周游， 紀(jì)沖， 王雷元， 宋詩(shī)謙， 馬華原

(1.西北核技術(shù)研究所， 陜西 西安 710024； 2.陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 江蘇 南京 210007)

0 引言

近年來(lái)，世界范圍內(nèi)的恐怖襲擊和意外爆炸事件頻繁發(fā)生，對(duì)結(jié)構(gòu)物抗爆性能的評(píng)估顯得愈發(fā)重要。薄壁方管抗彎抗扭能力強(qiáng)、質(zhì)量輕，作為一種重要的工程構(gòu)件，在建筑、海洋、礦業(yè)、橋梁等工程結(jié)構(gòu)及武器裝備設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。恐怖襲擊和軍事行動(dòng)中，方管結(jié)構(gòu)往往遭受不止一次的爆炸作用，即方管結(jié)構(gòu)面臨多次爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。由于方管結(jié)構(gòu)往往殼壁較薄，在爆炸載荷作用下容易產(chǎn)生變形破壞。在這種情況下，如果方管結(jié)構(gòu)再次受到爆炸沖擊，則可能會(huì)產(chǎn)生更加嚴(yán)重的損傷，進(jìn)而對(duì)整個(gè)工程結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行產(chǎn)生不可估量的巨大風(fēng)險(xiǎn)。因此，開展方管結(jié)構(gòu)在多次爆炸載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)研究具有重大現(xiàn)實(shí)意義，可以為類似工程結(jié)構(gòu)修改和完善相關(guān)抗爆設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

目前關(guān)于薄壁結(jié)構(gòu)的研究大多集中在沖擊載荷作用下圓柱殼的動(dòng)力響應(yīng)研究[1-6]，而對(duì)作為柱殼結(jié)構(gòu)重要組成部分的方管結(jié)構(gòu)抗沖擊載荷作用研究較少[7-10]。Kim等[7]對(duì)方形截面短梁在準(zhǔn)靜態(tài)橫向載荷作用下的變形特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究；Bambach[8]對(duì)橫向爆炸載荷作用下不同邊界條件、不同幾何形狀、不同爆源條件金屬方管的變形破壞開展了數(shù)值模擬研究；Bambach[9]研究了鋁質(zhì)薄壁方管在爆炸載荷下的整體和局部變形，并得到了可預(yù)測(cè)其變形大小的經(jīng)驗(yàn)公式；宋克健等[10]研究了薄壁方管在側(cè)向爆炸載荷作用下的損傷變形，得到了爆炸載荷作用下方管的典型破壞模式，并分析了寬厚比對(duì)試件動(dòng)力響應(yīng)的影響。

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)工程結(jié)構(gòu)在單次爆炸作用下的動(dòng)力響應(yīng)和設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究較多，對(duì)多次爆炸作用下工程結(jié)構(gòu)的破壞模式以及動(dòng)力響應(yīng)研究則相對(duì)較少，且已有研究主要集中在混凝土和巖石介質(zhì)抗多次爆炸研究[11-14]，而對(duì)于多次爆炸作用下薄壁方管結(jié)構(gòu)的毀傷效應(yīng)研究則鮮見報(bào)道[15]。左魁等[11]進(jìn)行了巖石介質(zhì)中不同比例裝藥和比例距離的一次鉆孔爆炸和多次鉆孔爆炸試驗(yàn)；章毅等[12]在Abaqus有限元軟件中將爆炸載荷定義為無(wú)升壓時(shí)間的三角形載荷曲線，實(shí)現(xiàn)了多次爆炸載荷的加載，計(jì)算了鋼筋混凝土梁和鋼梁在多次爆炸作用下的動(dòng)力響應(yīng)問題；Kumar等[14]將常規(guī)武器爆炸載荷簡(jiǎn)化為三角波，對(duì)半埋建筑結(jié)構(gòu)在多次爆炸載荷下的毀傷進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算；Ji等[15]通過實(shí)驗(yàn)研究了薄壁方管在多次爆炸載荷下的變形，并分析了炸高、壁厚、藥量及爆炸次數(shù)對(duì)薄壁方管毀傷模式的影響；Henchie等[16]和Yuen等[17]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了重復(fù)均布爆炸載荷作用下鋼質(zhì)薄壁圓板的動(dòng)力響應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)隨著爆炸次數(shù)的增大，圓板中心迎爆點(diǎn)位移和維氏硬度隨之增大。

