付艷恕， 徐 文

(南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 南昌 330031)

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聚能射流對(duì)公交起火近場(chǎng)次生危害的分析與抑制

付艷恕， 徐 文

(南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 南昌 330031)

鑒于近年來接連發(fā)生數(shù)起惡性公交車起火事故，且事故具有突發(fā)性與發(fā)展快速性，提出利用聚能射流對(duì)起火后逃生通道進(jìn)行開辟與擴(kuò)充。然而，聚能射流觸發(fā)后伴隨一系列危害因素，可能給駕乘人員造成次生傷害。據(jù)此，利用ANSYS/LS-DYNA建立射流切割器數(shù)值分析模型，探索聚能裝藥爆轟產(chǎn)物超壓與高溫，并基于人體耐受能力評(píng)價(jià)其對(duì)駕乘人員的傷害。通過系列對(duì)比分析，獲得適用于公交車起火逃生通道開辟與擴(kuò)充的線型聚能射流設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)駕乘人員近場(chǎng)次生災(zāi)害的抑制，以確保駕乘人員的安全，以期促進(jìn)該方法在公交車起火防護(hù)中的應(yīng)用。

聚能射流； 公交車救援； 逃生通道； 次生危害； 起火事故

1　引言

我國(guó)正處于社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人民生活水平日益提高階段。城市人口劇增，私家車迅速推廣，隨之而來的市內(nèi)人員流動(dòng)速度快、強(qiáng)度大，導(dǎo)致城市交通擁堵現(xiàn)象普遍。以南昌地區(qū)為例，不僅設(shè)有常規(guī)公交，且根據(jù)流動(dòng)人口集散情況還設(shè)置了南昌火車站到高鐵西客站的快速公交，市區(qū)到轄縣直達(dá)公交等；在動(dòng)力品種上，有燃油公交車、電動(dòng)公交車等。發(fā)達(dá)的公共交通系統(tǒng)為市民提供了節(jié)能、環(huán)保、方便、快捷的出行方式，但近期,我國(guó)數(shù)個(gè)主要城市連續(xù)發(fā)生了多起惡性公交車起火案，損傷慘重。公交車起火事故有以下特點(diǎn)：乘員多，流動(dòng)頻繁，彼此不熟悉，且年齡層次、身體素質(zhì)各異，難以組織有序的逃生秩序；起火后,火勢(shì)發(fā)展迅速，在秩序混亂且濃煙環(huán)境下，即使身體健壯的乘員也難以形成消防意識(shí)并實(shí)施消防行為；車門、窗難以順利打開，即使打開，在秩序混亂，煙、火交加的環(huán)境下，老、弱、病、殘、孕等體能弱勢(shì)人群容易被困；由于空間相對(duì)封閉，車外群眾難以迅速實(shí)施針對(duì)駕乘人員的直接營(yíng)救。

以上特點(diǎn)使得公共交通雖然擁有眾多優(yōu)點(diǎn)，卻難以保障駕乘人員安全，引起乘車憂慮。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于汽車被動(dòng)安全的研究〔1-5〕主要側(cè)重于具有較高運(yùn)行速度的轎車及城際旅行客車的碰撞安全，相應(yīng)的乘員保護(hù)措施得到了廣泛關(guān)注與豐富研究，相關(guān)技術(shù)已形成，零部件在汽車上得以推廣。而關(guān)于公交車起火乘員安全保障的探索則幾近空白，但近年來，國(guó)內(nèi)接連發(fā)生多起惡性公交車起火事故，使得研究并解決該問題迫在眉捷。鑒此，提出基于線型聚能射流對(duì)公交車起火后逃生通道切割擴(kuò)充研究，擬為公交車起火情況下駕乘人員逃生通道擴(kuò)充建立一套科學(xué)可行的方法，從而更大限度保護(hù)駕乘人員生命、財(cái)產(chǎn)安全。然而聚能裝藥爆轟產(chǎn)物伴隨有超壓、高溫屬性，可能對(duì)近場(chǎng)乘員造成二次傷害。據(jù)此，本文嘗試對(duì)伴生行為開展數(shù)值分析，探索科學(xué)合理的聚能射流設(shè)計(jì)方案，以抑制次生傷害。

