鋁纖維炸藥土中擴腔現場實驗與數值模擬*

萬曉智，馬宏昊，沈兆武，陳 偉

(中國科學技術大學近代力學系,安徽 合肥 230027)

鋁纖維炸藥土中擴腔現場實驗與數值模擬*

萬曉智，馬宏昊，沈兆武，陳 偉

(中國科學技術大學近代力學系,安徽 合肥 230027)

為檢驗鋁纖維炸藥的做功能力，對鋁纖維炸藥土中爆炸擴腔現象進行實驗，并采用ANSYS/LS-DYNA軟件進行數值模擬，得出鋁纖維炸藥爆腔半徑隨藥量變化的關系。結果表明，現場實驗與數值模擬均能較好地表征鋁纖維炸藥土中爆炸擴腔的規律，鋁纖維炸藥相對于工業乳化炸藥做功能力強，且由于其成型效果好等特點，應用于一些復雜的環境能夠取得理想效果，可為類似工程提供參考。

爆炸力學；爆炸擴腔；ANSYS/LS-DYNA軟件；鋁纖維炸藥

含鋁炸藥作為軍用混合炸藥，其性能優良，已廣泛應用于空中和水下兵器戰斗部中。鋁纖維炸藥是一種新型含鋁炸藥，具有高能量密度、高安全以及高力學強度的特點，廖學燕[1]通過系列實驗進行了相關驗證，但沒有對其進行土中爆炸擴腔實驗。炸藥在土體封閉的情況下，爆轟產物保持較長時間的高溫高壓狀態，能量釋放更加完全，能全面地反應炸藥的爆炸做功能力，且此法相對鉛壔法、威力擺、圓筒實驗及水下實驗等方法操作步驟簡便，成本低，無需專門儀器設備，且土體材料接近實際，具有工程參考價值。炸藥土中爆炸擴腔是一種非常實用的爆破技術，具有成本低、耗時少、效率高等優點。該技術的主要原理在于藥包爆炸時，產生的沖擊波和爆轟氣體將周圍土介質極度壓縮，從而形成一個空腔。很多學者對炸藥土中爆炸發展規律、爆腔特征等進行了相關研究[2-5]。任曉亮等[6]、趙均海等[7]應用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬了炸藥土中擴腔的過程，王海亮等[8-9]進行了大量現場實驗，建立了爆腔半徑計算公式。但在實際應用中，不同的場地環境和裝藥條件等對炸藥擴腔效果影響顯著，準確獲取公式中的經驗系數存在一定困難。李小雷等[10]應用AUTODYN軟件模擬了含鋁炸藥在混凝土中的爆炸效應，結果表明含鋁炸藥比理想炸藥做功能力強，且當鋁含量為20%時爆腔半徑最大。

本文中通過炸藥土中爆炸擴腔的現場實驗與數值模擬方法檢驗鋁纖維炸藥的做功能力，并與工業乳化炸藥做比較，通過結果分析對鋁纖維炸藥爆腔半徑隨藥量的關系進行調整，為一些復雜環境下(小范圍地下爆破、鉆孔難度大、裝藥條件差)等類似工程提供參考。

1 實 驗

為表征鋁纖維炸藥土中擴腔規律，針對不同藥量的鋁纖維炸藥進行了現場實驗，并與工業乳化炸藥進行對比。鋁纖維炸藥各組分質量分數分別為：w(RDX)=76%,w(WAX)=4%,w(鋁纖維)=20%。乳化炸藥為普通工業乳化炸藥。為減少地表面稀疏波對爆腔成形帶來的影響，參考王海亮等[8-9]不同炸藥在不同土壤中爆炸擴腔的經驗系數，炸藥埋深分別設為40、50、60和60 cm，垂直地面鉆孔，炮孔上方用細砂填塞嚴實，所有炸藥采用飛片式無起爆藥雷管引爆。空腔形成以后，將攪拌好的混凝土填入，待固化后將混凝土模型取出，可直觀地分析各個爆腔的特征，如圖1所示。測量其各項參數，為減小實驗誤差，測量橫向與縱向半徑時，實驗假設爆腔呈橢球形，設爆腔橫向尺寸為a，縱向尺寸為b，并進行多次測量取平均值，各參數見表1所示。

圖1 現場實驗爆腔效果圖Fig.1 Explosion cavities in experiment

表1 實驗中爆腔特征參數Table 1 Characteristic parameters of explosion cavities in experiment

2 數值模擬

圖2 計算模型 Fig.2 Calculation model

為了更加形象地觀察炸藥土中爆炸擴腔的過程，對照現場實驗參數建立各個模型并進行數值模擬。

2.1 計算模型

計算模型由土體、炸藥和空氣等3部分組成。炸藥分別采用RDX基含20%鋁纖維的混合炸藥與乳化炸藥，采用耦合裝藥，中心點起爆。藥柱的計算模型如圖2所示。整個系統為三維軸對稱問題，因此可只建立1/4模型，采用單層實體歐拉網格，多物質ALE算法。模型底部和右側采用無反射邊界條件，其他采用固定邊界條件，求解終止時間設置為5 ms。

