水中鋼板爆破水介質對裝藥量的影響

姜 濤,詹發民,周方毅,馬貴義

(海軍潛艇學院，山東 青島 267011)

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水中鋼板爆破水介質對裝藥量的影響

姜 濤,詹發民,周方毅,馬貴義

(海軍潛艇學院，山東 青島 267011)

為分析水介質對水中鋼板爆破裝藥量的影響，理論推導了鋼板背襯水介質條件下，鋼板爆破最小裝藥量與空氣中鋼板爆破最小裝藥量的倍數關系：最小倍數關系為3.76。數值計算了鋼板背襯空氣介質和背襯水介質情形下鋼板爆破的最小裝藥量，其倍數關系在3.5左右，與理論結果相近，表明鋼板背襯水介質或空氣介質是決定裝藥量大小的關鍵因素。數值計算了裝藥在空氣介質中及水介質中鋼板爆破爆轟產物對鋼板的沖量大小，結果接近，表明水介質對炸藥爆轟產物的約束作用是影響水中鋼板裝藥量的次要因素。

爆炸力學；水介質;水下爆破；裝藥量；接觸爆破

水中接觸爆破與空氣中接觸爆破有許多共同之處，例如，爆破對目標的作用主要是爆轟產物的作用，對目標的破壞屬于局部破壞等。水中接觸爆破與空氣中接觸爆破的不同之處在于空氣的密度小，對爆破的影響可以忽略不計，而水的密度比空氣大得多，水的密度與裝藥的密度和破壞目標的密度屬于同一個數量級，對爆破影響較大，不能忽略。一般認為，水介質對爆破的影響是雙重的。一方面，水介質阻礙爆轟產物飛散，延長了爆轟產物對目標的作用時間，增大了對目標的作用；另一方面，也阻礙目標被破壞部分發生位移，增強了目標對爆轟產物的抵抗力[1-3]。在實際工程應用中，水中爆破鋼板有時鋼板全在水中，有時鋼板一面在水中，一面在空氣中；裝藥也會根據需要布設在水中，或是布設在空氣介質中。那么根據鋼板和炸藥所在介質的不同，可以將鋼板爆破分為以下4種情形：

(1)炸藥與鋼板均在空氣中(記為：空氣/空氣)；

(2)炸藥與鋼板均在水中(記為：水/水)；

(3)鋼板一側在水中，一側在空氣中，炸藥在空氣中(記為：水/空氣)；

(4)鋼板一側在水中，一側在空氣中，炸藥在水中(記為：空氣/水)。

由于水介質對爆轟產物的約束作用以及水介質對鋼板運動的阻礙作用，4種情形鋼板爆破需要的最小裝藥量應該有所不同。已經有相關研究理論上推導了上述4種情形鋼板爆破最小裝藥量之間的關系。隨著數值計算方法的發展和計算機性能的提升，有限元數值計算方法已經成為研究水下爆破技術的重要手段。本文中應用AutoDyn有限元數值計算軟件，主要計算鋼板背襯空氣介質和水介質條件下，爆破炸穿鋼板所需的最小裝藥量之間的關系。對鋼板背襯水介質阻礙鋼板運動對鋼板爆破最小裝藥量的影響進行數值計算結果與理論推導結果的比較。

1 理論推導

鋼板背襯水介質時，在爆炸造成對鋼板穿孔的過程中，與鋼板接觸的一定范圍內的水一同與破壞部分參與了運動，這就是與鋼板背襯空氣介質爆破不一樣地方。

圖1 水獲得運動速度的范圍Fig.1 Range of water movement

接觸爆破背襯水介質時，鋼板后獲得運動速度的水的范圍，約為鋼板爆破震落漏斗在水中擴大到距離為hc的范圍，如圖1所示，根據實驗得出[1,4]，hc=20h(h為鋼板厚度)。也就是說，裝藥爆破鋼板不但要使鋼板震落漏斗獲得速度，還要使鋼板震落漏斗后范圍為hc的水介質同樣獲得速度。那么接觸爆破背襯水介質條件的鋼板，要獲得與背襯空氣介質同樣大小的沖量，需要使鋼板連同水介質一起獲得的沖量應為鋼板背襯空氣介質條件下的

