夏志成, 張建亮, 王曦浩, 姚 新, 周競洋

(1．解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院， 南京 210000；2.中國人民解放軍92302部隊(duì)， 遼寧 葫蘆島 125000;3．總參工程兵科研三所， 河南 洛陽 471023)

鋼板夾芯防爆墻防護(hù)效應(yīng)的影響因素

夏志成1, 張建亮1, 王曦浩2, 姚 新3, 周競洋1

(1．解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院， 南京 210000；2.中國人民解放軍92302部隊(duì)， 遼寧 葫蘆島 125000;3．總參工程兵科研三所， 河南 洛陽 471023)

研究防爆墻的防護(hù)效應(yīng)，使其更為有效地降低爆炸沖擊波對目標(biāo)的破壞作用，設(shè)計(jì)了鋼板夾聚氨酯和鋼板夾混凝土兩種防爆墻。利用一維應(yīng)力波理論分析比較了兩種防爆墻的防護(hù)能力，借助ANSYS/LS-DYNA軟件討論了不同墻高、爆距及測距對防爆墻防護(hù)效應(yīng)的影響。研究表明：鋼板夾芯的防爆墻芯材剛度越小，防護(hù)效應(yīng)越好，且芯材會(huì)影響高壓區(qū)形成的位置；防護(hù)率與墻后測點(diǎn)并無明顯的數(shù)學(xué)關(guān)系，但各點(diǎn)防護(hù)率都圍繞某一固定值上下波動(dòng)，且該固定值隨墻高的增加而增大；防護(hù)率(均值)隨著墻高的增加而增大，且增幅也隨之增大；防護(hù)率(均值)隨爆距的增大而均勻減小，且減小的幅度與墻高呈負(fù)相關(guān)。

鋼板夾芯； 防爆墻；繞流；防護(hù)效應(yīng)；聚氨酯；混凝土

1 引言

在目標(biāo)前方設(shè)置防爆墻能有效降低爆炸沖擊波對目標(biāo)的破壞作用，而目標(biāo)破壞程度取決于炸藥當(dāng)量、爆炸距離、防爆墻體材料、墻體尺寸和墻體與目標(biāo)之間的距離等。聚氨酯泡沫材料具有良好的防爆吸能性能〔1-3〕，在兩層鋼板之間充填聚氨酯而制成的防爆墻既表現(xiàn)出良好的防護(hù)效應(yīng)，也彌補(bǔ)了聚氨酯泡沫在實(shí)際應(yīng)用中的強(qiáng)度不足〔4〕。混凝土是一種良好的抗壓材料，在兩層鋼板之間充填混凝土而制成的防爆墻既具有較高的剛度，也具有較高的強(qiáng)度。本文擬對防爆墻的防護(hù)效應(yīng)進(jìn)行理論分析，在炸藥當(dāng)量一定的情況下，運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA有限元程序進(jìn)行數(shù)值模擬研究，進(jìn)一步分析爆炸沖擊波作用下防爆墻防護(hù)效應(yīng)的的影響因素，為防爆墻的設(shè)計(jì)提供參考。

2 復(fù)合墻體對應(yīng)力波的衰減

爆炸沖擊波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，由于各種介質(zhì)的波阻抗不同，沖擊波到達(dá)介質(zhì)分界面時(shí)，沖擊波的反射和透射能量差異很大。根據(jù)這一現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了兩種不同芯材的鋼板夾芯防爆墻(見圖1)。一種是芯材較 “軟”的鋼板夾聚氨酯防爆墻，另一種是芯材較“硬”的鋼板夾混凝土防爆墻，鋼材、聚氨酯和混凝土的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。由于聚氨酯與混凝土的物理力學(xué)參數(shù)差異很大，其相應(yīng)的防爆墻也表現(xiàn)出不同的防爆吸能效果。為了初步分析兩種防爆墻的防護(hù)效應(yīng)，擬采用一維應(yīng)力波理論來分析兩種鋼板夾芯防爆墻對應(yīng)力波衰減的情況。

