炸药在土壤内部爆炸作用的数值分析.pdf

爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第4 0 卷第6 期 炸药在土壤内部爆炸作用的数值分析 周向阳①⑦ ①南京理工大学化工学院 江苏南京，2 1 0 0 9 4 ②南京市公安局 江苏南京，2 1 0 0 0 4 [ 摘要]采用A N S Y S ／L S - D Y N A 软件对炸药在土壤内部的爆炸过程进行了显示动力分析。通过数值计算，模拟 了土壤中装药爆炸形成鼓包运动过程。研究了土壤中炸药近区压力分布、应力波的形成及影响、质点运动及混凝土 板中应力一应变分布规律。 [ 关键词] 爆炸数值模拟A L E 方法 [ 分类号] T D 2 3 5 ．2 1T Q 5 6 0 ．7 引言 在军事爆破、工程爆破中涉及大量的爆炸与冲 击等非线性瞬态动力学问题。炸药在土中爆炸对表 层土壤中混凝土板的冲击响应问题涉及到介质中爆 炸冲击波、应力波的传播以及混凝土板在爆炸荷载 作用下的冲击响应等多个动力学问题[ 1 ．5 】，研究具有 一定的复杂性。通过数值模拟方法可在一定程度上 减少实验研究成本【6 】，在爆炸作用规律及动态响应 研究领域得到越来越广泛的运用。 本文基于A N S Y S ／L S ．D Y N A 显示动力分析软 件，采用A L E 算法将炸药定义成流体以避免爆炸过 程中网格的过分畸变对计算结果产生的不利影 响【_ 墙J ，对土壤中爆炸波的传播和混凝土的动态响应 进行了数值模拟，取得了较好的效果。 1 模型建立 1 ．1 问题描述 条形装药设置在混凝土板下方一定距离处的土 壤介质中，引爆炸药，分析条形装药爆炸后土壤的鼓 包运动及混凝土板的运动过程。 ’ 1 ．2 建模 计算模型分为炸药、土壤层、混凝土板和空气4 部分。采用拉格朗日网格建立混凝土板模型，采用 欧拉网格建立炸药、土壤和空气模型；单元采用多物 质A L E 算法；混凝土板与空气及土壤材料间选用耦 合算法。 模型中采用条形装药结构，若不考虑端部效应， 在中心线起爆条件下可将模型简化成平面对称问 题。图l 采用1 ／2 模型，其中炸药尺寸为1 2 0 m m 6 0 m m 1 5 r a m ，质量为1 7 6 9 。为方便建模，采用单层 实体网格建模，采用映射网格进行划分，计算步长取 0 ．6 } x s 。数值计算采用e m g l a , s 单位制。 o I o 袁l I 空气 虽{ ． 枷。 。l 一 - u u l ’ 印混莉板 ] 土壤层 C f r o ． N C ’ C - y T - I， 2 5 5 G 图1 炸药在土壤内部爆炸模型 单位m m 1 ．3 材料参数及状态方程 状态方程一般用来描述压力与体积的关系。由 于A N S Y S 软件中没有炸药和土壤的模型，在建模过 程中炸药暂用水的材料本构和状态方程模型替代， 土壤暂用随动硬化塑性材料替代，建模完成后在k 文件中添加用于控制炸药和土壤材料的材料本构关 系和状态方程。 1 ．3 ．1 炸药 炸药采用的模型为高能炸药模型，爆炸时的压 力体积膨胀关系可以使用枣E O S J W L 状态方 程p 1 来描述 p A 1 一希 e - R l v B 1 一南 e - R 2 v4 - 学 1 ●收稿日期2 0 1 1 ．0 9 - 2 8 作者简介周向阳 1 9 6 8 一 ，男，硕士，主要从事安全技术及工程应用研究。E - m a i l w a l l y 6 8 0 9 1 6 3 ．c o r n 万方数据 2 0 1 1 年1 2 月炸药在土壤内部爆炸作用的数值分析周向阳等 式中A 、曰、R 。如、o r 一材料参数； p 压力； y 相对体积； 、 磊一初始比内能。 1 ．3 ．2 土壤 土壤采用土壤泡沫材料模型 M A T S O I L A N D _ F O A M 进行描述，其主要参数如表1 所示。 表1 土壤介质主要参数 1 ．3 ．3 空气 空气采用L s D Y N A 中的N U L L 材料模型，同 时通过调用式 2 所示的气体状态方程实现避免偏 应力的计算过程。 P ，一1 翔 2 P 0 式中P 压力； y 气体绝热指数，取1 ．4 ； P 密度； P o 韧始密度，取1 ．3 1 0 。3 9 ／c m 3 ； 磊气体比内能，取2 ．5x1 0 ‘M P a 。 1 ．3 ．4 混凝土 混凝土采用随动硬化塑性材料模型进行描述。 本文在文献[ 1 0 ] 基础上确定混凝土板的主要参数 如表2 所示。 表2 混凝土板主要参数 2 炸药在土壤内部爆炸过程模拟 炸药单元与结构单元之间通过流固耦合定义彼 此之间的连接，可以直观地观察到炸药爆轰完成后 爆炸产物在已定义的A L E 空间网格中流动。