典型密闭装置内爆炸尺寸效应研究.pdf

2 0 1 2 年1 0 月典型密闭装置内爆炸尺寸效应研究连赞猛等 典型密闭装置内爆炸尺寸效应研究 连赞猛①方道红⑦顾晓辉①刘帅①邵苗苗① ①南京理工大学机械工程学院 江苏南京，2 1 0 0 9 4 ②中国人民解放军7 8 6 6 6 部队 云南宜良，6 5 2 1 0 2 [ 摘要]为研究密闭装置内爆炸冲击波的传播规律及密闭装置尺寸效应对冲击波超压空间分布和爆炸荷载特 征参数的影响，在混凝土密闭装置内爆炸试验的基础上，结合L s D Y N A 有限元程序对不同尺寸的装置内爆炸进 行数值模拟。结果表明密闭装置内爆炸超压时程曲线大多呈现多峰特性，装置顶角、棱线附近超压曲线的周期宏 观脉动现象比较明显，超压衰减缓慢；当结构长宽比例1 ．2 ≤￡形≤3 时，结构对冲击波的约束不是很明显，冲击波 超压空间分布比较有规律；而当￡形 3 时，结构对冲击波的约束表现得异常明显，冲击波超压空间分布规律不显 著。对于5 种不同尺寸的装置内爆炸，当比例距离2 ．1 3 4n ∥k g “3 ≤} ≤3 ．2 0 l Ⅱ∥k g ”3 时，冲击波流场异常复杂且超 压曲线多峰特性开始凸显，不能用简单的数学关系来描述冲击波的空间分布。 [ 关键词】 尺寸效应内爆炸冲击波密闭装置数值模拟 [ 分类号] 0 3 8 3 T J 5 1 0 ．3 引育 近些年，国内外大批学者对密闭结构内爆炸做 了大量的研究，但是对于密闭结构尺寸效应对冲击 波空间分布的影响研究较少。其中，陈剑杰等⋯概 述了内爆炸作用下密闭结构的尺寸效应对结构抗爆 性能和准静态气体压力的影响。曲树盛、z h a n g 等[ 2 训分别对地铁车站内爆炸和管道内的瓦斯爆炸 进行数值模拟，结果表明结构尺寸效应不仅影响冲 击波超压分布，而且波形也存在差异。本文采用实 验与仿真相结合的手段，研究冲击波在密闭结构中 的传播规律和结构尺寸效应对冲击波的空间分布的 影响。 1 内爆炸试验 试验装置为C 3 5 级混凝土密闭长方体， 内腔长、宽、高的尺寸为 3 ．O m 1 ．5 m 1 ．5 m ． 即长宽比例￡形 2 l 。壁厚为1 5 0 m m 。在 L 相邻两堵墙上共设置5 个测点，用于安装压力传感 器，测点布置如图l 所示。在装置的顶面设置一个 装药安装孔，装药中心位于装置的几何中心，距顶板 内表面7 5 0 m m 处；采用T N ，I ’圆柱形装药，装药密度 为1 ．4 6 9 ／c m 3 。主要测试系统由压力传感器、工装 压力测试仪及计算机系统组成。 2 试验结果 试验采取药量递增的方式，先从小药量开始，后 面药量的增加和试验次数根据实际试验结果及装置 的破坏情况来决定。其中7 5 9 药量试验3 次，装置 基本保持完好。限于篇幅，本文只列出其中一发 7 5 9 药量下4 个测点的超压时程曲线，如图2 所示。 叠1 ．O r 罡O 蓦。 O ．0 7 0 t k a l l s b 蕾 山 孙 t } s c f ，s d a 测点1 ； b 测点2 ； c 测点3 ； d 测点4 图27 5 9 药量各测点超压波形 拳收稿日期2 0 1 2 J D 5 J D 6 基金项目基础产品创新计划火炸药科研专项 作者简介连赞猛 1 9 8 4 一 ，男，硕士，研究方向为终点效应与目标毁伤技术、爆炸力学、可靠性分析。E m 丑P y p r e * n t B y B l l o o ∞m 通讯作者顾晓辉 1 9 “． ，男，教授，博导，研究方向为弹药系统工程、灵巧与智能弹药设计、弹药测试技术、目标识别与跟踪、智能控制、计算机控制与应 用等。E ．m a i l g x i ∞h ．I i m a i l ．n j u 砒．e d u ．c “ 万方数据 爆破器材酝p l ∞i v eM a t e r i a l 8 第4 1 卷第5 期 由于第5 个测点的超压波形图与测点4 基本相似， 在此略去图形。 由图2 可以看出1 测点l 超压时程曲线只有 一个峰值较大的初始脉冲，正压持续时间为4 0 0 岫 左右。