(1)

式中:ρ為鋼板密度，ρc為水的密度。這表明：鋼板背襯水介質時，爆破所需要的裝藥量是鋼板背襯空氣介質爆破所需裝藥量的3.56倍。

圖2 有限元模型及測試點設置Fig.2 FEM model and gauge position

2 數值計算

2.1 有限元模型

有限元模型包括水、空氣、TNT炸藥以及鋼板，如圖2所示。根據鋼板背襯水介質及空氣介質的不同，分別建立鋼板背襯水介質和空氣介質的有限元模型。炸藥布設于空氣介質中。基于模型的對稱性，建立1/4模型。模型中的水、空氣、炸藥采用歐拉網格劃分，鋼板為shell單元網格。單元網格劃分大小為：歐拉網格大小為邊長1 cm的六面體，shell網格大小為邊長2 cm的四邊形，shell單元的厚度為1 cm。模型中的水、空氣、炸藥、鋼板(S4340鋼)的材料模型和狀態方程參數均采用AutoDyn軟件自帶材料模型參數[5-7]。

圖3 空氣介質中爆破鋼板實驗及爆破效果Fig.3 Setup and result of demolish steel plate experiment

為了檢驗有限元模型，首先應用200 g TNT藥塊爆破背襯空氣介質條件下的鋼板，并與數值計算結果進行了比較，以驗證模型中的材料參數。實驗結果與數值計算結果較為吻合。圖3為200 g TNT藥塊在空氣介質中爆破時鋼板實驗設置及爆破效果圖，圖4為應用AutoDyn軟件的數值計算結果。

圖4 空氣介質中鋼板爆破數值模擬結果Fig.4 Numerical simulation result of demolish steel plate

2.2 數值模擬結果

主要分析鋼板背襯水介質對鋼板爆破裝藥量的影響。為便于比較，炸藥的橫截面為正方形，邊長為12 cm。鋼板背襯水介質和背襯空氣介質2種情形中，炸藥高度均從2 cm開始逐漸增加，直至鋼板炸穿。得到炸穿背襯水介質和背襯空氣介質鋼板所需的最小裝藥量。鋼板背襯空氣介質鋼板爆破所需最小裝藥量的數值模擬結果如圖5(a)所示，鋼板背襯水介質鋼板爆破所需最小裝藥量的數值模擬結果如圖5(b)所示。

圖5 鋼板背襯水介質和背襯空氣介質最小裝藥量及鋼板爆破結果Fig.5 Results from FEM simulation for two models with steals backing water and air respectively

2.3 數值模擬結果分析

數值模擬結果表明，鋼板背襯水介質與鋼板背襯空氣介質炸穿鋼板所需最小裝藥量的倍數關系為3.5倍(7∶2)，與理論分析的結果3.76倍接近。鋼板背襯介質為水時，水介質對鋼板的阻礙作用對裝藥量的影響，理論分析的結果與數值模擬結果一致。為進一步說明水介質對鋼板運動的阻礙作用，分析同等裝藥量(裝藥高度14 cm)炸穿鋼板后，鋼板破片在水介質中和空氣水介質中的初始飛行速度。鋼板背襯水介質，鋼板破片的運動速度為200 m/s,如圖6所示；而鋼板背襯空氣介質，鋼板破片的運動速度為600 m/s，如圖7所示。可見，水介質對鋼板運動起到的阻礙作用是不容忽視的。

