梁 斌,錢立新,任時成

(中國工程物理研究院總體工程研究所,四川綿陽 621900)

0 引言

機場跑道等分層介質(zhì)中爆炸破壞效應的研究是一個非常復雜的問題,涉及沖擊波的傳播,土壤、卵石層和混凝土層在高溫、高壓、高應變率條件下的動態(tài)力學行為,以及氣態(tài)爆轟產(chǎn)物和固態(tài)介質(zhì)之間的、固態(tài)多層介質(zhì)之間的相互作用等問題[1]。影響跑道爆炸破壞效應因素較多,文中主要分析裝藥埋深對爆炸破壞效應的影響,采用數(shù)值模擬方法可減少代價昂貴的實驗研究,解釋和分析實驗結果,有助于深入了解爆轟作用的機理。

文中采用AUTODYN程序模擬了裝藥在跑道不同埋深下爆炸產(chǎn)生破壞的過程,得到了裝藥埋深與跑道破壞參數(shù)之間的初步規(guī)律。模擬結果表明,對于一定結構的裝藥,存在一個最佳爆炸深度使其爆炸能量利用率達到最高,對跑道的破環(huán)作用效果較好,其計算分析結果可為提高裝藥結構威力設計提供參考依據(jù)。同時為進一步探索跑道中爆炸機理和爆破規(guī)律奠定了基礎。

1 初始條件和計算模型

1.1 初始條件

圖1 典型一級軍用機場跑道結構

機場跑道由混凝土面層、卵石層和壓實土壤層組成(如圖1),對于一級軍用機場跑道[2],厚度分別為350mm、400mm和500mm,壓實土層下為當?shù)刈匀坏刭|(zhì)材料,為便于分析,同樣取為壓實土。數(shù)值計算中,為減小土壤層厚度方向邊界效應對計算結果的影響,根據(jù)裝藥埋深不同,取壓實土層厚度分別為2250mm和5250mm。

1.2 計算模型建立

跑道各層材料模型簡化如下[2]:混凝土面層,采用RHT模型[4-5],抗壓強度50MPa,密度為2.44g/cm3;卵石層:卵石類離散介質(zhì),目前沒有合適的本構模型來描述,針對卵石與砂漿組成的穩(wěn)定層,相比之下,采用 RHT混凝土類脆性材料模擬性能相對接近,暫時采用混凝土模型代替,采用RHT模型,抗壓強度取為10MPa,由于卵石之間用砂漿粘結,其拉伸強度較低,抗拉強度取為1.5MPa,密度為 2.10g/cm3;壓實層:目前土壤在強動載荷下的本構模型研究還處在起步階段,還沒有合適的土壤動態(tài)計算本構模型,為簡化問題,結合土壤動態(tài)試驗結果,初步采用HJC模型模擬[6],抗壓強度取 4MPa,密度為1.84g/cm3。

彈體裝填5kg含鋁炸藥,藥柱直徑為88mm,長為480mm。炸藥采用High_Explosive_Burn模型,爆轟產(chǎn)物的等熵膨脹過程用JWL狀態(tài)方程描述[5,7]:

式中:E、Q分別為 CJ面前、后釋放的比內(nèi)能;V 為 比 容;A、B、R1、R2、ω為常數(shù) ;λ為非理想成分的燃燒分數(shù)。式(1)中,第一項在高壓段起主要作用,第二項在中壓段起主要作用,第三項代表低壓段。在爆轟產(chǎn)物膨脹的后期,方程式前兩項的作用可忽略,為加快求解速度,將炸藥從JWL狀態(tài)方程轉換為更為簡單的理想氣體狀態(tài)方程(絕熱指數(shù)γ=ω+1)。

炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)[3,5,7]如表1所示。

表1 炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)

1.3 裝藥在混凝土及土壤中爆炸計算與試驗結果的對比

通過數(shù)值模擬與試驗結果的對比,驗證混凝土以及土壤材料模型及參數(shù)。為此,對美軍標中提供的混凝土和土壤中靜爆破壞效應試驗分別進行數(shù)值模擬,并將數(shù)值模擬結果與試驗結果進行比對。

混凝土采用 RHT模型,抗壓強度為50MPa,土壤采用HJC模型,抗壓強度為5MPa。炸藥產(chǎn)物采用JWL狀態(tài)方程描述。粒子直徑10mm。裝藥為5kg含鋁炸藥,埋深0.4m。

漏斗坑尺寸計算值與試驗值比較如表2所示。從表中可以看出,爆破漏斗坑半徑與體積數(shù)值計算與試驗結果基本一致,說明本計算模型具有一定的合理性。

為分析裝藥埋深對靜爆破壞效應的影響,建立了2D軸對稱模型,從上到下依次為面層、卵石層和基層,跑道徑向尺寸R=4.0m,在跑道中設置不同的測量點,以便測取不同位置處爆炸響應參數(shù),埋深為1250mm情況下靜爆計算模型如圖2,為獲得跑道中不同位置處爆炸參數(shù),設置了相應的測量點(Gauege點)。采用SPH算法,粒子直徑均為 10mm。計算中,炸藥從爆轟到產(chǎn)物準靜態(tài)膨脹做功的階段,自動將爆轟產(chǎn)物轉化為理想氣體。

表2 數(shù)值計算與試驗結果[8-9]比較(5kg含鋁炸藥,埋深0.4m)

