装药起爆位置对爆炸能量传递影响的数值模拟.pdf

8 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第3 6 卷第3 期 装药起爆位置对爆炸能量传递影响的数值模拟。 陈智刚 中北大学机电控制工程系 山西太原，0 3 0 0 5 1 李小军 北京防化研究院 北京，1 0 2 2 0 5 [ 摘要] 采用数值模拟软件L S D Y N A 模拟了带壳装药在土壤层中在其不同端面起爆时爆炸产生的应力波，在 上层半无限混凝土介质中的传播过程，得到了装药不同端面起爆时产生的应力波在混凝土中随时间和位置的变化 规律。模拟结果表明，在装药底端面起爆时爆轰能量利用率较高，对混凝土的作用效果较好，能够为提高装药结构 威力设计提供一定参考依据。 [ 关键词] 混凝土带壳装药爆炸数值模拟 [ 分类号] 0 3 8 2 ．2 1 引言 混凝土是一种脆性材料，其具有良好的抗压和 抗拉强度，现在已被广泛地应用于各种防护工程上， 因此对于混凝土破坏的研究是十分必要的[ 1 3 ] 。土 层中爆炸对表层混凝土的冲击作用是一个复杂的问 题，涉及冲击波的传播，土和混凝土在高温、高压应 变率条件下的动态力学行为，以及气态爆轰产物和 固态介质之间的、固态多层介质之间的相互作用问 题[ “。研究装药在土层中爆炸对面层混凝土破坏效 应，提高对多层介质中的爆炸机理的认识，对防护工 程抗爆设计、机场混凝土层快速抢修方案设计及对 于民用爆破都有着重大意义[ 5 ] 。 本文在装药结构、质量以及体积不变的情况下， 单从改变装药起爆位置，一种是在装药的上端面起 爆，一种是在装药的下端面起爆，模拟装药在如图1 土壤层中爆炸后，爆轰波不同的传播方向对上层混 凝土介质中的应力波的传播方向、变化规律及炸药 爆轰产物膨胀对上层混凝土的作用影响，得出一种 爆炸能量利用较高的装药起爆位置，为爆破工程设 计提供一定参考依据。 图1 计算模型 2 计算模型及计算方法 2 ．1 计算模型建立 计算模型的平面图如图1 所示，混凝土层模型 尺寸为2 ．5 0 m o ．4 2 m ，土壤层为2 ．5 0 m 1 ．3 3 m 。装药半径3 5m m ，装药高度3 4 0 m m ，装药金属壳 基金项目t 山西省留学回国人员基金 2 0 0 6 0 1 0 7 ． 体厚5m m 。装药底端面距离混凝土上表面都为o ．7 m 。由于炸药的尺寸相对于整个模型尺寸较小，问题 可以简化为平面应变问题，作为一种“准二维”的近 似，可以用单层网格进行计算，并对整个模型施加厚 度方向上的约束，采用c m g 一弘s 建模。为了模拟半无 限介质，消除爆轰波的边界效应，在图1 中混凝土、 土壤层的左、右边界以及土壤层的下边界施加无反 射边界条件。 2 ．2 计算方法 对于带壳装药在多层介质中爆炸的模拟采用的 是L S D Y N A 3 D 非线性动力学差分程序，该程序在 爆炸各个领域得以广泛应用，程序中包括欧拉、拉格 朗日、A L E 等算法，不同的算法适用于不同的计算 场合[ 6 ] 。对带壳装药在多层介质爆炸模拟计算中，装 药壳体、混凝土采用拉格朗日算法，土壤、炸药、空气 则采用欧拉算法，两者通过耦合的方式作用。该算法 的优点是炸药、土壤和流体材料空气在欧拉单元网 格中流动，不存在单元的畸变问题，并且通过流固耦 合方式来处理相互作用，能方便地建立爆炸模型，流 体和固体分开建模。金属壳体与混凝土之间采用侵 蚀面面接触。 3 主要计算材料模型 3 ．1 炸药 炸药采用J W L 状态方程 户酬， 1 一南卜，斗B 『 卜南 e _ R ， 1 夕、E 和y 分别表示爆炸产物的压力、单位体积 的内能和比容 单位体积装药产生的爆轰产物的体 积 。状态方程中的系数A7 、B7 、R 。、R 。、叫为描述 万方数据 2 0 0 7 年6 月装药起爆位置对爆炸能量传递影响的数值模拟 陈智刚等 J W L 方程必须的5 个独立物理常数。其中炸药密度 为1 6 3 0k g ／m 3 ，爆速为6 9 3 0m ／s ，C J 压力为1 ．8 5 1 0 4 M P a 。表1 给出了炸药J W L 状态方程的主要参 数‘川。 表1 炸药参数 A ／M P a B ／M P a R 1 7 1 2 1 0 53 ．2 3 1 1 0 34 ．1 5 R 2 ∞ E o ／ J m - 3 0 ．9 5O ．3 07 ．O 1 0 9 3 ．2 土壤 土壤模型的屈服函数为 厂一寺_ s 玎s 圹一 口o 口1 户 口z 户2 2 式中口。，口1 ，口2 动力屈服常数； S u 应力偏量。 压力p 是体应变岛[ 岛一l n y ／K ] 的函数。土 壤密度为1 8 0 0k g ／m 3 ，体积模量3 9 4 ．8 0M P a ，剪切 模量1 6 ．0 1M P a ，参考文献[ 8 ] ，取口。 2 ．4 1 0 6 P a 2 ，口l 一1 ．3 6 1 0 ‘P a ，口2 1 ．1 2 3 2 。 3 ．3 混凝土 对于混凝土材料采用H J C [ 副，其本构关系为 口’ [ A 1 ～D 励。N ] [ 1 C l n 吾。 ] 3 j 其邙o ’ o 坶。