2.2 計算參數

2.2.1 炸藥

采用HIGH_EXPLOSIVE_BURE材料模型和JWL狀態方程進行數值模擬[11]：

(1)

式中:p為爆轟產物壓力，E為單位體積炸藥的內能，V為相對體積。鋁纖維炸藥與傳統含鋁炸藥水下爆炸性能相近[12]，因此鋁纖維炸藥材料參數參考傳統含鋁炸藥：ρ=1.65 g/cm3，D=0.78 cm/μs，pCJ=0.218 g·cm-1·μs2，A=7.52 g/(cm·μs2)，B=0.12 g/(cm·μs2)，R1=4.4，R2=1.3，ω=0.33，E=0.106 cm2/μs2。對于乳化炸藥[13]：ρ=1.19 g/cm3，D=0.45 cm/μs，pCJ=0.06 g·cm-1·μs2，A=2.144 g/(cm·μs2)，B=0.0018 g/(cm·μs2)，R1=4.2，R2=0.9，ω=0.15，E=0.042 cm2/μs2。鋁纖維炸藥分1、2、3號藥柱，模型尺寸分別為2 cm×2 cm×1.5 cm, 2 cm×2 cm×3 cm, 2 cm×2 cm×4.5 cm；乳化炸藥為4號藥柱，模型尺寸為2.4 cm×2.4 cm×4.2 cm。

2.2.2 土體

采用LS-DYNA中的MAT_SOIL_AND_FOAM材料模型，土介質的各材料參數可見文獻[7]。

2.2.3 空氣

可用MAT_NULL材料模型和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL狀態方程來描述空氣材料的本構關系和狀態方程，其表達式為：

p=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E

(2)

式中：C0C6為系數,E為內能；空氣材料狀態方程各參數可見文獻[7]。

2.3 計算結果分析

炸藥中心起爆后，爆炸產生的高溫、高壓氣體沖擊藥包周圍土介質，同時產生強爆炸沖擊波在土介質中傳播。在高溫、高壓氣體和沖擊波的聯合作用下，藥包周圍的土介質發生劇烈的塑性變形，形成空腔破碎區。爆炸沖擊波波陣面隨時間向前移動，超壓逐漸衰減；沖擊后，大量能量被消耗，爆炸氣體的壓力和溫度大大降低，在距藥包一定距離處，超壓低于土體的強度極限，土體保持原來的結構形態。各個計算模型爆腔的形狀如圖3所示，數值模擬結果列于表2，設計算得到的乳化炸藥爆腔的體積為V0，爆熱為Q0，則計算出鋁纖維炸藥的爆腔體積和爆熱后即可得出相對體積V/V0和相對爆熱Q/Q0[14-15]。

圖3 計算得到的爆腔效果圖Fig.3 Explosion cavities by calculation

表2 計算得到的爆腔特征參數Table 2 Characteristic parameters of explosion cavities by calculation

3 數據分析

3.1 實驗

1號與3號藥柱爆炸形成的腔體縱向半徑略大于橫向半徑，符合集中裝藥在土中爆炸擴腔的基本規律；2號與4號藥柱爆炸形成的腔體縱向半徑略小于橫向半徑，主要原因有地下建筑垃圾引起土壤環境復雜，對爆腔的形成產生一定影響。在等藥量條件下，鋁纖維炸藥相對于乳化炸藥爆腔橫向半徑增大了15.6%，縱向半徑增大了21.6%，體積增大了54.1%。

3.2 數值模擬

從圖3中可以看出，爆腔呈橢球形，主要原因有爆腔在發展過程中受到地表自由面稀疏波的影響，使得后期爆腔上表面質點的運動速度大于下表面質點。1、2、3號藥柱爆腔半徑與體積隨藥量的增加逐漸增大，4號藥柱爆腔較小，乳化炸藥的做功能力明顯不如鋁纖維炸藥，主要原因有鋁纖維炸藥的沖擊波壓力高于乳化炸藥，且鋁纖維與爆炸產物的二次反應延緩了沖擊波壓力的衰減，有利于炸藥土中爆炸做功。鋁纖維炸藥相對乳化炸藥做功能力(相對體積)與相對爆熱值接近，說明該方法評價炸藥做功能力的合理可靠性。

圖4 鋁纖維炸藥爆腔半徑與藥量關系Fig.4 Relation between the radius of explosion cavity and the weight of aluminum fiber explosive

3.3 曲線擬合

現場實驗與數值模擬均能較好地反映炸藥土中擴腔的特征規律，由于模型參數、現場條件的選取，以及引爆炸藥所用的雷管相當于1 g RDX的藥量等，這些條件都會對爆腔產生一定影響，所以現場實驗爆腔與數值模擬爆腔的實際大小有所差異。將現場實驗與數值模擬數據進行線性擬合，對于集中裝藥，擬合公式可根據爆炸相似理論推導如下[8-9]：