2　方案設(shè)計(jì)與模擬研究

王寶興、高強(qiáng)等人針對(duì)大巴車被劫持狀態(tài)下，開展玻璃柔性聚能切割技術(shù)的模擬實(shí)驗(yàn)及噪音、沖擊波超壓、紙靶、動(dòng)物損傷實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證〔6〕，表明聚能切割裝置能夠在保證車內(nèi)人員安全的條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)大巴車玻璃從外到內(nèi)的定向切割開窗。援用其思路，本文將線型聚能射流切割器應(yīng)用于公交車起火逃生通道開辟與擴(kuò)充。不同之處是在切割對(duì)象、作用方向和爆轟產(chǎn)物擴(kuò)散域等多個(gè)方面。針對(duì)聚能切割器運(yùn)用于公交車起火逃生通道開辟的被動(dòng)安全系統(tǒng)中伴隨的次生行為開展研究，并尋求抑制次生傷害的設(shè)計(jì)方案。認(rèn)真剖析公交車門、窗邊框結(jié)構(gòu)，了解射流切割對(duì)象特點(diǎn)，從而提出切割器設(shè)計(jì)要求。

2.1公交車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

公交車車身結(jié)構(gòu)是在骨架的基礎(chǔ)上在車外焊一層蒙皮，車內(nèi)則是填充隔音隔熱的發(fā)泡材料和內(nèi)飾。以某型客車為例，前后圍蒙皮用的是深沖熱鍍鋅鋼板，車身側(cè)圍漲拉蒙皮用的是雙面熱鍍鋅鋼板〔7〕，蒙皮厚度為1 mm。車內(nèi)飾表面到蒙皮間距在不同位置有所不同，公交車側(cè)圍蒙皮與內(nèi)飾間距4 cm。填充的發(fā)泡和車內(nèi)飾板材所用的PVC或編織材料，這些材料相對(duì)鋼板類蒙皮密度小，強(qiáng)度低。因而在利用聚能射流對(duì)公交車門、窗邊框進(jìn)行切割時(shí)，所需的裝藥能量相對(duì)較小。

2.2聚能射流設(shè)計(jì)

聚能射流切割器原理是利用炸藥爆轟驅(qū)動(dòng)金屬錐形殼體在對(duì)稱軸附近聚合而形成向前高速運(yùn)動(dòng)的金屬射流，以實(shí)現(xiàn)切割目的。圖1是線型聚能切割器簡(jiǎn)易三維模型。

2.3數(shù)值模型建立

根據(jù)公交車車身結(jié)構(gòu)特征，提出相應(yīng)的射流切割器設(shè)計(jì)要求。車身結(jié)構(gòu)及聚能射流切割器布置如圖2所示。

圖2　切割器布置Fig.2　Distribution of the shaped charge

模型以某型客車為樣車，橫、豎梁結(jié)構(gòu)寬度為4 cm，公交車側(cè)圍蒙皮厚度1 mm，內(nèi)飾塑料板材厚度1 mm。

采用歐拉網(wǎng)格建模，炸藥、藥型罩和空氣材料使用多物質(zhì)ALE算法，蒙皮和藥型罩、空氣材料間采用耦合算法，基于ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立數(shù)值分析模型。對(duì)應(yīng)的本構(gòu)方程，炸藥采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸藥燃燒模型及JWL狀態(tài)方程，藥型罩采用JOHNSON_COOK材料模型及GRUNEISEN狀態(tài)方程，空氣采用NULL無偏應(yīng)力流體動(dòng)力模型及GRUNEISEN狀態(tài)方程，鋼蒙皮采用PLASTIC _KINEMATIC隨動(dòng)塑性模型，材料的建模參數(shù)見表1。

表1　材料參數(shù)

注：空氣的絕熱指數(shù)γ=1.4，內(nèi)能為2.5×10-4J/cm3；炸藥爆速為3 500 m/s。

利用數(shù)值模型對(duì)聚能射流切割車門、窗邊框行為開展模擬與分析。針對(duì)公交車門、窗結(jié)構(gòu)，沿縱向?qū)ΨQ進(jìn)行左右兩邊逃生通道的開辟與擴(kuò)充，擬切割區(qū)域如圖3所示。公交車除支撐立柱外，切割區(qū)域從底板至頂框位置，最大限度地?cái)U(kuò)充了逃生通道，且沒有留根底。所示區(qū)域逃生通道的開辟與擴(kuò)充為車內(nèi)人員的逃生和車外人員的施救提供了最大空間。