，争’一p H c ，毛‘ i 琏n ， D 一∑威肆‰∥ 丁屁 式中d 等效真实力； 户压力； f 静态单轴抗压强度； 岛参考应变率； A ，B ，Ⅳ，C 由实验确定的常数； 卜损伤系数，0 ≤D ≤1 ； D 。，D 。实验所得损伤常数； △郇等效塑性偏应变增量； △脚塑性体积应变增量； 丁最大抗拉静水压力。 可见损伤度的累积与等效塑性应变和塑性体应 变都有关。表2 为其材料参数‘引。 表2 混凝土H J C 模型材料参数 4 数值模拟结果及分析 为了观察应力波在多层介质中的传播情况，选 取装药上端面起爆和下端面起爆为例，图2 、图3 所 示分别为装药上端起爆和下端起爆时应力波不同时 刻的压力等值线图，图2 a 、图3 a 为炸药刚开始 爆轰大约在z 2 0 弘s 时；由于混凝土和土壤的波阻 抗不一样，由图2 b 、图3 b f 一5 0 肛s 可以看出应 力波到达土壤层和混凝土的分界面，应力波的传输 开始受到影响，其形状也发生了变化，以扁平椭圆形 状传播，并且可以看出，混凝土的下层与土壤层接触 处由于受到爆炸冲击波强烈冲击和爆轰气体膨胀的 作用开始破碎。 图2 装药上端面起爆时两种不同时刻压力等值线图 a f 2 0 ∞ 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3 6 卷第3 期 b t 2 5 0 “s 图3 装药下端面起爆时两种不同时刻压力等值线图 为考察在土壤层中装药上端起爆、下端起爆时 爆炸爆轰波不同的传播方向对混凝土介质的作用强 度影响，以及混凝土中应力波的传播规律，取上层混 凝土介质的自由面处与中心轴线靠近处单元 编号 1 9 3 5 1 ，以及混凝土介质底面与中心轴线相交处单 元 编号1 6 5 0 1 各自进行对比。两单元位置大约相 距o ．4 2m ，计算时间为6 0 0 弘s 。由图4 2 、图5 2 两单元的压力时程曲线可以看出混凝土介质底部受 到爆轰的冲击很大，所受压力数值要比其表面自由 面的压力大一个数量级左右，说明随着爆轰波的传 播，混凝土中应力随着空间距离衰减较快。同时从图 4 1 、图5 1 的混凝土介质自由面处单元 编号 1 9 3 5 1 压力时程曲线可以看出，大约在1 3 0 肛s 左右 时刻其应力状态先是受压应力变为受拉应力，一段 时间后又开始变为受压应力，随后又变为受拉应力， 并且保持一定的数量值，说明压缩相的应力波到达 自由界面反射回的稀疏波，对混凝土介质中应力状 态有很大影响。 由图4 2 、图5 2 可以看出，在第一种多层介 质中装药下端起爆爆轰波对混凝土介质的底部冲击 较大，其受最大应力大约是上端起爆时爆轰波对混 凝土介质作用的3 倍。由图4 1 、图5 1 可知在装 药下端起爆时，自由面处所受最大应力大约是上端 起爆对同一位置的1 ．2 倍。 t ／I Is 1 2 图4 第二种多层介质中装药上端 起爆时两单元压力时程曲线 2 图5 第二种多层介质中装药下端 起爆时两单元压力时程曲线 由上述可知，爆轰波的传播方向对混凝土中应 力波作用强度有很大的影响，在土壤层中装药下端 面起爆时，爆轰波对上层混凝土的作用强度较大，也 即是说明此种起爆位置对爆炸的能量利用率较高。 图6 1 、 2 分别为装药上端、下端面两种起爆 方式下模型计算到1 6 0 0p s 时，土壤中爆坑图及混 凝土损伤图。可以看出计算到相同时间时，当装药下 端起爆时，土壤层中的爆坑要比装药上端起爆时的 爆坑大，面层的混凝土受拉伸应力波拉伸的损伤程 度要强些。 图7 为装药不同端面起爆时上层混凝土在爆轰 气体膨胀作用下的数值抬高距离，由图可知装药下 万方数据 2 0 0 7 年6 月装药起爆位置对爆炸能量传递影响的数值模拟陈智刚等 1 1 1 装药上端起爆模型计算1 6 0 0 螂时I 2 装药下端起爆模型计算1 6 0 0 弘s 时 图6 土壤爆坑图及混凝土损伤图 t ／1 0 3 l I8 图7 装药不同端面起爆时，上层混凝土在 爆轰气体膨胀作用下的竖直抬高距离 端起爆时，爆轰气体产物对面层混凝土的膨胀做功 要强，因此炸药的爆轰能量利用率较高。 5 结束语 由模拟可知爆轰波的传播方向对混凝土中应力 波作用强度有很大影响，爆炸产生的应力波在混凝 土中随空间的变化衰减较快。在同样爆破条件下，装 药下端起爆时爆轰波对混凝土作用强度较上端起爆 方式要好，装药的能量利用率较高，能够改善爆破效 果，为提高装药结构威力设计提供一定参考依据。 参考文献 1 陈智刚，赵太勇，侯秀成．爆炸及其终点效应[ M ] ．北京 兵器工业出版社，2 0 0 4 2 计冬奎，肖川，薛冰．机场跑道在动能侵彻型弹药爆破作 用下的毁伤机理研究[ C ] ．弹药战斗部学术交流会论文 集．2 0 0 5 ．9 7 ～1 0 0 3 赵楠，史利平，张纪成．混凝土中爆炸效应研究[ c ] ．弹药 战斗部学术交流会论文集．2 0 0 5 ．1 0 l ～1 0 4 4 亨利奇．爆炸动力学及其应用[ M ] ．北京科学出版社， 1 9 8 7 5 王清洁，顾文彬，夏卫国，等．多层介质中爆炸破坏效应的 实验研究[ J ] ．工程爆破，2 0 0 3 ，9 2 7 ～1 l 6 赵海欧．