2 計算結果與討論

在裝藥和靶體不變的情況下,從裝藥中心距離跑道表面距離為0.3m開始計算,下一次計算將裝藥埋深逐漸增加 0.1m,直到跑道出現(xiàn)隱炸情況為止。圖3給出了埋深為0.3m時跑道損傷隨時間變化云紋圖。

從圖3可以看出,在爆炸初期,主要形成爆腔和壓碎區(qū),其毀傷主要是沖擊波的作用,跑道內(nèi)開始形成裂紋并逐漸擴展;隨著爆炸產(chǎn)物的膨脹,損傷區(qū)域逐漸增大,靶體裂紋逐漸增多并且擴展和連通,局部形成貫穿裂紋,靶體徑向邊界由于拉伸作用而形成局部層裂;在裝藥軸向,由于爆炸產(chǎn)物的膨脹,形成較大的拋擲碎塊,最終形成爆破漏斗坑。

圖4及圖5分別給出了裝藥在不同埋深情況下跑道損傷云紋圖和爆破漏斗坑與埋深關系曲線,從圖中可看出,隨著裝藥在跑道中埋深的增加,跑道損傷區(qū)域呈逐漸增大-最大-逐漸減小的趨勢;裝藥軸向垂直于機場跑道道面靜爆時,裝藥中心位于壓實土層-地基層(自然土層)附近爆炸時,爆炸漏斗坑半徑最大,此時爆炸產(chǎn)生的損傷區(qū)域最大,貫穿裂紋分布較密,毀傷效果相對較好;隨著裝藥中心距離道面距離減小,跑道損傷范圍逐漸減小,在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)“空炮”現(xiàn)象。

圖2 計算模型(埋深1250mm)

圖5(a)和圖5(b)中可以看出,在裝藥埋深較小時,爆炸產(chǎn)生漏斗坑半徑及其相應體積均較小,順著裝藥埋深的逐漸增加,爆破漏斗坑半徑和體積逐漸增大,對于5kg含鋁炸藥,在裝藥埋深為 0.9m時,產(chǎn)生的爆破漏斗坑體積達到最大,此時裝藥埋深稱為最佳埋深,因此本研究裝藥的最佳埋深為0.9m;裝藥埋深繼續(xù)增大到0.95m時,爆炸產(chǎn)生的漏斗坑半徑達到最大值。隨著埋深的繼續(xù)增加,爆破漏斗坑半徑和漏斗坑體積均減小,在埋深為2.3m時,幾乎在跑道道面不產(chǎn)生漏斗坑,對于本研究所用裝藥結構,在埋深大于2.3m后爆炸只在跑道中產(chǎn)生隱爆空腔。

從圖5(c)可以看出,隨著埋深的增大爆炸空腔深度逐漸增大,但在埋深超過1.0m時,爆腔深度增加速度變緩;從圖5(d)和圖5(e)可以看出,在埋深為0.95m時,跑道面層和卵石層損傷區(qū)域達到最大值。而從圖5(f)可以看出,基層損傷區(qū)域隨埋深的增加呈平緩增大的趨勢。

上述計算結果分析并結合以往試驗結果可以得到:彈坑深度通常在比最佳爆深稍小的爆深處達到最大值,而最大的可見彈坑直徑發(fā)生在比最佳爆深稍大的爆深處。

圖5 爆破漏斗坑參數(shù)與裝藥埋深之間的關系

根據(jù)對數(shù)值計算結果的分析,并結合已有巖土介質(zhì)中爆破效應試驗結果[8-9],對跑道中爆破效應分析認為,對于一定當量的裝藥來說,隨著裝藥中心距離道面距離減小,消耗在道面外空氣域中的爆炸波和爆炸產(chǎn)物的能量逐漸增多,跑道損傷范圍逐漸減小,在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)“空炮”現(xiàn)象;而隨著裝藥埋深的增加,用于破壞跑道的爆炸能量逐漸增大,彈坑半徑和體積隨爆炸深度的增加而增大,在某一稱之為“最佳”爆深處,彈坑體積達到最大。如果進一步增大爆深,位于爆心上方的介質(zhì)材料會限制形成彈坑,同時耦合到大地中的爆炸能量逐漸增多,爆炸產(chǎn)生的能量不足以將拋擲物散落在爆坑邊緣外時,更多的拋擲物將回落在彈坑的邊界內(nèi),可見彈坑半徑將有所減小,直至彈坑完全消失致使跑道表面隆起。繼續(xù)增加裝藥埋深,爆后跑道表面基本無擾動或較小擾動,爆炸只形成一個地下洞穴,此時為爆破工程中所稱的“封閉爆炸”或“隱爆”。

3 結論

通過對裝藥在跑道中不同埋深情況下爆炸數(shù)值計算,得到以下初步結論:

對于一定當量的裝藥來說,存在一個最佳埋深,使得爆破漏斗坑體積達到最大;裝藥埋深大于一定值時,道面中將出現(xiàn)隱炸現(xiàn)象,對于本研究中裝填5kg含鋁炸藥,最佳埋深約為0.9m,出現(xiàn)隱炸的臨界裝藥埋深在2.3m附近。

彈坑深度通常在比最佳爆深稍小的爆深處達到最大值,而最大的可見彈坑直徑發(fā)生在比最佳爆深稍大的爆深處。制約動能侵徹彈藥威力的首要因素是炸點位置。

[1]隋樹元,王樹山.終點效應學[M].北京:國防工業(yè)出版社,2000.

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