图2 给出了三个时刻爆炸场的形态，直观地显示了炸药 爆炸后土壤鼓包运动过程。炸药爆轰完成后t 1 6 0 ．O p J 时爆轰产物开始扩张，土壤介质受到强烈 的冲击压缩。t 1 0 1 9 ．9 9 s 时混凝土板开始发生弯 曲，土壤鼓包运动开始。t 2 3 8 0 ．0 i t s 时土壤的鼓 包运动明显，混凝土板的变形也到达最大值。图2 中可以清楚地看到爆轰产物与土壤相互作用边界。 3 结果分析 通过致值模拟可以直观地观察到炸药在土壤中 ●I ● I ● } I } ．舯。】 l || 1 7 ， 、‘ - j 圈瞳隧豳 斟2 儿∞●●f Z 『， ．。 。_ H 2 9 4 d 1 ，{ ’i “■．o i ，’ 藤鬻 ≮溅瓷谶穗 3 ．1 爆炸场中压力分布 选取图3 所示的2 3 、 2 9 2 9 3 、2 9 4 0 8 及2 9 1 ∞号单 元，绘制出压力分布曲线如 图4 所示。炸药在起爆点激 发作用下，t 4 7 ．6 i t s 时，处 于炸药区域内的单元2 3 ，在 图3 研究的介质单元 爆轰波作用下，压力峰值瞬 时达到4 9 3 7 ．1 P c P o 代表一个大气压 ；t 8 1 ．6 i t s 时，靠近炸药的土壤介质单元2 9 2 9 3 受到冲击波的 作用的压力峰值1 7 6 1 p o ；I 2 4 4 ．9 妒时，混凝土板 与土壤介质的接触面处介质单元2 9 1 0 P ．冲击波压力 峰值达到3 9 3 ．1 p 。。分析图4 中的曲线可知炸药爆 轰速度非常快，十几微秒内炸药即完成爆轰。爆轰 波、冲击波的压力非常高，炸药爆轰完成后爆轰波衰 减为冲击波在土壤介质中继续传播。在爆轰波与冲 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 0 卷第6 期 击波作用下介质参数在波阵面处发生突跃，然后迅 速衰减。 图4 爆炸场中压力分布状态 3 ．2 土壤鼓包运动 炸药与土壤介质均采用了欧拉网格，可以描述 爆炸波后状态，为研究混凝土板和土壤介质的运动 规律，可选取采用拉格朗日建模的混凝土板对称面 上最下方节点 节点号9 0 4 8 7 作为研究对象。图5 为混凝土板顶点的Y 方向速度时程曲线，图6 为对 应该点Y 方向的加速度时程曲线。混凝土板内受到 土壤中传来应力波的冲击压缩作用，同时受到紧随 压缩波之后的稀疏波的作用，在二者共同作用下介 质质点获得如图6 所示加速度，具有爆炸地震波的 显著特征。 随着爆炸空腔体积的扩大，气体压力和温度降 00 8 00 6 0 ．0 4 0 ．0 2 0 - 0 0 2 - 0 0 4 ．0 0 6 ．0 ．0 8 图5 速度时程曲线 图6 加速度时程曲线 低。由于惯性作用，土壤颗粒在一定时间内继续朝 离开药包的方向运动，结果爆炸气体出现负压，土介 质颗粒在达到最大位移时停止下来，被压缩的土向 炸药方向反弹回去。由于反弹，爆炸气体所占空间 变小，压力增大。压缩过程以后，气体重新膨胀，爆 炸气体和土壤介质组成的系统发生振荡。0 ．2 0 ． 5 岫时振荡过程体现得尤为明显。 3 ．3 混凝土板应力一应变分析 炸药爆炸后产生冲击波在土壤介质中衰减为应 力波进行传播，图7 表示了应力波传到混凝土板之 后，混凝土板中不同时刻的应力分布图。分析图7 可以看出混凝土板中初始应力值为0 ，混凝土板受 到压应力的作用，随着应力波传到混凝土上边缘与 空气交界处，开始反射稀疏波，应力波波形在稀疏波 作用下发生改变。混凝土板质点受应力作用而发生 位移，宏观表现为混凝土板随土壤鼓包运动而发生 变形。混凝土板中的应力不断增大，在稀疏波作用 下出现了拉应力的作用。图8 为与图7 对应时刻混 凝土板中应变分布图。 图7 混凝土板中不同时刻应力图 ■■■●■■■■■■■■一 [ 二二二 二五正二二二二 ] ● ●●墨 j i ■■■_二。 [ 二二 j i 云] 二二 二] ”。“书 [ ] [ j 匠 [ ] ⋯一电 [ 盈 i 图8 混凝土板中不同时刻应变图 4 结论 采用A L E 算法对炸药在土壤介质中在爆炸作 用下的鼓包运动规律及混凝土板在爆炸荷载作用下 的动态响应问题进行了数值模拟研究。通过仿真计 算，分析了炸药爆轰、土壤和混凝土板中冲击波、应 力波传播规律以及混凝土板在爆炸荷载作用下的动 态响应规律。对土壤介质中爆炸作用规律研究具有 一定的参考价值。 参考文献 [ 1 ] 亨利奇．爆炸动力学及其应用[ M ] ．熊建国，译．北京 科学出版社，1 9 8 7 ． 下转第1 8 页 r∞i．日u蔷 万方数据 1 8 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第4 0 卷第6 期 通过实验可得，三种抑爆材料对汽油蒸气爆炸 均表现出较好的抑爆性能。