L S - D Y N A 动力学分析指南[ M ] ．北京；兵器工 业出版社，2 0 0 3 7M aGW ，H oH ，Z h o uYX ．．M o d e l i n go fw a v ep r o p a g a t i o ni n d u c e db yu n d e r g r o u n de x p l o s i o n [ J ] ．C o m p u t e r s a r l dG e o t e c h n i c s ，1 9 9 8 ，2 2 3 ／4 2 8 3 ～3 0 3 8 顾文彬，叶序双，等．球形装药半无限土介质中爆炸动力 学分析口] ．工程爆破，1 9 9 9 ，5 1 5 ～1 0 9 H o l m q u i s tTJ ，J o h n s o nGR ，C o o kWH ．AC o m p u t a t i o n a lc o n s t i t u t i v em o d e lf o rc o n c r e t es u b j e c t e dt ol a r g e s t r a i n s ，h i g hr a t e sa n dh i g hp r e s s u r e [ C ] ．1 4 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nB a l l i s t i c s ，1 9 9 5 ．5 9 1 ～6 0 0 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no nt h eE f f e c to fD e t o n a t i n gP o s i t i O nO fC h a r g e t oT r a n s m i s s i o no fB l a s tE n e r g y C h e nZ h i g a n g D e p t ．o fM e c h a n i c a la n dE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g ，N o r t hU n i v e r s i t yo fC h i n a S h a n x iT a i y u a n ，0 3 0 0 5 1 L iX i a o j u n R e s e a r c hI n s t i t u t eo fC h e m i c a lD e f e n c e B e i j i n g ，1 0 2 2 0 5 [ A B S T R A c T ]T h ep r o c e s so ft r a n s m i s s i o no fs t r e s sw a v ep r o d u c e db yd e t o n a t i n gc h a r g ea td i f f e r e n ts e c t i o n so f r o c kl a y e ri nt o ps e m i i n f i n i t ec o n c r e t el a y e ri ss i m u l a t e du s i n gt h en u m er - c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eL S D Y N A ．T h e t r a n s i t i o nl a w so fs t r e s sw a v ew i t ht h et i m e s p a c ep r o d u c e db yd e t o n a t i n gc h a r g ea td i f f e r e n ts e c t i o n si nc o n c r e t e a r eo b t a i n e d ．T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eu t i l i z a t i o nr a t eo fe x p l o s i o ne n e r g yi sm u c hh i g hw h e nd e t o n a t i n gc h a r g ea tb o t t o ms e c t i o n ，a n dt h ed a m a g ee f f e c tt oc o n c r e t ei sb e t t e r ．T h i sp r o v i d e sr e f e r e n c ef o ri m p r o v i n gt h e p o w e rd e s i g no fc h a r g i n gs t r u c t u r e ． ． [ K E Yw o R D S ]c o n c r e t e ，c h a r g ew i t hc a s e ，e x p l o s i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 基＼醒馘枢杂书毖璐 万方数据