2 测点2 超压时程曲线呈现4 个脉冲，且第 4 个脉冲峰值最大。主要原因在于密闭结构狭长， 冲击波经过多次反射后汇聚于B 面，直接导致第4 个峰值大于首个超压峰值。3 测点3 、测点4 和测 点5 位于装置棱线附近，因为冲击波的汇聚作用，冲 击波超压多呈现多蜂特性，宏观脉动现象明显，且测 点4 和测点5 的首个脉冲超压峰值并不是最大的。 3 数值模拟 3 ．1 建摸分析 建立与试验装置尺寸相同的有限元模型 为方 便下节叙述，记为模型2 ，考虑装置的对称性和测 点的位置，选取装置的l ／8 实体建模，对称面施加位 移约束。炸药和空气两种材料采用欧拉网格建模， 单元使用多物质A L E 算法H j 。由于在本次试验过 程中，7 5 9 药量时装置并未被破坏，因此忽略钢筋混 凝土的变形吸能作用，将钢筋混凝土简化为刚体模 型。结构与炸药和空气之间采用流固耦合算法，装 药通过关键字术I N m A L _ ．v O L U M E - F R A C ，I ’1 0 N G E 0 M E T R Y 在计算初始化阶段填充到空气单元中去， 从而可以简化建模过程【5J 。 3 ．2 材料模型及参数的确定 T N r I 装药采用水M A T H I G H E X P L O S ⅣE B u R N 高能炸药材料模型，装药密度p 1 ．4 6 9 ／c m 3 ， 爆速D 0 ．6 9 3 c m ／斗s 。爆轰产物的压力与爆轰产 物相对比容和比内能之问的关系采用刑L 状态方 程表示，具体形式为旧J p A 1 一南P ∥ B 1 一南 e 吨” 等 1 式中A 3 7 4 G P a 、曰 3 ．2 G P a 、R l 4 ．2 0 、R 2 0 ．9 5 、 ∞ 0 ．3 0 为状态方程参数；y 为爆轰产物的相对比 容；E 8 ．OG P a 为爆轰产物的比内能。 空气采用木M A T N u L L 材料模型和多项式状 态方程E O S u N E A R P O L Y N O M L A L 来描述，其表 达式为p y 1 p 坼。；空气初始密度肌 1 ．2 9 1 0 ’3 ∥c m 3 ；绝热指数7 1 ．4 ，初始能量密度E 取 O ．2 5M P a 沪为空气当前密度。 3 ．3 计算结果分析 3 ．3 ．1 冲击波传播状态 冲击波的传播状态如图3 所示。 1 炸药起爆后，在未与装置内壁接触前，爆炸 冲击波迅速向外膨胀引，见图3 a ；￡ 7 5 0 斗s 时，冲 j ▲一j ● _ 1 r 1 a 卜3 2 9 雌 b 胪I8 8 9 ■■E 勺卜；二 拿■’ 一掌 图37 5 9 装药中心内爆不同时刻爆炸冲击波 击波到达A 面并形成正反射，随后，冲击波在装置 内多次反射，沿装置长度方向传播，由图3 b 可以 看出，在传播过程中，冲击波在棱线附近汇聚；并在‘ 2 6 3 7 雌的时候形成较明显的马赫波p J ，如图3 c 所示。2 ‘ 2 8 1 8 炉时，冲击波到达曰面，并发 生正反射，如图3 d ；随着时间的推移，冲击波逐步 汇聚于曰面、口面与A 面相交棱线附近，如图3 e 、 f 所示；作用时间较长，说明了冲击波超压曲线在 棱线附近的多峰特性和宏观脉动现象。 3 ．3 ．2 与试验结果的比较 表l 列出仿真的首个脉冲超压和最大脉冲超 压，与3 发7 5 9 药量试验平均值的对比和相对误差。 图4 为试验平均值超压曲线与数值模拟仿真对应测 点的超压曲线对比；由图4 a 可见，测点l 数值模 拟值与试验值都只有一个峰值较大的初始脉冲；由 图4 b 可以看出，测点2 的仿真超压曲线也出现4 个脉冲，且第4 个脉冲峰值最大；从整体上来看，仿 真值低于试验值，仿真脉冲时间滞后于实验脉冲；测 点l 对应的误差比测点2 的要大，因为爆炸冲击波 表l 试验值与仿真值对比 a 测点l ； b 测点2 图47 5 9 药量试验与模拟超压曲线对比 霍 爵‘I墨【，与 万方数据 2 0 1 2 年1 0 月 典型密闭装置内爆炸尺寸效应研究连赘猛等 3 峰值的比例距离越大，网格尺寸敏感性越差0 。。 