其中，铝合金网状抑爆 材料和铝镁合金网状抑爆材料具有相似的抑爆性 能，球形抑爆材料的抑爆性能明显好于两种合金网 状抑爆材料。 与合金网状抑爆材料相比，球形抑爆材料为非 金属材质，不会氧化变脆，更加环保耐用，不污染油 品，不会堵塞油料储罐或输油管道，而且它的形状是 小球形，更适合于不易装填网状抑爆材料的局部小 空间。它将是合金网状抑爆材料的良好替代品。 参考文献 [ I ]卢徐节，丁帮勤．铝镁合金抑爆材料和抑爆性能研究 [ J ] ．沈阳工程学院学报，2 0 0 6 ，2 2 1 7 6 ．1 7 8 ． 王树有，郑应民，顾晓辉．铝合金抑爆材料性能对比 试验分析[ J ] ．爆破器材，2 0 0 5 ，3 4 3 3 6 - 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4 3 2 ． [ 3 ] 唐献述，贺五一，刘阳，等．接触爆炸作用下S F R C 破坏 效应研究[ J ] ．弹箭与制导学报，2 0 0 8 ，2 8 6 1 1 8 1 2 2 ． [ 4 ] R a b bRJ 。F a h r e n t h o l dEP ．N u m e r i c a lS i m u l a t i o no ft h e O b l i q u eI m p a c to nO r b i t a lD e b r i sS h i e l d i n g [ J ] ．I n t e m a - t i o n a lJ o u r n a l0 fI m p a c tE n g i n e e r i n g ，1 9 9 9 ，2 3 1 7 3 5 7 4 4 ． [ 5 ] R o b e r t o s o nJ0A ．An u m e r i c a lf r e e ．s u r f a c ec o n d i t i o nf o r e l a s t i cv i s c o e l a s t i cf i n i t e - d i f f e r e n c em o d e l i n gi nt h ep r e s e n c e0 f t o p o g r a p h y [ J ] ．G e o p h y s i c s ，1 9 9 6 ，6 1 6 1 9 2 1 1 9 3 4 ． [ 6 ] 王淑玲，苟瑞君．线型聚能装药切割钢板过程的数值 模拟[ J ] ．机械管理开发，2 0 0 8 ，2 3 3 7 2 - 7 3 ，7 6 ． [ 7 ] 张雄，陆明万，王建军．任意拉格朗日一欧拉描述法研 究进展[ J ] ．计算力学学报，1 9 9 7 ，1 4 1 9 1 - 1 0 2 ． [ 8 ]白金泽．L S - D Y N A 3 D 理论基础与实例分析[ M ] ．北京． 科学出版社。2 0 0 5 ． [ 9 ] 章冠人，陈大平．凝聚炸药起爆动力学[ M ] ．北京国 防工业出版社．1 9 9 1 ． [ 1 0 ] 冯长根，王海亮，金龙，等．爆炸衬砌过程中介质位移 的数值模拟研究[ J ] ．火炸药学报，2 0 0 2 4 1 - 4 ． N u m e r i c a lA n a l y s i so nE x p l o s i o no fE x p l o s i v ei nS o i l Z H O UX i a n g y a n g ∞ ①s c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，N a n j i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT c c h n o l n g y J i a n g s uN a n j i n g ，2 1 0 0 9 4 N a n j i n gP u b l i cS e c u r i t yB u r e a u J i a n g s uN a n j h g ，2 1 0 0 0 4 [ A B S T R A C T 】T h ee x p l o s i o np r o c e s so fe x p l o s i v ei ns o i lw ∞帆a I y z e db yA N S Y S ／I s D Y N As o f t w a r e ．T h eb u l g i n gm o v t e - 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