R=k′W1/3

(3)

式中:R為爆腔半徑，m，由于假設爆腔呈橢球形，爆腔橫向尺寸為a，縱向尺寸為b，在實驗和數值計算中，用a、b代替R；W為藥柱質量，kg。對鋁纖維炸藥爆腔橫、縱向半徑進行線性擬合，得到經驗系數k′，如圖4所示。

從圖4中可以看出，數值模擬爆腔半徑曲線擬合效果較好，現場實驗中爆腔橫向半徑擬合效果不如縱向半徑擬合效果好，主要原因與地下建筑垃圾造成土壤環境復雜有關。將鋁纖維炸藥爆腔半徑擬合得到的經驗系數k′值與乳化炸藥爆腔半徑計算得到的經驗系數k′值列于表3。王海亮等[8-9]在研究乳化炸藥在不同土壤爆炸擴腔規律時得到的k′約為0.24～0.65 m/kg1/3，本文中實驗結果在其范圍之內，因此可認為實驗方法可靠，結果有效。

表3 不同炸藥爆腔半徑公式經驗系數Table 3 Empirical coefficients of the explosion cavity radius formulas for different explosives

4 工程實例

為體現鋁纖維炸藥爆炸擴腔的實際效果，將其用于實驗室水下爆炸塔糾偏工程，如圖5所示。

圖5 爆炸塔糾偏實驗Fig.5 Rectification of explosion tower

水下爆炸塔為直徑5 m、高度5 m的圓柱形水塔，由3 cm厚度鋼板焊接而成，塔底為12個64 cm×24 cm×2 cm的矩形鋼板環繞支撐結構。該塔在長時間用于炸藥水下爆炸性能測實后發生了一定的傾斜，東西側支撐鋼板高低相差30 cm。水塔地基多為壓實的建筑垃圾，在布置炮孔時手動鉆孔具有較大難度，應做到藥量、孔徑及孔深越小越好，本次選用鋁纖維炸藥，并參考炸藥縱向爆腔半徑公式計算取藥量15 g，利用現有模具將其壓制成圓柱形藥柱，炸藥在支撐鋼板地基土中爆炸形成一系列空腔，經測量，腔體橫向直徑在25～33 cm范圍內，縱向直徑在29～31 cm范圍內。在后續的水下爆炸實驗過程中，水下爆炸引起塔的振動，導致塔在振動與其自身重力的作用下重新將地基土壓實，爆炸塔得以糾偏。

5 結 論

(1)鋁纖維炸藥作為一種新型含鋁炸藥，其土中爆炸擴腔能力明顯優于工業乳化炸藥，鋁纖維與爆炸產物的二次反應延緩了沖擊波壓力的衰減，顯著增強了炸藥對土介質的做功能力。并且由于其成型效果好、力學強度高，相對于乳化炸藥降低了工程實際中裝藥難度。

(2)采用現場實驗與數值模擬的方法均能較好地反映鋁纖維炸藥土中爆炸擴腔的基本規律，炸藥爆腔隨藥量的增加逐漸增大，受地表自由面稀疏波影響，爆腔縱向半徑略大于橫向半徑，爆腔呈橢球形。地下建筑垃圾引起土壤環境復雜，對爆腔的發展產生了一定影響。

(3)鋁纖維炸藥相對乳化炸藥做功能力與相對爆熱值接近，且乳化炸藥爆腔半徑的經驗系數k′值與文獻[8-9]中k′值相吻合，說明通過炸藥土中爆炸擴腔來評價其做功能力的方法合理可靠。鋁纖維炸藥爆腔半徑隨藥量的變化關系，可為一些復雜環境下(小范圍地下爆破、鉆孔難度大、裝藥條件差)等類似工程提供參考。

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(責任編輯 王易難)

Experiment and numerical simulation of explosion cavity in soil by aluminum fiber explosive

Wan Xiaozhi, Ma Honghao, Shen Zhaowu, Chen Wei

(DepartmentofModernMechanics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230027,Anhui,China)

To evaluate the work capability of the aluminum fiber explosive, the field test of explosion cavity expansion in soil by aluminum fiber explosive was performed, and the numerical simulation analysis using the software of ANSYS/LS-DYNA was carried out for further investigation. The relationship between the radius of the explosion cavity and the explosive charge was obtained. Our results reveal that both of the two methods provide a fairly good characterization of the law of expansion during the explosion cavity process in soil of aluminum fiber explosive, and the characteristics the aluminum fiber explosive exhibit are better than those of the emulsion explosive in modelling and work ability, which offers a promising application when used in complicated environments and provides a reference for similar engineering projects.

mechanics of explosion; explosion cavity; ANSYS/LS-DYNA; aluminum fiber explosive

10.11883/1001-1455(2016)02-0236-06

2014-09-02；

國家自然科學基金項目(51134012,51174183)

萬曉智(1986— )，男，碩士研究生;

馬宏昊，hhma@ustc.edu.cn。

O383.1 國標學科代碼： 13035

A

修回日期： 2015-03-03