圖3　擬切割區(qū)域Fig.3　Proposed cutting area

按照設(shè)計(jì)意圖，本裝置可通過煙、火監(jiān)測(cè)傳感器控制起爆，實(shí)現(xiàn)公交車起火后逃生通道的瞬間開辟。該方案能改變以往公交車起火后依賴乘員的意識(shí)形成消防與逃生的方式。

圖4為方框形逃生通道開辟數(shù)值分析結(jié)果。表明聚能射流能實(shí)現(xiàn)對(duì)公交車門、窗類雙層靶板結(jié)構(gòu)的切割以形成方框形逃生通道，且圖中數(shù)據(jù)顯示，整個(gè)動(dòng)作耗時(shí)384 μs，該裝置完成逃生通道時(shí)間為微秒量級(jí)。在此時(shí)間內(nèi)，火情的惡化與人員的傷亡尚未得到充分發(fā)展，可為逃生與救援贏得時(shí)間，為起火狀態(tài)下駕乘人員的逃生提供無障礙的通道。

圖4　方框形逃生通道Fig. 4　Square shape emergency exits

利用聚能射流進(jìn)行公交車起火逃生通道的開辟與擴(kuò)充具有快速、高效的特點(diǎn)。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要進(jìn)一步考慮聚能裝藥的負(fù)面效應(yīng)并采取抑制措施以避免聚能切割器動(dòng)作對(duì)車內(nèi)人員造成二次傷害。

3　聚能射流切割器設(shè)計(jì)

本方案旨在不改變公交車結(jié)構(gòu)情況下，將切割器直接安裝于車廂內(nèi)即可使用。通常，公交車內(nèi)乘員人數(shù)多，因而要求設(shè)計(jì)方案確保射流切割器在穩(wěn)定高效開辟逃生通道的同時(shí)，能抑制聚能射流工作過程的次生傷害行為，避免車內(nèi)駕乘人員受到二次傷害。

3.1切割器選材

炸藥是聚能射流的能源，炸藥的類別和用量直接影響射流的切割效果。基于爆轟理論可知，高爆速、大密度的炸藥對(duì)射流有積極的作用。但出于保護(hù)車內(nèi)人員安全的考慮，則需要爆速和密度適中，性能穩(wěn)定、可靠性高的工業(yè)炸藥。

炸藥通過爆炸壓力壓垮藥型罩并聚焦形成金屬射流。而藥型罩是影響射流切割能力的重要因素之一。藥型罩的密度大、塑性好，射流運(yùn)動(dòng)過程中汽化少，則更加有利于射流的侵徹，一般選用紫銅、鑄鐵、鋼或硬鋁〔9〕。本設(shè)計(jì)選用紫銅作為藥型罩材料。

3.2切割器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常在線型聚能射流切割器設(shè)計(jì)中，藥罩質(zhì)量比(炸藥質(zhì)量/藥型罩質(zhì)量)R處于1.5 ～4之間，在此區(qū)間，炸藥的利用率較高〔8〕。

根據(jù)工程需要，選用厚度0.2 mm的銅板作為藥型罩，裝藥厚度為4 mm，此時(shí)藥罩質(zhì)量比R=2.6。從射流形成理論可知，最佳頂角依賴于藥型罩的彎折角φ，而通常線型聚能裝藥藥罩質(zhì)量比R相對(duì)應(yīng)金屬罩的彎折角φ應(yīng)在φ=15°～25°之間，對(duì)應(yīng)的線型聚能射流藥型罩的半角θ(q=2θ)有如下關(guān)系〔10〕：

(2)

H=hsin2θ/cosθ

(3)

將上述半開角及母線值代入式(3)得設(shè)計(jì)需要的炸高H為2 mm。

表2　切割器基本參數(shù)