圖1 應(yīng)力波傳播示意圖Fig.1 Schematic diagram of stress wave propagation

序號介質(zhì)密度ρ/(kg·m?3)彈性波速C/(m·s?1)波阻抗ρC/(kg·m?2s?1)1鋼材78005000390×1072(1)聚氨酯3162468779×1052(2)混凝土25004000100×107

假定爆炸沖擊波在鋼板中產(chǎn)生應(yīng)力波峰值為σT1，進(jìn)入夾芯的應(yīng)力波峰值σT2為

(1)

隨后，應(yīng)力波從夾芯材料進(jìn)入后鋼板，其應(yīng)力波峰值σT3為

(2)

綜合式(1)和式(2)可得出σT1和σT3的關(guān)系為

(3)

根據(jù)表1的材料參數(shù)，采用式(3)計(jì)算表明：當(dāng)采用聚氨酯夾芯材料時(shí)，應(yīng)力波在經(jīng)過鋼板-聚氨酯-鋼板防爆墻體后，其峰值應(yīng)力減小到初始值的0.08倍；當(dāng)采用混凝土夾芯材料時(shí)，其峰值應(yīng)力減小到初始值的0.64倍，兩者相差8倍。對比分析得出：夾芯材料選用聚氨酯比混凝土具有更好的防爆消波效果。

由于上述彈性理論分析尚未考慮材料變形、破壞的非線性特征、墻體質(zhì)量及支撐條件等因素的影響，為此，有必要通過數(shù)值模擬分析進(jìn)行更為深入的研究。

3 有限元模擬

3.1 計(jì)算模型

基于ANSYS/LS-DYNA有限元原理建立計(jì)算模型如圖2所示，墻高H分別取2.0、2.5、3.0 m，墻寬b取6 m，墻厚d取0.52 m(鋼板厚d1為0.01m，芯層厚d2為0.5 m)，炸藥當(dāng)量C取20 kg TNT，爆距R1分別取4.0、5.0、6.0 m。爆高為0 m。采用多物質(zhì)網(wǎng)格ALE算法，炸藥和空氣采用Euler網(wǎng)格建模，聚氨酯和鋼板采用Lagrange單元網(wǎng)格建模，聚氨酯和鋼板、混凝土和鋼板之間的連接均采用共用節(jié)點(diǎn)方式，鋼板與空氣間采用流固耦合算法。單位制采用m-kg-s。根據(jù)墻體周邊的環(huán)境、空氣沖擊波的繞流現(xiàn)象以及計(jì)算機(jī)設(shè)備性能，取空氣流場計(jì)算域：寬度×高度為6.0 m×6.0 m，墻后流場計(jì)算域長度取10.0 m，墻前沖擊波流場計(jì)算域的長度根據(jù)爆距確定。假設(shè)空氣和炸藥均為連續(xù)介質(zhì)，整個(gè)爆炸過程為絕熱過程。由于模型具有對稱性，故取1/2模型進(jìn)行簡化計(jì)算。對稱面上采用對稱邊界條件，其他面采用無反射邊界條件以反映空氣的無限域。防爆墻底部采用固定約束，其他面均為自由面，不考慮爆炸地震波的影響。

圖2 計(jì)算模型Fig.2 Calculation model

3.2 材料模型及參數(shù)

3.2.1 炸藥材料模型及參數(shù)

炸藥為TNT塊狀炸藥，采用MAT_HIGH_ EXPLOSIVE_BURN模型，爆轟壓力、單位體積內(nèi)能和相對體積三者的關(guān)系采用JONES、WILKINS和E.L.Lee等〔5-9〕提出的JWL狀態(tài)方程進(jìn)行模擬，其爆轟過程中壓力和比容的關(guān)系為

(4)

式中：A,B,R1,R2,ω為狀態(tài)方程參數(shù)；P為壓力，Pa；V為相對體積；E0為初始內(nèi)能，J/m3。

炸藥參數(shù)如表2所示。

3.2.2 空氣介質(zhì)模型及參數(shù)

空氣介質(zhì)采用MAT_ NULL模型，狀態(tài)方程采用EOS_LINEAR_ POLYNOMIAL，表達(dá)式為

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E

(5)

式中：μ=(1/V)-1；E為材料的內(nèi)能。

空氣參數(shù)如表3所示。

表2 TNT炸藥材料參數(shù)

