房 沖

(解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007)

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內(nèi)空和充水管道在爆炸沖擊荷載下的數(shù)值模擬分析

房 沖

(解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007)

利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件,根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康慕⒘擞?jì)算模型，并選取適當(dāng)?shù)谋緲?gòu)關(guān)系和材料，對(duì)空中TNT炸藥爆炸沖擊荷載下的內(nèi)空和充水管道的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，指出爆炸沖擊荷載下，在等量炸藥的條件下，充水管道的變形量、單元位移及單元壓強(qiáng)峰值較內(nèi)空管道低，這些參數(shù)的增加速率也均低于內(nèi)空管道；充水管道的抗變形能力更強(qiáng)，穩(wěn)定性更高。

爆炸沖擊，充水管道，動(dòng)力響應(yīng)，計(jì)算模型

0 引言

目前，工程埋地管線的試驗(yàn)研究和模擬計(jì)算比較多，針對(duì)空爆條件下管道的研究較少。充水管道(充水管)和內(nèi)空管道(內(nèi)空管)在空中爆炸沖擊荷載下的動(dòng)力響應(yīng)是一個(gè)重要的研究方向。Ma等[1]對(duì)金屬管道在內(nèi)充水條件下受到的沖擊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為管道中內(nèi)充水可耗散部分沖擊能量，同時(shí)提高管道的初始破裂臨界速度。紀(jì)沖等[2]通過對(duì)充液及內(nèi)空?qǐng)A柱殼在爆炸沖擊下的動(dòng)力響應(yīng)和屈曲特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模擬，表明充液圓柱殼在抗爆炸沖擊方面較內(nèi)空?qǐng)A柱殼提高很大。內(nèi)空和充水管道在爆炸沖擊荷載下的動(dòng)力響應(yīng)及變化規(guī)律還有待研究。目前，此類問題大多采用有限元方法來求解，可利用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)管道在空中爆炸沖擊荷載下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬[3,4]。

1 材料模型及狀態(tài)方程參數(shù)

數(shù)值模擬采用ANSYS/LS-DYNA軟件中的材料模型及相應(yīng)狀態(tài)方程。

1.1 空氣、水材料模型及狀態(tài)方程

空氣及水均采用提供的空白材料模型，空氣的狀態(tài)方程為：

P=(γ-1)ρe0/ρ0

(1)

其中，γ為絕熱指數(shù)，γ=1.40；e0為氣體比內(nèi)能，e0=0.25 MPa；ρ0為空氣初始密度,ρ0=1.25×10-3g/cm3。水的狀態(tài)方程[5]為：

(2)

其中，C,S1，S2，S3，a，E均為相關(guān)參數(shù);μ=ρ/ρ0-1;C=1 480 m/s，S1=2.56，S2=1.986，S3=0.00，γ0=0.50,a=0.00。

1.2 炸藥材料模型及狀態(tài)方程

TNT炸藥采用高能炸藥模型及JWL狀態(tài)方程，爆轟產(chǎn)物壓力P表示的JWL狀態(tài)方程[6]為:

(3)

其中,V為相對(duì)體積;ρ為炸藥密度;E0為單位體積炸藥內(nèi)能；A，B，R1，R2，ω均為相關(guān)參數(shù)。TNT炸藥及JWL狀態(tài)方程參數(shù)為:ρ=1 640 kg/m3，E0=7.0×109J/m3,A=374 GPa，B=3.23 GPa，R1=4.15，R2=0.95，ω=0.30。

1.3 管道材料模型

管道選用X70鋼材料，采用彈塑性模型，該模型遵從Von-Mises屈服準(zhǔn)則[7，8]，其表達(dá)式為：

(4)

其中，σ為應(yīng)力;E為彈性模量;Et為切線模量;σe為屈服應(yīng)力;ε,εe分別為應(yīng)變和彈性極限應(yīng)變。物理力學(xué)參數(shù)為：ρ=7 830 kg/m3，ω=0.30，E=3.23 GPa，σe=289 MPa，Et=500 MPa。

2 管道動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算模型

建立管道動(dòng)力響應(yīng)的計(jì)算模型。設(shè)坐標(biāo)軸原點(diǎn)O點(diǎn)為管道中心，X軸為水平方向，Y軸為豎直方向，Z軸與管道軸中心軸向重合且向外為正方向。模型各材料位置如圖1所示，管道內(nèi)分別充水和空氣兩種介質(zhì)。

