8 ．0 D 不同计算方法预测的冲击波超压峰 值的比较情况，图中的T M 5 - 8 5 5 1 计算方法来自方 秦等译的常规武器防护设计原理资料。由比较结果 可见，对于坑道口外轴线上爆炸冲击波超压峰值的 计算，各计算方法的计算结果有一定的差异，特别是 在距离坑道口部较近 ／1 , ≤1 ．0 的坑道断面上，计算 结果更分散。比例等效直径较小 0 ．5 ≤z ≤1 ．0 时， W E S 1 9 8 4 计算方法和W E S 1 9 9 7 计算方法较为 接近。在比例等效直径较大处，不同计算方法之间 差异较大，工程兵三所算法的计算结果明显偏小，德 国厄恩斯特一马赫研究所的计算结果明显偏大，而 W E S 1 9 9 7 计算方法较适中。 翅 丑 g 媳 蜮 L ，4 妪 1 { 1 抒 趔 羞 g 燃 蜮 ．L ，4 篷 1 1 1 口 趔 丑 譬 燃 蜮 去 龌 1 1 1 抒 o 一工兵三所计算方法 W E S 1 9 9 7 计算方法 干T M 5 8 5 5 一l 计算方法 j 卜W E S 1 9 8 4 讨‘算方法 0 ．51 ．01 ．52 ．0 比例等效直径z ／ m ‘k g “8 b o 一工兵三所计算方法 也r W E S 1 9 9 7 计算方法 T M 5 ．8 5 5 1 计算方法 W E S 1 9 8 4 计算方法 o ．51 ．O1 ．52 ．0 比例等效直径z ／ m k g _ 1 0 d a L 0 ．5 D ； b L 1 ．O D ； c L 5 ．0 D ； d L 8 ．0 D 图1 坑道内不同断面处的冲击波超压峰值比较 F i g ．1 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 a v e a td i f f e r e n tc r o s s ．s e c t i o no ft u n n e l s 经过比较分析后，对于坑道内爆炸冲击波超压 峰值的计算方法，建议在比例等效直径0 ．5 ≤z ≤ 2 ．0 的范围内使用W E S 1 9 9 7 的计算方法；在0 ．2 5 ≤z ≤o ．5 的范围内使用W E S 1 9 8 4 的计算方法。 3 ．2 沿轴线坑道口外 R 1 ．0 D 处爆炸时坑道内 爆炸冲击波冲量比较分析 图2 为坑道内不同断面处 L 0 ．5 D 、1 ．0 D 、 5 ．0 D 和8 ．0 D 不同计算方法预测的冲击波冲量的 比较情况。 由图2 可知，对于口外爆炸时的坑道内爆炸冲 击波冲量，不同计算方法的计算结果较为分散，相比 较而言，工程兵三所的计算方法值明显偏小，特别是 毗；；●0●J螺0，，●H∞ 靼丑g燃琳蠢妪⋯坷 万方数据 2 0 1 3 年6 月爆炸冲击波在坑道内传播规律研究于文华等 蚓 丑 g 燃 蜮 L ，o 蕊 ⋯ 抒 b d a L 0 ．5 D ； b L 1 ．0 D ； c L 5 ．0 D ； d L 8 ．0 D 图2 坑道内不同断面处的冲击波冲量比较 F i g ．2C o m p a r i s o no fi m p u l s eo fs h o c kw a v e a td i f f e r e n tc r o s s ．s e c t i o no ft u n n e l s 在比例等效直径较大的范围内。李秀地等的计算方 法较为适中，但其适用范围较小，因此，建议进行坑 道内爆炸冲击波冲量的计算时，在0 ．5 0 ≤彳≤1 ．7 5 的范围内，采用李秀地等的计算方法；在0 ．2 5 ≤彳≤ 0 ．5 0 的范围内可以采用W E S 1 9 8 4 的计算方法。 4 数值模拟 为验证采用数值模拟研究爆炸冲击问题的有效 性，采用A U T O D Y N 显式有限元计算软件，对坑道内 爆炸冲击波传播规律进行模拟。 4 ．1 材料模型 A U T O D Y N 中自带的材料库中有上百种材料模 型，其中的空气和炸药模型可以很好地用于模拟爆 炸冲击波问题。 4 ．1 ．1 空气材料模型 理想空气状态方程如式 8 ，计算参数见表1 。 P y 一1 p C 。T p 。 8 表1空气材料模型计算参数 T a b ．1M a t e r i a lc a l c u l a t e dp a r a m e t e r so f a i rm o l d e d 4 ．1 ．2 炸药材料模型 T N T 材料模型用式 9 J w L 状态方程，参数见 表2 。 p A 一希P Ⅵ 一面0 ． u 厂、- R 2 u 警 9 表2T N T 材料模型计算参数‘ T a b ．2M a t e r i a lc a l c u l a t e dp a r a m e t e r so fT N Tm o d e l 注 A 、B 、R 。、R 2 、m 是材料常数；p 是压力；K 是相对体 积；D o 是1 N T 起爆速度；‰是初始比动能。 