高光發(fā),李永池,羅文超,姚 磊

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院,安徽淮南 232001;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系,合肥 230027)

集團(tuán)裝藥爆炸下新型結(jié)構(gòu)的削波性能

高光發(fā)1,2,李永池2,羅文超2,姚 磊2

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院,安徽淮南 232001;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系,合肥 230027)

采用含孔穴的新型結(jié)構(gòu)作為人防工程中的分配層,利用集團(tuán)裝藥爆炸模擬航彈觸地爆炸,對4種分配層結(jié)構(gòu)抗集團(tuán)爆炸載荷的防護(hù)效果進(jìn)行了相似模擬室外化爆試驗(yàn),并利用非線性軟件LS-DYNA對該此4種模型進(jìn)行了數(shù)值仿真。結(jié)果表明：同樣厚度下,孔穴的存在使得后方的應(yīng)力峰值被明顯削弱,而且圓形孔穴對應(yīng)力峰值的削弱程度要明顯強(qiáng)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(yīng)力的削弱效果減弱,這是因?yàn)榍逗′摪搴髴?yīng)力波的透射系數(shù)增大。研究結(jié)果為抗爆防震工程中新型防護(hù)層的科學(xué)設(shè)計(jì)提供了一定理論依據(jù)。

工程研究;爆炸試驗(yàn);爆炸力學(xué);抗爆設(shè)計(jì);分配層;孔穴

目前,隨著核武器向著小型化、鉆地化、精確化、實(shí)用化和常規(guī)化方向發(fā)展,實(shí)施“外科手術(shù)室”的有限核打擊的可能性反而大大增加[1]。人防工程在戰(zhàn)時(shí)肩負(fù)著抗核武器非直接命中和常規(guī)武器直接命中的防護(hù)使命,挖掘修建的成層式淺埋結(jié)構(gòu)是人防工程的常見形式,典型的成層式人防工程結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要有偽裝土層、遮彈層、分配層和支撐結(jié)構(gòu)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(hù)效果進(jìn)行了研究,研究認(rèn)為分配層的厚度增大時(shí),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(jié)構(gòu)上的載荷愈加均勻,有利于防護(hù)。Yankelevsky[3]對地下土壤內(nèi)近固壁的柱狀裝藥爆炸的情況進(jìn)行深入的研究,認(rèn)為裝藥中心與固壁的距離等因素對土壤中的應(yīng)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(zhì)中的傳播與衰減特性,當(dāng)厚度較小時(shí),發(fā)現(xiàn)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(shí),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(xué)的。Wu[6]等人研究表明沙土介質(zhì)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(jié)構(gòu)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(hù)效果明顯優(yōu)于單層結(jié)構(gòu)。

本文對不同形狀、排列形式和結(jié)構(gòu)的新型含孔穴結(jié)構(gòu)的分配層進(jìn)行了數(shù)值和試驗(yàn)研究。

1 理論分析

1.1 分層結(jié)構(gòu)

事實(shí)上,在一維線彈性情況下,假定強(qiáng)度為σI的入射波從聲阻抗為ρ0c0的介質(zhì)垂直入射到聲阻抗為ρ1c1的介質(zhì),可知入射波經(jīng)過交界面后透射波的強(qiáng)度σT為：

式中λ表示2種材料的聲阻抗之比。當(dāng)ρ1c1無窮小時(shí),可知其透射波強(qiáng)度趨于零,因此,如能夠在以上的分層介質(zhì)中插入一層波阻抗無窮小即接近真空的介質(zhì)材料,就能最大程度上消減應(yīng)力波;然而,這種情況只是理論上存在,實(shí)際工程施工中是沒法實(shí)現(xiàn)的,而利用孔穴代替普通分層介質(zhì)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(yōu)的吸能設(shè)計(jì)。課題組曾就孔穴對應(yīng)力波的繞射、隔離屏蔽作用進(jìn)行了數(shù)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(yīng)力波的強(qiáng)度,從而對孔穴后方的介質(zhì)或結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用。鄭志輝[15]等人的試驗(yàn)也表明在防護(hù)層中存在空隙可加強(qiáng)對應(yīng)力波的耗散。

同時(shí),筆者對在孔穴上方置入一層薄鋼板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。假設(shè)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(zhì)的波阻抗比、交界面上的透射系數(shù)、反射系數(shù),n表示在鋼板中的反射次數(shù),即

則當(dāng)分配層結(jié)構(gòu)中不嵌含鋼板時(shí),爆炸沖擊波由遮彈層進(jìn)入分配層的透射系數(shù)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(shí),爆炸沖擊波由遮彈層進(jìn)入分配層的透射系數(shù)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(yīng)力分配層材料黃土。其中, (4)式中n=1時(shí),即厚度足夠而不用考慮反射場時(shí),其值為0.234,此時(shí),嵌入鋼板使得透射系數(shù)有所減小,即起到了削波的作用。

然而,當(dāng)鋼板足夠薄時(shí),沖擊波在鋼板中的反射場不得不考慮,此時(shí)n值足夠大時(shí),

從公式(5)可以看出,嵌入鋼板結(jié)構(gòu)不僅不能削波,反而比不嵌含鋼板的結(jié)構(gòu)的后方應(yīng)力峰值更大。。而本次試驗(yàn)中鋼板厚度相當(dāng)薄(0.3 cm),所以當(dāng)嵌入鋼板的方案3對應(yīng)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(yīng)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(shù)已經(jīng)成為臨床上治療結(jié)直腸癌的重要手段，其具有微創(chuàng)、切口美觀、術(shù)后胃腸功能恢復(fù)快等優(yōu)勢[6]。在腹腔鏡下手術(shù)的操作視野更開闊，能提高腹腔各間隙操作的準(zhǔn)確度，還能有效降低術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)開腹手術(shù)的諸多不足，減少術(shù)中出血，降低醫(yī)用紗布的使用量[7]。根據(jù)多項(xiàng)研究表明，兩種治療方法均具有良好療效，遠(yuǎn)期局部復(fù)發(fā)率及轉(zhuǎn)移率均較低。 但相較于開腹手術(shù)而言腹腔鏡的手術(shù)時(shí)間更短、術(shù)中出血量更低、切口更小，手術(shù)安全性較高。另外腹腔鏡手術(shù)也能有效降低并發(fā)癥發(fā)生率，縮短患者的住院時(shí)間。