圖6 背襯水介質鋼板破片速度Fig.6 Velocities of steel fragment backing on water

圖7 背襯空氣介質鋼板破片速度Fig.7 Velocities of steel fragment backing on air

水介質除阻礙鋼板運動外，還對爆轟產物具有約束作用。水介質的存在限制了徑向稀疏波向裝藥內部的擴展，使裝藥端面單位面積沖量增加。沖量的增加體現在哪個表面受到約束，哪個表面的單位面積沖量就增加，而對其他表面沖量的增加影響不大。所以，水對爆轟產物的約束作用對于作用于鋼板上的沖量影響不大。而對作用于鋼板上沖量的影響主要是鋼板自身的約束，所以裝藥在水中和空氣中爆炸，對作用于鋼板上的沖量影響很小。這一結論通過炸藥分別在水中和空氣介質中爆炸時測點1～3(圖2)的沖量時間歷程曲線可以驗證。炸藥在空氣中爆炸(見圖8(a))與炸藥在水中爆炸(見圖8(b))時測點1(貼近鋼板的測點)的沖量大小基本相等；炸藥在水介質中爆炸時測點2～3的沖量大于炸藥在空氣介質中爆炸時測點2～3的沖量。 可見，水介質對爆轟產物的約束作用對鋼板爆破裝藥量計算影響不大。

圖8 測試點沖量時間歷程曲線Fig.8 Impulse curves at different measuring points

3 結 論

理論分析得到鋼板背襯水介質和背襯空氣介質條件下，爆破鋼板最小裝藥量的倍數關系為3.76倍。應用有限元數值計算方法，計算得到鋼板背襯水介質和背襯空氣介質條件下爆破鋼板最小裝藥量的倍數關系為3.5倍，理論分析與數值計算結論較為接近，驗證了水介質的存在對鋼板爆破最小裝藥量的影響。在水下鋼板爆破裝藥量計算時，應充分考慮鋼板背襯介質的影響，鋼板背襯水介質時，裝藥量應為鋼板背襯空氣介質的3.5倍左右。鋼板背襯水介質對鋼板運動的阻礙作用是影響鋼板爆破裝藥量計算的首要因素。同時數值計算了水介質對爆轟產物約束作用對鋼板獲得沖量大小的影響，結果表明，水介質對爆轟產物的約束作用對鋼板獲得沖量大小影響不大。

[1] 齊世福．炸藥及爆炸作用[M]．南京：解放軍理工大學出版社，2004． [2] 葉序雙．爆炸作用基礎[M]．南京：解放軍理工大學出版社，2001． [3] 陳刊，齊世福，馮偉濤．沉船清障中矩形截面直列裝藥作用研究[J]．中國水運，2011，11(2)：133-134． [4] Wood S L. Cavitation effects on a ship-like box structure subjected to an underwater explosion[D]. USA: Naval Postgraduate School，1998． [5] 姜濤，由文立，張可玉,等．水中爆炸表面空穴的理論研究[J]．爆炸與沖擊，2011，31(1)：19-24． Jiang Tao, You Wen-li, Zhang Ke-yu, et al. Study on the thoery of bulk cavitation from underwater explosion[J]. Explosion and Shock Waves, 2011,31(1):19-24.

[6] Autodyn Theory Manual Version4.3[Z]. Century Dynamic Corporation. USA, 2005． [7] Ansys AutoDyn help Manual[Z]. Century Dynamic Corporation. USA, 2005．

(責任編輯 曾月蓉)

Effects of water medium on charge mass for demolishing steel plate underwater explosion

Jiang Tao, Zhan Fa-min, Zhou Fang-yi, Ma Gui-yi

(NavySubmarineAcademy,Qingdao267011,Shandong,China)

To study the effect of water on charge mass for demolishing steel plate, the relationship of charge mass between steel plate backing on air and backing on water is analyzed. The results show that the charge mass for backing on water is 3.68 times the charge mass for backing on air. The charge mass is calculated with FEM method for explosions with steel plate backing on air and water. The results show that the charge mass for steel plate backing on air is 3.5 times the charge mass for steel plate backing on water, which is accordant with theoretical analysis. So the medium that steel plate backs on is the key factor for determing charge mass of cutting steel plate. The impulses on steel plate are almost equal for backing on air and backing on water, which indicates that the water constraining force on the detonation products can not afeect the charge mass much.

mechanics of explosion; water medium; underwater explosion; charge mass; contact explosion

10.11883/1001-1455(2015)01-0089-05

2013-06-28；

2013-11-27

姜 濤(1979— )，男，博士,講師,374375340@qq.com。

O382.1 國標學科代碼： 13035

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