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        發(fā)射場地面廠房抗碎片侵徹能力的數(shù)值模擬

        2019-07-05 05:24:36郭東文崔村燕周宵燈趙蓓蕾
        兵器裝備工程學(xué)報 2019年5期
        關(guān)鍵詞:墻面廠房火箭

        郭東文,崔村燕,周宵燈,趙蓓蕾,詹 翔

        (1.中國載人航天工程辦公室, 北京 100071; 2.航天工程大學(xué) 宇航科學(xué)與技術(shù)系, 北京 101400;3.航天工程大學(xué) 研究生管理大隊, 北京 101400)

        廠房是發(fā)射場的重要組成部分,火箭發(fā)生意外爆炸后碎片極有可能撞擊到廠房,廠房墻體必須有足夠的強(qiáng)度,否則侵入的碎片會對室內(nèi)設(shè)施設(shè)備以及工作人員造成傷害,因此,有必要進(jìn)行爆炸碎片對地面廠房毀傷效應(yīng)的相關(guān)分析。

        混凝土是最常見的建筑材料,廣泛用于土木工程。在分析戰(zhàn)斗部對地面建筑的破壞效應(yīng)中,研究人員已在實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上提出了很多經(jīng)驗(yàn)公式,其中應(yīng)用最多的是彈靶侵徹模型[1-5]。在該模型中假設(shè)彈丸為剛性體,在沖擊目標(biāo)過程中不變形,而本文研究的火箭爆炸碎片強(qiáng)度低,易變形,對現(xiàn)有侵徹模型的適用性有待考證。目前對于火箭爆炸碎片毀傷效應(yīng)研究很少,還缺乏有效模型來描述它的特性[6-10]。本文基于顯式有限元分析軟件Ansys Autodyn 15.0和侵徹理論,分析火箭爆炸碎片撞擊速度對地面廠房侵徹能力的影響,為發(fā)射場安全防護(hù)規(guī)劃提供參考。

        1 計算模型與材料參數(shù)

        已知發(fā)射場某地面廠房面積為66 m×30 m,為混凝土框排架加梯形鋼屋架結(jié)構(gòu),廠房凈高17.4 m,地面為防靜電不發(fā)火水泥地面,墻體厚250 mm,材料為混凝土?;鸺槠矒艋炷翂γ嬖斐苫炷溜w散現(xiàn)象是數(shù)值模擬的關(guān)鍵,要完整而全面地描述這個過程必須選用合理的算法。SPH方法作為一種無網(wǎng)格數(shù)值方法,本質(zhì)上是一種離散化的方法,它使用固定質(zhì)量運(yùn)動點(diǎn)的積分方程進(jìn)行求解,是目前求解爆炸沖擊問題的主要方法之一,在模擬爆炸引起的介質(zhì)飛散過程中應(yīng)用廣泛。因此,本文選擇SPH算法對碎片撞擊混凝土墻面造成混凝土飛散過程進(jìn)行模擬。

        為便于分析計算,將模型簡化為三維平面對稱問題,建立三維1/2模型,如圖1所示?;炷亮W娱g距d0=8 mm,爆炸碎片粒子間距d1=0.8 mm,共計生成206 412個粒子。數(shù)值模型采用mm、mg、ms單位制。

        圖1 碎片撞擊混凝土墻體模型

        仿真所需混凝土材料在AUTODYN材料庫中選擇,如圖2所示,修改材料參數(shù),選擇侵蝕模式為“Erosion Strain”,值為1.15?;鸺ㄋ槠牧蠀?shù)值如表1所示,碎片材料為LY12CZ鋁板,碎片大小為200 mm×200 mm,厚度為3.2 mm。表1中,ρ為密度,E為彈性模量,μ為泊松比,Troom為室溫,Tmelt為鋁合金材料熔點(diǎn),n為應(yīng)變硬化指數(shù),A為屈服強(qiáng)度,B為應(yīng)變硬化系數(shù),C為應(yīng)變率系數(shù),ε為參考應(yīng)變率,m為溫度指數(shù),相應(yīng)參數(shù)可查閱文獻(xiàn)[12]。表2為數(shù)值模擬中采用的材料模型。

        圖2 材料庫中混凝土材料參數(shù)

        材料ρ/(g·cm-3)E/MPaμTmelt/KTroom/KLY12CZ2.87720000.331220300材料nA/MPaB/MPaCε/s-1mLY12CZ0.283802900.01210.007

        表2 碎片與混凝土材料模型

        2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

        本研究借鑒王衛(wèi)杰等在液體火箭爆炸碎片模型研究中計算爆炸碎片初速的能量模型[13]

        (1)

        式中:v0為碎片初始速度;D為TNT爆速,值為6 920 m/s;m為等效TNT質(zhì)量;M為火箭殼體質(zhì)量。

        可以看出,由能量守恒定律推導(dǎo)出的爆炸碎片初速取決于等效TNT質(zhì)量、火箭殼體質(zhì)量。該型運(yùn)載火箭各級推進(jìn)劑質(zhì)量和貯箱結(jié)構(gòu)質(zhì)量如表3和表4所示。根據(jù)能量相似原理將表3中液體推進(jìn)劑總量換算成相應(yīng)TNT炸藥當(dāng)量并結(jié)合表4數(shù)據(jù)代入上述公式,得到全箭爆炸后碎片最大初速為2 631 m/s。