則反射P波和反射的SV波的強(qiáng)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(chǎn)生漫射效應(yīng),對于有效空間,后者所反射的應(yīng)力波明顯經(jīng)過更長的路線,其反射波場明顯大于前者,如反射的波強(qiáng)度大于介質(zhì)的破壞強(qiáng)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(yīng)該強(qiáng)于矩形孔穴。這個(gè)結(jié)論與下文的現(xiàn)場化爆試驗(yàn)結(jié)果完全吻合。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)值模型

試驗(yàn)主要針對集團(tuán)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(hù)結(jié)構(gòu)上的情況。該航彈的裝藥量為175 kg,裝藥的TNT當(dāng)量系數(shù)為1.35,由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目s尺比1∶4,利用相似關(guān)系：

式中,pm、R、Q分別表示峰值應(yīng)力、測點(diǎn)與爆炸源間的距離、炸藥量?？芍Ｐ椭醒b藥量應(yīng)取為175×1.35/64=3.69 kg,而實(shí)際中是由18個(gè)塊狀TNT綁在一起組成,實(shí)際重量約為3.9 kg。試驗(yàn)時(shí)裝藥位于遮彈層正上方中心位置,如圖3所示。圖中數(shù)字單位為cm,S1、S2、S3、S4、S5分別表示壓力傳感器設(shè)置點(diǎn),其中,S1、S4、S5位置處于結(jié)構(gòu)正下方的中心線上,S1、S2、S3處于分配層正下部。試驗(yàn)中通過這些傳感器所測得的電壓時(shí)程曲線進(jìn)行計(jì)算,從而獲得該節(jié)點(diǎn)的壓力時(shí)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(yàn)設(shè)計(jì)

集團(tuán)裝藥下化爆試驗(yàn)在解放軍工程兵科研三所進(jìn)行,試驗(yàn)中,采用量程范圍10～300MPa的PVDF壓力傳感器、YBF-3性寬帶應(yīng)變放大器、三所自行研制的DHF-1寬頻電荷放大器、CS22125型瞬態(tài)采集系統(tǒng)分析儀采集和記錄各測點(diǎn)數(shù)據(jù)并利用波形整形技術(shù)進(jìn)行處理。

圖3 相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

為了全面研究新型孔穴結(jié)構(gòu)的吸能削波特性,試驗(yàn)采用4個(gè)方案,并對其進(jìn)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(yàn)布置圖

圖5 方案2試驗(yàn)布置圖

圖6 方案3試驗(yàn)布置圖

圖7 方案4試驗(yàn)布置圖

2.2 數(shù)值計(jì)算模型

為了更系統(tǒng)地研究新型防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果,利用商業(yè)非線性軟件LS-DYNA對其進(jìn)行數(shù)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(shí),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(shè)為透射邊界。本構(gòu)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(jié)果和分析

圖8 S1波形圖

表1 應(yīng)力峰值測量數(shù)據(jù)表

續(xù)表1

從試驗(yàn)結(jié)果表1、圖9-12我們可以看出：

圖9 4種方案中測點(diǎn)S1/S4/S5的應(yīng)力峰值試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖10 4種方案中測點(diǎn)S1/S4/S5的應(yīng)力峰值計(jì)算數(shù)據(jù)

圖11 4種方案中測點(diǎn)S1/S2/S3的應(yīng)力峰值試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖12 4種方案中測點(diǎn)S1/S2/S3的應(yīng)力峰值計(jì)算數(shù)據(jù)

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

2)方案2的防護(hù)效果明顯強(qiáng)于方案3。這說明：在孔穴結(jié)構(gòu)上方加入很薄的一層鋼板后,分配層結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果有較明顯的減弱。這與前面的理論分析結(jié)論相一致。這說明在此種新型孔穴結(jié)構(gòu)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(hù)效果明顯強(qiáng)于方案3。

3)方案3的防護(hù)效果強(qiáng)于方案4。與上文的理論分析一致,這主要是因?yàn)榫匦慰籽ㄖ饕獙ζ矫鎽?yīng)力波進(jìn)行正反射,而在矩形孔穴與鋼板之間的介質(zhì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jié) 論

根據(jù)上述試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果及其理論分析可以看出：

1)孔穴在防護(hù)層的應(yīng)力分配層設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)上的峰值載荷,因此在工程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

2)在分配層中孔穴結(jié)構(gòu)的上方嵌入一層較薄的鋼板后,孔穴后方的應(yīng)力峰值應(yīng)力不僅沒有得到降低,反而出現(xiàn)增加的現(xiàn)象。這主要是因?yàn)殇摪宓暮穸容^薄和其影響孔穴表面的漫射從而影響結(jié)構(gòu)的削波性能。

3)在分配層中嵌入孔穴的截面形狀對其結(jié)構(gòu)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(hù)效果明顯強(qiáng)于矩形孔穴的防護(hù)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(xué)基金項(xiàng)目(50802092);國家人防科研“十一五”規(guī)劃項(xiàng)目

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