由以上分析，数值模拟能较好地反应出试验的 实际情况，因此在数值模拟分析密闭结构尺寸效应 对冲击波的空间分布的影响时，均采用与模型2 相 同的参数，以保证计算精度。 4 结构尺寸效应对超压空间分布的影响 除了以上已经建立的实际尺寸模型 模型2 ， 保持模型长度尺寸3 m 不变，缩小或放大高、宽尺 寸，再分别建立了4 种不同尺寸的模型模型O 、模 型1 、模型3 、模型4 ，内腔长宽 高 比例L 形分别 为3 ．O O ．7 、3 ．0 1 ．0 、3 ．0 2 ．O 、3 ．0 2 ．5 。 分别对模型O 、1 、2 、3 、4 沿爆心与测点2 的连线 每隔O ．1 5 m 取一个超压参考点，考虑到比例距离小 于0 ．5 n ∥蚝V 3 时，空气冲击波和爆轰产物膨胀界面 可能没有完全分离卜”J ，因此，参考点1 的爆心距 为O ．4 5m ，对应比例距离为1 ．0 6 7 n ∥k g U 3 ；共取7 个 参考点，依次记为1 ，2 ，⋯，7 。 根据表2 列出的数据，对模型o 、1 、2 、3 、4 分别 建立最大超压峰值和首个脉冲峰值随比例距离变化 的数学关系；采用m a d a b 对数据进行处理和分析， 得到首个脉冲超压峰值 卸， 和最大超压峰值 △p 。。 随比例距离 i 的变化关系，如图5 和图6 所 开 m ．k 昏“3 图5首个脉冲超压与比例距离的关系 示，对应数学模型如式 2 、式 3 ；式中尺2 表示数 据拟合相关系数均方值。 卸一 无确切数学关系模型0 模型l 模型2 2 模型3 模型4 1 ．1 6 5 7 i “2 1 黯1 ．0 6 7 ≤i ≤2 ．1 3 4 砰 0 ．9 9 2 无确切数学关系2 ．1 3 4 i ≤3 ．2 0 1 模型0 0 ．7 3 7 6 i “㈣1 ．0 6 7 ≤i ≤2 ．1 3 4 R 2 0 ．9 7 6 无确切数学关系2 ．1 3 4 i ≤3 ．2 0 1 模型1 0 ．9 1 8 6 i 也0 2 9 11 ．0 6 7 ≤i ≤2 ．1 3 4 尺2 0 ．9 9 8 无确切数学关系2 ．1 3 4 i ≤3 ．2 0 l 模型2 0 ．9 2 8 2 i - 2 0 8 4 2 1 ．0 6 7 ≤i ≤2 ．1 3 4 R 2 O ．9 8 8 无确切数学关系2 ．1 3 4 3 ，s h o c k w a v ej sc D 曲n e de v j d e n t l ya n dd j s 喇b u t e de m d c a u y ．F o rt h ee x p l o s i o ni 1 1 s 记et h es 眦c - t u r ew i t hf i v et y p e so fd 进宅r e n ts c a l e s ，t h es h o c k w a v ei sc o m p l e x8 n dt h eo v e r p r e s s u r eh i s t o r i e ss t a nt oh a v em a n yp e a k s w h e nt h es c a l e dd i s t a J l c ei s2 ．1 3 4 r n ／k g ∽≤i ≤3 ．2 0 1 m ／k g ”，t h ed i s t 曲u t i o no fs h o c k w a v ec a I ln o tb ee x p r e s s e dm a f h e - m a t i c a l l y ． [ 1 E Yw 0 R D s ] s c a l ee c t s ，i n t e m a le x p l o s i o n ，s h o c k w a v e ，c l o s e ds t m c t u r e ，n 啪e r i c a ls i m u l a t i o n 万方数据