3.3裝藥模擬

基于上述參數(shù)，設(shè)計(jì)出如圖5所示常規(guī)開放型聚能裝藥模型。

圖5　開放型聚能裝藥Fig.5　Shape charge of open type

開放型聚能裝藥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且在數(shù)值模擬中可以精準(zhǔn)完成切割作業(yè)。

4　次生危害分析與抑制

4.1次生危害分析

圖5所示開放型裝藥結(jié)構(gòu)具備開辟公交車逃生通道的功能，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。當(dāng)遇到嚴(yán)重火情時(shí)，切割器接收到點(diǎn)爆命令并執(zhí)行，炸藥爆炸將給車內(nèi)駕乘人員帶來新的威脅，可能造成的危害有：①爆震傷又稱沖擊傷，是爆炸傷害中最為嚴(yán)重的一種損失；②爆碎傷，爆炸物爆炸后直接作用于人體造成人體組織破裂、內(nèi)臟破裂、肢體破裂、血肉橫飛，失去完整形態(tài)；③爆燒傷，是燒傷和沖擊傷的復(fù)合傷；④有害氣體中毒，爆炸后的煙霧及有害氣體會(huì)造成人體中毒。

以上所描述的四種危害中，爆震傷與爆碎傷直接由爆轟產(chǎn)物超壓導(dǎo)致，而爆燒傷由爆轟產(chǎn)物溫度過高導(dǎo)致。至于有害氣體，可通過選取零氧平衡炸藥以避免其傷害。為了考查爆轟產(chǎn)物超壓與高溫，選取距爆炸中心位置5 cm處的點(diǎn)作為檢測(cè)點(diǎn)觀察超壓與溫度的變化。常規(guī)開放型結(jié)構(gòu)的超壓變化如圖6所示。

圖6　超壓變化曲線Fig.6　The change curve of overpressure

在沖擊波對(duì)人體損傷的研究中，人體聽覺系統(tǒng)對(duì)超壓最為敏感，一般將鼓膜破裂作為人體損傷的最低判斷標(biāo)準(zhǔn)。赫希積累的數(shù)據(jù)表明〔13〕，當(dāng)沖擊波超壓達(dá)到34 kPa時(shí)，快速上升的沖擊波對(duì)鼓膜損傷達(dá)96%,而緩慢上升的沖擊波達(dá)65%左右，鼓膜破裂不僅取決于超壓峰值，與超壓持續(xù)時(shí)間也有關(guān)系。一般情況下，將鼓膜破裂的閾值設(shè)為34 kPa， 50%鼓膜破裂一般采用的值為103 kPa。而由圖6可知，常規(guī)開放型結(jié)構(gòu)在5 cm處的峰值超壓已達(dá)到110 kPa，加之快速上升而來的峰值超壓在此距離內(nèi)對(duì)人體聽覺具有危害。

沖擊波對(duì)人體不同器官的影響因素有超壓大小、作用時(shí)間及沖擊次數(shù)。表3是喉、消化道、肺的傷害準(zhǔn)則〔14〕。

在次生行為中除產(chǎn)生超壓外，對(duì)爆炸周邊環(huán)境還有溫度場(chǎng)的變化，距爆源中心5 cm處的同系溫度變化曲線如圖7所示。

表3　超壓閥值

圖7　同系溫度曲線Fig.7　The curve of homologous temperature

在LS-DYNA手冊(cè)中的同系溫度是某物質(zhì)在室溫下的絕對(duì)溫度與該物質(zhì)熔點(diǎn)換算成絕對(duì)溫度后的比值，且有如下公式：

(4)

式中：T*為同系溫度，初始設(shè)置藥型罩熔點(diǎn)Tmelt=1 082 ℃，室溫Troom=20 ℃，根據(jù)公式(4)可以計(jì)算出T。圖7中同系溫度最大為T*=0.042，T=64.6 ℃；同系溫度T*超過0.02，T=41.2 ℃的時(shí)間是20μs。

最先接受外界熱量且最敏感的人體組織是皮膚，由外而內(nèi)依次為表皮層、真皮層和皮下組織三部分。根據(jù)皮膚燒傷評(píng)估，當(dāng)溫度超過44 ℃，僅發(fā)生在表皮層有灼痛感但能很快恢復(fù)，通常認(rèn)為一度燒傷不會(huì)對(duì)人生命產(chǎn)生威脅。而在55 ℃時(shí)，一級(jí)燒傷持續(xù)20s之后二級(jí)和三級(jí)相繼出現(xiàn)〔15〕。而圖7表明此距離由爆炸產(chǎn)生的溫度變化屬于微秒級(jí)，僅為對(duì)人體有溫度感知的反應(yīng)，不構(gòu)成任何傷害。