表3 空氣模型參數(shù)

3.2.3 鋼板材料模型

鋼板采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型，其參數(shù)如表4所示。

表4 鋼板材料模型參數(shù)

3.2.4 聚氨酯材料模型

聚氨酯采用MAT_ CLOSED_CELL_FOAM模型，其參數(shù)如表5所示。

表5 聚氨酯材料模型參數(shù)

3.2.5 混凝土材料模型

混凝土采用JOHNSON_HOLMQUIST_ CONCRETE模型〔10〕，其參數(shù)如表6所示。

表6 混凝土材料模型參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 無防爆墻時(shí)的計(jì)算結(jié)果

(6)

式中：R為爆距，m；C為炸藥的TNT當(dāng)量，kg。

兩種計(jì)算結(jié)果比較接近，表明采用的有限元模型及選取的參數(shù)具有較好的精度。

圖3 ConWep公式值和數(shù)值模擬沖擊波超壓值的對比Fig.3 Comparison of shock wave overpressure value in ConWep formula and numerical simulation

圖4 沖擊波超壓云圖Fig.4 Overpressure of shock wave

4.2 防爆墻對沖擊波繞流的數(shù)值模擬

20 kg TNT距2.5 m高防爆墻4.0 m時(shí),爆炸沖擊波在不同時(shí)刻的流場發(fā)展過程如圖5所示。

圖5 沖擊波繞流過程數(shù)值模擬結(jié)果Fig.5 Numerical simulation results of shock wave flow process

防爆墻的存在使爆炸沖擊波的傳播規(guī)律異于自由場，爆炸沖擊波遇到防爆墻時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射及繞射現(xiàn)象，在墻后形成環(huán)流，其中鋼板夾聚氨酯防爆墻形成墻前和墻后兩個(gè)高壓區(qū)，鋼板夾混凝土防爆墻只形成墻后一個(gè)高壓區(qū)。

4.3 防爆墻對沖擊波的防護(hù)效應(yīng)

根據(jù)空氣沖擊波流場的計(jì)算區(qū)域，在防爆墻后選5個(gè)測點(diǎn)：A1～A5，距離防爆墻分別為1、3、5、7、9 m。兩種防爆墻后各測點(diǎn)的沖擊波超壓值如表7所示，兩種防爆墻對墻后沖擊波超壓都有一定的削弱作用，但鋼板夾聚氨酯防爆墻的削弱能力強(qiáng)于鋼板夾混凝土防爆墻的削弱能力，且隨著測距的增加，兩者的超壓值及差值都在減小。

設(shè)超壓比λ為有防爆墻時(shí)超壓模擬峰值P與自由場超壓模擬峰值ΔPm的比值，防護(hù)率η為

(7)

由式(7)計(jì)算出的兩種防爆墻防護(hù)率如表8所示。隨著測距的增加，兩種防爆墻的防護(hù)率差值在減小；鋼板夾聚氨酯防爆墻的防護(hù)率較鋼板夾混凝土防爆墻的防護(hù)率提高了13.42%。

3種爆距下鋼板夾聚氨酯防爆墻后沖擊波超壓峰值P如表9所示，利用式(7)計(jì)算出的防護(hù)率如表10所示。防護(hù)率η均在25%以上，最高達(dá)65%左右。

依據(jù)表10中的數(shù)據(jù)分別繪出圖6、圖7和圖8。

表7 聚氨酯防爆墻與混凝土防爆墻沖擊波峰值超壓比較

表8 聚氨酯防爆墻與混凝土防爆墻的防護(hù)率比較

表9 鋼板夾聚氨酯防爆墻沖擊波峰值超壓

防護(hù)率與測距并無明顯的數(shù)學(xué)關(guān)系(見圖6)，但各點(diǎn)防護(hù)率都圍繞某一固定值上下波動(dòng)，該固定值可用其均值表示，且隨墻高的增加而增大。

防護(hù)率(均值)隨著墻高的增加而增大，且增幅也隨之增大(見圖7)。

表10 鋼板夾聚氨酯防爆墻的防護(hù)率

圖6 防護(hù)率與測距的關(guān)系Fig.6 Relationship of protection rate and monitoring distance