該模型共進(jìn)行8種工況下的模擬計(jì)算，分析充水管道在不同炸藥量爆炸沖擊荷載下的動(dòng)力響應(yīng)問題，各工況編號(hào)及詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)表

TNT炸藥、空氣、水和管道均采用Solid164六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，炸藥、空氣、管道內(nèi)部空氣(水)采用ALE算法，管道選擇采用LANGANGIAN算法。選用流固耦合方法，將炸藥、空氣和管道內(nèi)部空氣(或水)與管道耦合在一起進(jìn)行模擬計(jì)算[9]。

3 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

利用ANSYS軟件對(duì)所建立的模型進(jìn)行模擬計(jì)算，得到管道在空中爆炸沖擊荷載下的數(shù)值模擬結(jié)果。

3.1 管道模擬結(jié)果與分析

通過LS-PrePost軟件查看工況3和工況7的模擬結(jié)果，最終變形如圖2所示。

顯然，充水管道的變形遠(yuǎn)小于內(nèi)空管道，這說明：在爆心距一定的條件下，管道內(nèi)部的水介質(zhì)對(duì)抵抗管道在爆炸沖擊荷載下的變形有很大的作用。

3.2 管道位移過程與分析

在截面上選取4個(gè)單元，單元編號(hào)及單元位置如圖3所示。

以工況3為例，分別做出四個(gè)單元合位移時(shí)程曲線，如圖4所示。

由圖4可知：位移先是快速增長，在0.012 s處達(dá)到峰值4.83 cm，接著緩慢下降，在2 cm左右達(dá)到穩(wěn)定，這說明：管道已經(jīng)產(chǎn)生了塑性變形，不能完全恢復(fù)。

圖5為兩組模型的單元位移峰值的擬合曲線。由圖可知：在等量TNT炸藥爆炸沖擊荷載作用下，充水管的單元位移峰值不到空管的1/4；炸藥量由104.96 g增加到562.52 g，空管單元位移峰值由2.57 cm增加到5.75 cm，充水管單元位移峰值僅增加了0.38 cm，空管的單元位移隨炸藥增加的速率是充水管的9倍。這說明：充水管單元位移峰值受炸藥量變化的影響遠(yuǎn)小于空管。由于水介質(zhì)的不可壓縮性，在一定程度上削弱了管道受到的沖擊荷載，管內(nèi)空氣介質(zhì)的削弱作用遠(yuǎn)小于水介質(zhì)，因而管道內(nèi)充水能顯著降低管道的位移，充水管穩(wěn)定性高于空管。

3.3 管道壓強(qiáng)過程與分析

通過模擬計(jì)算出管道在爆炸沖擊荷載下的壓強(qiáng)，分析8種工況下壓強(qiáng)可知：在炸藥量一定的情況下，空管壓強(qiáng)變化差值大于充水管的壓強(qiáng)變化差值，充水管的壓強(qiáng)作用時(shí)間比空管長；同時(shí)，可得到管道在各工況下的峰值壓強(qiáng)，其中，迎爆面的單元峰值壓強(qiáng)最大，背爆面壓強(qiáng)變化最為劇烈，上下兩端的壓強(qiáng)較為平穩(wěn)。

通過分析8種工況下的峰值壓強(qiáng)可得壓強(qiáng)峰值擬合曲線，如圖6所示。

由圖6可知：在等炸藥量的條件下，空管單元壓強(qiáng)峰值較充水管高；隨著炸藥量的增加，空管的單元壓強(qiáng)峰值增長速率高于充水管，這說明：管道內(nèi)部充水對(duì)其在爆炸荷載下受到的壓強(qiáng)影響較大。

4 結(jié)語

1)空管在爆炸沖擊荷載下的變形較充水管要大。內(nèi)部充水情況下，管道的抗變形能力顯著提高。2)在等量炸藥爆炸沖擊荷載下，空管的單元位移峰值遠(yuǎn)大于充水管；隨著炸藥量的增加，空管的單元位移峰值增加速率高于充水管。管道充水能有效降低管道的單元位移峰值及位移峰值增加速率，增強(qiáng)管道的穩(wěn)定性。3)管道壓強(qiáng)峰值出現(xiàn)在管道迎爆面上，在等量炸藥爆炸沖擊荷載下，空管的壓強(qiáng)峰值增加速率高于充水管，管道內(nèi)充水對(duì)管道的壓強(qiáng)峰值影響較大。

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1009-6825(2017)11-0130-03

2017-02-08

房 沖(1991- )，男，在讀碩士

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