4 ．2 计算模型及计算结果分析 模拟的坑道模型是以某比例模型实验用坑道模 型为参照，模型采用方形截面坑道，尺寸为3 6 0 m m 3 6 0 m m ，坑道为两端开口，长为1 2 0 0 m m 。炸药采 用集团装药的形式，将炸药置于距坑道口部1 ．0 D 处的地面上。考虑对称性，建立1 ／2 模型进行分析， 采用E u l e r L a g r a n g e 耦合方法，网格为8 节点6 面 体，网格尺寸6 m m ，共计3 2 0 0 0 0 个单元，将坑道四 壁设置为刚性体，与空气采用F u l lC o u p l e 方式进行 耦合。装药量见表3 。 万方数据 4 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 2 卷第3 期 装药量／g 1 4 2 ．74 2 ．0 A p 。／M P a／／ M P a m s A p 。／M P a／／ M P a m s 由表4 数值模拟结果与试验数据对比发现，虽 然二者有一些差异，但当考虑模拟时的简化以及实 验测量误差后，可以采用A U T O D Y N 软件模拟坑道 内爆炸冲击波传播问题。 5 结论 1 现有的计算坑道口外爆炸冲击波的经验计 算方法存在较大差异，各计算方法均有自己的适用 范围，因此在实际的工程应用中应加以区分。在进 行比较分析后，给出了较为适中的经验计算方法，可 以作为工程设计与研究的参考； 2 采用A U T O D Y N 软件模拟坑道内爆炸冲击波 传播，并将其与模型试验结果进行了比较后，说明采 用A U T O D Y N 软件进行数值模拟是可行的。 参考文献 [ 1 ]杨科之，杨秀敏．坑道内化爆冲击波的传播规律[ J ] ． 爆炸与冲击，2 0 0 3 ，2 3 1 3 7 - 4 0 ． Y a n gK e z h i ，Y a n gX i u m i n ．S h o c kw a v e sp r o p a g a t i o ni n - s i d et u n n e l s [ J ] ．E x p l o s i o na n dS h o c kW a v e s ，2 0 0 3 ，2 3 1 3 7 - 4 0 ． [ 2 ] 李晓军，张殿臣，李清献，等．常规武器破坏效应与工 程防护技术[ R ] ．洛阳总参工程兵科研三所，2 0 0 1 ． [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] L iX i a o j u n ，Z h a n gD i a n c h e n ，L iQ i n g x i a n ，e ta 1 ．D a m a g ee f f e c t so fc o n v e n t i o n a lw e a p o na n de n g i n e e r i n gp r o t e c t i o nt e c h n i q u e s 『R 1 ．2 0 0 1 ． B r i t tJR ．A t t e n u a t i o no fs h o r td u r a t i o nb l a s ti ne n t r a n c e w a y sa n dt u n n e l s [ C ] ／／P r o c e e d i n go ft h e2 n dS y m p o s i u m o nt h eI n t e r a c t i o no f N o n ．．n u c l e a rM u n i t i o n sw i t hS t r u c ．． t u r e ．1 9 8 5 4 6 6 - 4 7 1 ． W e l c h ．CR ．I n t u n n e la i rb l a s te n g i n e e r i n gm o d e lf o ri n t e r n a la n de x t e r n a ld e t o n a t i o n s [ C ] ／／P r o c e e d i n go ft h e 8 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nI n t e r a c t i o no ft h eE f f e c t s o fM u n i t i o n sw i t hS t r u c t u r e s ．M c l e a n ，V i r g i n i a ，1 9 9 7 1 9 5 - 2 0 8 ． S c h e k l i n s k i G M c kG ．