集團裝藥爆炸下新型結構的削波性能

高光發,李永池,羅文超,姚 磊

(1.安徽理工大學能源與安全學院,安徽淮南 232001;2.中國科學技術大學近代力學系,合肥 230027)

集團裝藥爆炸下新型結構的削波性能

高光發1,2,李永池2,羅文超2,姚 磊2

(1.安徽理工大學能源與安全學院,安徽淮南 232001;2.中國科學技術大學近代力學系,合肥 230027)

采用含孔穴的新型結構作為人防工程中的分配層,利用集團裝藥爆炸模擬航彈觸地爆炸,對4種分配層結構抗集團爆炸載荷的防護效果進行了相似模擬室外化爆試驗,并利用非線性軟件LS-DYNA對該此4種模型進行了數值仿真。結果表明：同樣厚度下,孔穴的存在使得后方的應力峰值被明顯削弱,而且圓形孔穴對應力峰值的削弱程度要明顯強于矩形孔穴;但在孔穴上方加入薄鋼板層后,孔穴對其后方應力的削弱效果減弱,這是因為嵌含薄鋼板后應力波的透射系數增大。研究結果為抗爆防震工程中新型防護層的科學設計提供了一定理論依據。

工程研究;爆炸試驗;爆炸力學;抗爆設計;分配層;孔穴

目前,隨著核武器向著小型化、鉆地化、精確化、實用化和常規化方向發展,實施“外科手術室”的有限核打擊的可能性反而大大增加[1]。人防工程在戰時肩負著抗核武器非直接命中和常規武器直接命中的防護使命,挖掘修建的成層式淺埋結構是人防工程的常見形式,典型的成層式人防工程結構如圖1所示,主要有偽裝土層、遮彈層、分配層和支撐結構4部分,其中分配層的主要作用是對爆炸波削弱、吸收、屏蔽即抗爆防震。

趙躍堂[2]對不同厚度的分配層的防護效果進行了研究,研究認為分配層的厚度增大時,其對來自遮彈層的沖擊波載荷削弱作用愈加明顯,且支撐結構上的載荷愈加均勻,有利于防護。Yankelevsky[3]對地下土壤內近固壁的柱狀裝藥爆炸的情況進行深入的研究,認為裝藥中心與固壁的距離等因素對土壤中的應力分布有很大的影響。Wang[4]、董永香[5]等人利用自編有限元程序、LS-DYNA軟件模擬出平面爆炸波在半無限混凝土介質中的傳播與衰減特性,當厚度較小時,發現增加厚度能夠在一定程度上提高衰減效果,但增大到一定值時,這種衰減效果就愈加不明顯了。因此單方面的增加分配層厚度是不科學的。Wu[6]等人研究表明沙土介質對爆炸波有較好的吸收阻尼作用。陸渝生[7]、張亞棟[8]等人對分配層結構和材料做了初步的研究,王肖鈞[1,9]、王禮立[10]、Wang[11]等人研究表明：合理的分層形式對核爆炸載荷的防護效果明顯優于單層結構。

本文對不同形狀、排列形式和結構的新型含孔穴結構的分配層進行了數值和試驗研究。

1 理論分析

1.1 分層結構

事實上,在一維線彈性情況下,假定強度為σI的入射波從聲阻抗為ρ0c0的介質垂直入射到聲阻抗為ρ1c1的介質,可知入射波經過交界面后透射波的強度σT為：

式中λ表示2種材料的聲阻抗之比。當ρ1c1無窮小時,可知其透射波強度趨于零,因此,如能夠在以上的分層介質中插入一層波阻抗無窮小即接近真空的介質材料,就能最大程度上消減應力波;然而,這種情況只是理論上存在,實際工程施工中是沒法實現的,而利用孔穴代替普通分層介質就能夠最大程度上接近這種情況,所以,在分配層中插入孔穴是一種在理論上最優的吸能設計。課題組曾就孔穴對應力波的繞射、隔離屏蔽作用進行了數值研究[12-14],研究表明,孔穴的存在能夠在較大程度上削弱應力波的強度,從而對孔穴后方的介質或結構起到保護作用。鄭志輝[15]等人的試驗也表明在防護層中存在空隙可加強對應力波的耗散。

同時,筆者對在孔穴上方置入一層薄鋼板的結構進行了研究。假設土的波阻抗為3.06×106kg/m2?s,混凝土的波阻抗為8.05×106kg/m2?s,鋼板的波阻抗為40.5×106kg/m2?s。