由圖6、圖7可知，常規(guī)開放型裝藥工作過程只有爆炸產(chǎn)生的超壓對(duì)人體具有一定威脅。

4.2次生危害抑制

要降低聚能射流執(zhí)行切割命令過程產(chǎn)生的超壓，可通過優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)以降低裝藥量，并增加非接觸式金屬防護(hù)罩及緩沖填充劑的方式以隔離爆壓。根據(jù)射流形成理論〔16〕及爆炸點(diǎn)處于中心位置，設(shè)計(jì)出如圖8所示約束型的聚能切割器。

圖8　約束型聚能裝藥Fig.8　The shaped charge of constraint type

非接觸約束型采用封閉式結(jié)構(gòu)，較常規(guī)開放結(jié)構(gòu)相比，此結(jié)構(gòu)增加金屬防護(hù)罩和起固定炸藥作用的輕質(zhì)泡沫填充劑且裝藥少。模擬切割效果及對(duì)應(yīng)位置超壓變化曲線如圖9所示。

圖9　超壓曲線Fig.9　The overpressure curve

金屬防護(hù)罩不僅可以起到削弱超壓的作用，還能有效保護(hù)裝藥防潮防盜。圖9表明非接觸約束型結(jié)構(gòu)峰值超壓僅為0.33kPa，此距離的峰值超壓對(duì)車乘人員人身安全不會(huì)構(gòu)成傷害。

因此，該模型結(jié)構(gòu)不僅保留了前者的射流侵徹能力，以實(shí)現(xiàn)逃生通道開辟與擴(kuò)充的效果,且能成功抑制聚能射流次生傷害行為，從而保障駕乘人員安全逃生。

5　結(jié)論

(1)數(shù)值計(jì)算表明，聚能射流乘員近場(chǎng)爆炸，爆轟產(chǎn)物的超壓是導(dǎo)致次生危害的主要因素。

(2)通過優(yōu)化聚能射流結(jié)構(gòu)，在減少裝藥量的同時(shí)，可保留射流切割能力，進(jìn)一步添加緩沖填充劑可有效衰減爆轟產(chǎn)物超壓，從而抑制次生危害。

(3)系統(tǒng)總結(jié)了聚能射流應(yīng)用于公交車起火逃生通道開辟與擴(kuò)充可能存在的次生危害，并探尋了抑制次生危害的參數(shù)設(shè)計(jì)，為公交車起火逃生通道開辟與擴(kuò)充技術(shù)提供參考。

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Shaped charge jet analysis and control of the secondary disaster of bus caught fire

FU Yan-shu， XU Wen

(School of Mechanical & Electrical Engineering， Nanchang University， Nanchang 330031, China)

In recent years, several buses had been caught fire viciously in major cities, and all the accidents happened su-ddenly and developed rapidly. The shaped charge jet was put forward as a countermeasure for the caught fire bus to open and enlarge the escape routes. However, a series of hazardous factors might bring some secondary disaster to drivers and passengers accompanied with detonation of shaped charge jet. In order to understand the overpressure and high temperature of the detonation products, the numerical model was established to simulate the behavior of the shaped charge jet. Then the potential dangerous for drivers and passengers were evaluated based on the physical resistance of human body. Through a series of comparative analysis, the parameters of a linear shaped charge jet suitable for caught fire bus escape routes were obtained. The secondary disaster were inhabited from near-field drivers and passengers to keep them safe. It was expected to promote the application of the method in protection of the caught fire bus.

Shaped charge jet; Bus rescue; Escape route; Secondary disaster； Fire accident

1006-7051(2016)04-0033-06

2016-07-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助(11202093)；江西省自然科學(xué)基金(20151BAB216022)

付艷恕(1982-)，男，博士、副教授，主要從事結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)響應(yīng)研究。E-mail： yshfu@ncu.edu.cn

TD235.4+7

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.007