B l a s ti nt u n n e l sa n dr o o m sc y l i n d r a lH E c h a r g e so u t s i d et h et u n n e le n t r a n c e [ C ] ／／P r o - c e e d i n go ft h e6 t hS y m p o s i u mO i lt h eI n t e r a c t i o no fN o n n u c l e a rM u n i t i o n sw i t l lS t r u c t u r e ．P a n a m aC i t yB e a c h ． F l o r i d e ，1 9 9 3 4 5 0 - 4 5 5 ． 李秀地，郑颖人，郑云木，等．坑道内冲击波冲量传播 规律的实验研究[ J ] ．爆破器材，2 0 0 7 ，3 6 3 4 - 7 ． L iX i u d i ，Z h e n gY i n g r e n ，Z h e n gY u n m u ，e ta 1 ．S c a l e m o d e lt e s t st od e t e r m i n eb l a s ti m p u l s ef r o mH E c h a r g e s i n - t u n n e l [ J ] ．E x p l o s i v eM a t e r i a l s ，2 0 0 7 ，3 6 3 4 - 7 ． S t u d yo nP r o p a g a t i o nL a w so fE x p l o s i o nS h o c kW a v ei nT u n n e l s Y UW e n h u a i f ，Z H A N GY a d o n g ① J C o l l e g eo fD e f e n s eE n g i n e e r i n g ，P L AU n i v e r s i t yo fS c i e n c e ＆T e c h n o l o g y J i a n g s uN a n j i n g ，2 1 0 0 0 7 至 6 6 4 6 9T r o o p so fP L A B e i j i n g ，1 0 0 0 4 2 [ A B S T R A C T ] I no r d e rt op r o v i d es o m er e f e r e n c e sf o rt h ed e s i g na n dr e s e a r c ho ft h et u n n e lf o r t i f i c a t i o ne n g i n e e r i n g ， s o m ew e l la c c e p t e dm e t h o d st oc a l c u l a t e t h ep a r a m e t e r so fa i rs h o c kw a v ei nt u n n e l sw e r ec o l l e c t e d ．A f t e rc o m p a r i s o na n d a n a l y s i so ft h e s em e t h o d s ，ab e t t e rc a l c u l a t i o nm e t h o df o rd e s c r i b i n gt h el a w so fs h o c kw a v ep r o p a g a t i o nh a sb e e ns u m m e d u p ．A N S Y SA U T O D Y Ns o f t w a r ew a su s e dt os i m u l a t et h es p r e a d i n go fa i rs h o c kw a v ei nt h et u n n e l ．B a s e do nt h ef u r t h e r c o m p a r i s o no ft h en u m e r i c a lv a l u e sa n de x p e r i m e n t a ld a t a ，i ts h o w st h a t i ti sf e a s i b l et oa n a l y z et h ep r o b l e mo fe x p l o s i v e s h o c kb yu s i n gA N S Y SA U T O D Y N ． [ K E YW O R D S ]e x p l o s i o ns h o c kw a v e ，t u n n e l ，p e a ko v e r p r e s s u r eo fs h o c kw a v e ，i m p u l s eo fp e a ko v e r p r e s s u r e ，n u m e r i - c a ls i m u l a t i o n 万方数据