令λab、Tab、Fab分別表示a、b兩者介質的波阻抗比、交界面上的透射系數、反射系數,n表示在鋼板中的反射次數,即

則當分配層結構中不嵌含鋼板時,爆炸沖擊波由遮彈層進入分配層的透射系數為：

式中1代表遮彈層材料C40混凝土,2代表分配層材料黃土。

在分配層的混凝土和黃土之間嵌含鋼板時,爆炸沖擊波由遮彈層進入分配層的透射系數為：

式中1代表遮彈層材料C40混凝土,2代表嵌含的鋼板層,3代表應力分配層材料黃土。其中, (4)式中n=1時,即厚度足夠而不用考慮反射場時,其值為0.234,此時,嵌入鋼板使得透射系數有所減小,即起到了削波的作用。

然而,當鋼板足夠薄時,沖擊波在鋼板中的反射場不得不考慮,此時n值足夠大時,

從公式(5)可以看出,嵌入鋼板結構不僅不能削波,反而比不嵌含鋼板的結構的后方應力峰值更大。。而本次試驗中鋼板厚度相當薄(0.3 cm),所以當嵌入鋼板的方案3對應力波峰值的削波效果反而不如方案2。

1.2 圓形孔穴截面形狀

圖2 平面應力波在界面上的反射與透射

其中和分別表示縱波和橫波的波速。如令

目前，腹腔鏡手術已經成為臨床上治療結直腸癌的重要手段，其具有微創、切口美觀、術后胃腸功能恢復快等優勢[6]。在腹腔鏡下手術的操作視野更開闊，能提高腹腔各間隙操作的準確度，還能有效降低術后并發癥的發生，能夠有效彌補傳統開腹手術的諸多不足，減少術中出血，降低醫用紗布的使用量[7]。根據多項研究表明，兩種治療方法均具有良好療效，遠期局部復發率及轉移率均較低。 但相較于開腹手術而言腹腔鏡的手術時間更短、術中出血量更低、切口更小，手術安全性較高。另外腹腔鏡手術也能有效降低并發癥發生率，縮短患者的住院時間。

則反射P波和反射的SV波的強度滿足Knott方程：

由上可知,雖然此2種情況都能起到削波的作用,但弧形界面能夠產生漫射效應,對于有效空間,后者所反射的應力波明顯經過更長的路線,其反射波場明顯大于前者,如反射的波強度大于介質的破壞強度,后者的耗能作用明顯大于前者,所以,在分配層中布置弧形界面即圓孔的耗能效果應該強于矩形孔穴。這個結論與下文的現場化爆試驗結果完全吻合。

2 試驗設計及數值模型

試驗主要針對集團裝藥加載即模擬750磅航彈觸地爆炸或鉆地爆炸載荷作用于防護結構上的情況。該航彈的裝藥量為175 kg,裝藥的TNT當量系數為1.35,由于試驗模型的縮尺比1∶4,利用相似關系：

式中,pm、R、Q分別表示峰值應力、測點與爆炸源間的距離、炸藥量。可知模型中裝藥量應取為175×1.35/64=3.69 kg,而實際中是由18個塊狀TNT綁在一起組成,實際重量約為3.9 kg。試驗時裝藥位于遮彈層正上方中心位置,如圖3所示。圖中數字單位為cm,S1、S2、S3、S4、S5分別表示壓力傳感器設置點,其中,S1、S4、S5位置處于結構正下方的中心線上,S1、S2、S3處于分配層正下部。試驗中通過這些傳感器所測得的電壓時程曲線進行計算,從而獲得該節點的壓力時程曲線,并利用這些曲線及壓力峰值分析研究。

2.1 室外化爆試驗設計

集團裝藥下化爆試驗在解放軍工程兵科研三所進行,試驗中,采用量程范圍10～300MPa的PVDF壓力傳感器、YBF-3性寬帶應變放大器、三所自行研制的DHF-1寬頻電荷放大器、CS22125型瞬態采集系統分析儀采集和記錄各測點數據并利用波形整形技術進行處理。

圖3 相似模擬試驗模型

為了全面研究新型孔穴結構的吸能削波特性,試驗采用4個方案,并對其進行對比研究。第1方案為參考模型,即原有的分配層形式(圖4);第2方案是在第1方案的分配層中加入直徑為16 cm的圓管(圖5);第3方案是在孔穴上方加入一層厚度為0.3 cm厚的鋼板(圖6);第4方案是將第3方案中的圓形截面孔穴替換為矩形截面的孔穴(圖7)。