        表3 CZ-3B火箭各級推進(jìn)劑質(zhì)量

        表4 CZ-3B運(yùn)載火箭各級貯箱結(jié)構(gòu)質(zhì)量 kg

        圖3為碎片速度為2 631 m/s正侵徹混凝土墻體的仿真過程,圖4是中國科技大學(xué)徐偉芳等[14]在混凝土薄板的侵徹破壞響應(yīng)實(shí)驗(yàn)中用高速攝影機(jī)拍下的球形彈丸撞擊混凝土靶板的過程。對比仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以確定碎片侵徹混凝土墻體的過程:碎片撞擊墻體后,由于混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度,在反射拉伸應(yīng)力波的作用下,使墻面產(chǎn)生飛濺的粉末;隨著侵徹的深入,墻內(nèi)形成通道,同時有較大的混凝土塊飛出,在墻的側(cè)面出現(xiàn)裂紋,裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大,導(dǎo)致整體開裂。當(dāng)碎片速度達(dá)到某一臨界值時,碎片能夠穿透墻體對內(nèi)部人員及設(shè)備造成危害,否則將留在墻體內(nèi)部。從仿真結(jié)果與破壞實(shí)驗(yàn)對比中可以發(fā)現(xiàn),碎片撞擊產(chǎn)生的飛濺物要少于球形彈丸產(chǎn)生的飛濺物,這主要是由于碎片與墻面撞擊接觸面小造成的。

        圖3 碎片侵徹混凝土仿真過程

        圖4 混凝土靶板破壞過程

        根據(jù)目標(biāo)侵徹理論,碎片正面撞擊目標(biāo)時(撞擊傾角為0°)毀傷最為嚴(yán)重,因此在進(jìn)行碎片撞擊混凝土墻面的研究時,選擇碎片正侵徹為前提條件。為了研究碎片正撞擊速度對墻體侵徹深度的影響規(guī)律,增加墻面厚度,在離爆炸點(diǎn)0~200 m距離范圍內(nèi)選取了10個點(diǎn)進(jìn)行模擬,不同飛行距離碎片速度大小如表5所示。侵徹深度與碎片速度之間關(guān)系曲線如圖5所示。其中,理論計算結(jié)果來自Poncelet侵徹理論應(yīng)用于混凝土材料的經(jīng)驗(yàn)公式[15]

        (2)

        式中:vs為碎片的撞擊速度(vs<3 000 m/s);θc為法線著角;T為板厚;σ的對應(yīng)值為1.442 GPa,材料在低應(yīng)變率下的極限抗拉強(qiáng)度范圍是0.981~1.216 GPa。通過試驗(yàn),導(dǎo)出ρt/σ的值為0.186×106(m/s)2。

        表5 離炸點(diǎn)不同距離處碎片速度值

        從圖5中可以看出,隨著碎片速度的提高,侵徹深度呈線性增長趨勢。碎片侵徹混凝土墻體的過程中,碎片動能主要轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和混凝土塊的動能。數(shù)值模擬結(jié)果與理論分析結(jié)果在規(guī)律上基本一致,證明了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性,但理論結(jié)果總是高于仿真結(jié)果且隨著碎片速度提高,兩者誤差越來越大。這是由于碎片在侵徹墻體過程中發(fā)生了較大程度變形,而在侵徹理論模型中,將碎片假設(shè)為剛體,忽略了碎片變形消耗的能量,隨著碎片速度提高,碎片變形進(jìn)一步加劇,能量損失也越來越大。因此彈丸侵徹模型對于強(qiáng)度相對較低的火箭爆炸碎片并不適用。

        圖5 碎片速度-侵徹深度曲線

        圖6為不同速度的火箭爆炸碎片速度隨時間變化曲線??梢钥闯觯S著碎片速度的提高,侵徹深度增加導(dǎo)致碎片在墻體中行程增加,因此碎片所需的侵徹時間也就越長。表6為不同撞擊速度下碎片最大過載和對應(yīng)的峰值時間,隨著撞擊速度的增加最大過載也相應(yīng)增大,但出現(xiàn)峰值對應(yīng)的時間明顯縮短。

        表6 不同撞擊速度下碎片最大過載和所對應(yīng)的峰值時間

        圖6 碎片速度-時間曲線

        3 結(jié)論

        1) 彈丸侵徹模型對于強(qiáng)度相對較低的火箭爆炸碎片并不適用?;鸺ㄋ槠謴貕w過程中,碎片撞擊速度越大,碎片變形越嚴(yán)重,造成的能量損失越大。

        2) 碎片撞擊速度是影響火箭爆炸碎片侵徹能力的重要因素。隨著碎片撞擊速度的提高,侵徹深度呈線性增長趨勢,過載也隨之增大,但過載峰值出現(xiàn)的時間明顯縮短。

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