圖7 防護(hù)率(均值)與墻高的關(guān)系Fig.7 Relationship between the protection rate(mean) and the wall height

圖8 防護(hù)率(均值)與爆距的關(guān)系Fig.8 Relationship between the protection rate (mean) and the blast distance

由圖8可知，防護(hù)率(均值)隨著爆距的增加而均勻減小，且減小的幅度與墻高呈負(fù)相關(guān)。爆距每增加1 m，三種不同高度防爆墻的防護(hù)率(均值)分別減小了11.38%、9.26%、6.32%。

為了分析防爆墻位置與防護(hù)率的關(guān)系，取爆距4 m和6 m，相應(yīng)的測距為3 m和1 m、5 m和3 m、7 m和5 m、9 m和7 m，以保證不同爆距下的(R1+R2)相等。不同爆距下(R1+R2)與防護(hù)率的關(guān)系如圖9所示，在(R1+R2)值相同情況下，防爆墻向爆點(diǎn)移動(dòng)1 m，則防護(hù)率提高1.7倍左右；即防爆墻在沒有擊穿的情況下離爆點(diǎn)越近，防護(hù)率越高。

圖9 防護(hù)率(均值)與(R1+R2)的關(guān)系Fig.9 Relationship between the protection rate (mean) and (R1+R2)

5 結(jié)論

(1) 鋼板夾芯防爆墻的防護(hù)效應(yīng)與芯材有關(guān)，芯材剛度越小，防護(hù)效應(yīng)越好，且芯材會(huì)影響高壓區(qū)形成的位置。

(2) 在目標(biāo)前方設(shè)置防爆墻，墻后沖擊波超壓峰值明顯小于無防爆墻時(shí)的自由場沖擊波超壓峰值，防護(hù)率η均在25%以上，最高達(dá)65%左右。

(3) 防護(hù)率與測距并無明顯的數(shù)學(xué)關(guān)系，但各點(diǎn)防護(hù)率都圍繞某一固定值上下波動(dòng)，固定值可用均值表示，且隨墻高的增加而增大。

(4) 防護(hù)率(均值)隨著墻高的增加而增大，且增幅也隨之增大。防護(hù)率(均值)隨著爆距的增加而均勻減小，且減小的幅度與墻高呈負(fù)相關(guān)。

(5) 防爆墻在沒有擊穿的情況下離爆點(diǎn)越近，防護(hù)率越高。

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Influencing factors of protective effect of steel plate sandwich explosion proof wall

XIA Zhi-cheng1, ZHANG Jian-liang1, WANG Xi-hao2, YAO Xin3, ZHOU Jing-yang1

(1.PLA University of Science and Technology, Nanjing 210000, China; 2.Troop 92302 PLA, Huludao 125000,Liaoning, China; 3.The General Staff Corps of Engineers Research Third Institute, Luoyang 471023, Henan, China)

Studying the protective effect of the explosion proof wall to make it more effective to reduce the target damage of explosion shock wave, two kinds of explosion proof walls that polyurethane explosion proof wall and concretes explosion proof wall were designed. The protection ability of two explosion proof walls were compared by one dimensional wave impedance theory. The protection effect of the explosion proof walls with different height, blasting distance and measurement distance were researched through ANSYS/LS-DYNA software. The research result showed that, the protective effect was better when the stiffness of core material was decreased, the core material would affect the forming location of high pressure zone. There was no obvious math relationship between the protection rate and the measuring point, but the protection rate of each point fluctuated around a fixed value, the fixed value increased with the wall height raised. The protection rate increased with wall height raised and the amplification also increased. The protection rate (mean) decreased with blast distance increased, and the amplification had negative correlation of the amplitude of reduced with the wall height.

Steel plate sandwich; Explosion proof wall; Flow around; Protective effect； Polyurethane； Concrete

1006-7051(2016)06-0001-07

2016-06-26

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51478469)

夏志成(1961-)，男，博士，教授，從事反恐抗爆方面研究。E-mail：xzc-001@163.com

張建亮(1990-)，男，碩士，從事材料抗爆性能方面研究。E-mail：zjl18761682179@sina.com

TD235

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.06.001