圖4 原始參考試驗布置圖

圖5 方案2試驗布置圖

圖6 方案3試驗布置圖

圖7 方案4試驗布置圖

2.2 數值計算模型

為了更系統地研究新型防護結構的防護效果,利用商業非線性軟件LS-DYNA對其進行數值模擬,其中模型的平面圖與上圖一致,模型厚度與寬度一致,并取1/4模型;同時,在四周的外表面和底面約束其法向位移,并將其外表面邊界條件設為透射邊界。本構模型方面,覆土和遮彈層中的鋼筋混凝土取理想彈塑性模型,下部砂土取帽蓋模型。

3 研究結果和分析

圖8 S1波形圖

表1 應力峰值測量數據表

續表1

從試驗結果表1、圖9-12我們可以看出：

圖9 4種方案中測點S1/S4/S5的應力峰值試驗數據

圖10 4種方案中測點S1/S4/S5的應力峰值計算數據

圖11 4種方案中測點S1/S2/S3的應力峰值試驗數據

圖12 4種方案中測點S1/S2/S3的應力峰值計算數據

1)圖中方案2、3、4中的3個測量點的應力峰值低于方案1中3個測點的應力峰值,這說明：方案2、3、4的防護效果優于方案1,防護層中孔穴的存在能夠起到削波吸能的作用,孔穴后方的應力峰值被明顯削弱,而且,這種削弱效果隨著測點距離孔穴越近而越明顯,這與孔穴的隔離繞射的數值分析和理論研究結果相符合[7-8]。

2)方案2的防護效果明顯強于方案3。這說明：在孔穴結構上方加入很薄的一層鋼板后,分配層結構的防護效果有較明顯的減弱。這與前面的理論分析結論相一致。這說明在此種新型孔穴結構中嵌含一層薄鋼板對分配層的削波性能是不利的,因此方案2的防護效果明顯強于方案3。

3)方案3的防護效果強于方案4。與上文的理論分析一致,這主要是因為矩形孔穴主要對平面應力波進行正反射,而在矩形孔穴與鋼板之間的介質太少,反射波在其中的路線過短,吸能效果有限,而且矩形孔穴的抗壓吸能也遠遠不如圓形孔穴,但由于在孔穴上方嵌入鋼板,所以其差距不是非常大。

4 結 論

根據上述試驗和數值計算結果及其理論分析可以看出：

1)孔穴在防護層的應力分配層設計中起到重要的作用,含不同形式的孔穴的分配層可以大大削弱航彈觸地或鉆地爆炸沖擊作用在地下結構上的峰值載荷,因此在工程中具有重要的應用價值。

2)在分配層中孔穴結構的上方嵌入一層較薄的鋼板后,孔穴后方的應力峰值應力不僅沒有得到降低,反而出現增加的現象。這主要是因為鋼板的厚度較薄和其影響孔穴表面的漫射從而影響結構的削波性能。

3)在分配層中嵌入孔穴的截面形狀對其結構的削波吸能性能有很大的影響,其中,圓形截面的孔穴的防護效果明顯強于矩形孔穴的防護效果。

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(編輯 王秀玲)

Clipping Performance of Advanced Structure under Exp losion of Mass Ammunition

GAOGuang-fa1,2,LIYong-chi2,LUOWen-chao2,YAOLei2

(1.Schoo l of Energy and Safety,Anhui University of Science and Techno logy,H uainan 232001,Anhui,P.R.China; 2.Departmentof Modern Mechanics,University of Science and Techno logy of China,Hefei230027,P.R.China)

An advanced structure containing cavities is adopted in distribution layers.A seriesof large-scale similarity-simu lation tests are carried out on defense effect of the four structures formass amm unition,and numerical simulations are developed by LS-DYNA software.The results indicate that the stress peak is distinctively decayed behind the cavities,and the defense effect of circu lar-section cavity ism ore effective than that of rectangle-section cavity.But because the transm ission coefficient of stress waves of the structure increases,the defense effect is weakened when a thin steel p late is laid above the cavities.

engineering research;exp losion testing;mechanics of exp losion;anti-explosion design; distribution layer;cavity

TU751.P

A

1674-4764(2011)03-0057-06

2010-10-15

國家自然科學基金項目(50802092);國家人防科研“十一五”規劃項目

高光發(1980-),男,博士,副教授,主要從事應力波理論及應用、工程安全及防護技術研究,(E-mail)gfgao@ustc.edu.cn。