爆炸載荷作用后不但結(jié)構(gòu)形狀發(fā)生了改變，而且其材料性質(zhì)將發(fā)生損傷劣化[18-19]。因此，在結(jié)構(gòu)抗多次爆炸數(shù)值計(jì)算中，考慮每次爆炸作用后材料物理?yè)p傷對(duì)結(jié)構(gòu)后續(xù)動(dòng)力響應(yīng)的影響也至關(guān)重要，應(yīng)給出適合的損傷變量，反映損傷區(qū)材料劣化程度，重新計(jì)算材料參數(shù)，進(jìn)行后續(xù)爆炸計(jì)算。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，將薄壁方管置于單次和重復(fù)爆炸場(chǎng)中進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，并借助動(dòng)力有限元程序LS-DYNA建立三維實(shí)體模型，通過損傷因子反映爆炸載荷作用后材料的損傷劣化，對(duì)薄壁方管在單次和重復(fù)爆炸載荷作用的變形損傷進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以獲得爆炸次數(shù)對(duì)方管動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本文實(shí)驗(yàn)研究所用薄壁方管材料為Q235鋼，其壁厚a為4 mm(實(shí)際測(cè)得約3.97 mm)，軸向長(zhǎng)度L為100 cm，橫截面邊長(zhǎng)b為100 mm. 方管橫截面圓角外側(cè)曲率半徑為5 mm、內(nèi)側(cè)為1 mm，內(nèi)外側(cè)曲率半徑之差即為方管壁厚。爆源分別為100 g和160 g裸裝圓柱形壓裝梯恩梯(TNT)裝藥，尺寸分別為φ48×34 mm和φ48×54 mm，重復(fù)爆炸第1次爆炸裝藥量為100 g、第2次爆炸裝藥量為160 g，采用電雷管對(duì)裝藥上端面進(jìn)行中心起爆。裝藥位于方管迎爆點(diǎn)正上方，并確保方管迎爆面與裝藥軸線相互垂直。由于已遭受爆炸載荷作用產(chǎn)生損傷的方管，其任何部位均有可能再次遭受爆炸沖擊，為分析方便并考慮最極端情況，實(shí)驗(yàn)中將重復(fù)爆炸爆源設(shè)置在同一方向上。

將重復(fù)爆炸第1次爆炸裝藥距離R定義為裝藥底部與方管迎爆點(diǎn)之間的距離。當(dāng)變形方管遭受第2次爆炸沖擊時(shí)，裝藥距離R變?yōu)閺难b藥底部到方管凹陷區(qū)域中心點(diǎn)的距離。當(dāng)比較不同工況下方管的變形時(shí)，橫截面變形尤為重要。因此，為方便研究，重復(fù)爆炸第1次和第2次爆炸的裝藥距離R取值相等。為比較方管在單次爆炸和重復(fù)爆炸作用下的變形和損傷異同，在進(jìn)行重復(fù)爆炸研究的同時(shí)，也開展與重復(fù)爆炸第2次爆炸相同工況下的單次爆炸研究。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)時(shí)選取18 cm、16 cm及14 cm 3種裝藥距離，分別對(duì)薄壁方管進(jìn)行單次爆炸和重復(fù)爆炸沖擊實(shí)驗(yàn)。6種不同工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 爆炸載荷作用下薄壁方管的沖擊變形圖

Tab.1 Deformation and damage of square tubes subjected to single and repeated blast loads

從表1所示方管殘余變形圖可知，裝藥距離及爆炸次數(shù)對(duì)方管變形損傷均有較大影響。由于實(shí)驗(yàn)中作用于方管上的爆炸載荷相對(duì)較小，6種工況下的方管均未發(fā)生破裂及整體變形，爆炸載荷對(duì)方管做功主要體現(xiàn)在迎爆面局部塑性變形區(qū)的大小。當(dāng)裝藥距離相等時(shí)，重復(fù)爆炸作用下方管變形明顯大于單次爆炸。隨著裝藥距離的減小，方管吸收重復(fù)爆炸載荷能量逐漸增加，局部塑性變形區(qū)范圍增大，具體表現(xiàn)為變形區(qū)軸向長(zhǎng)度增大、徑向長(zhǎng)度減小、迎爆點(diǎn)位移增大。

2 數(shù)值模擬

為進(jìn)一步分析爆炸次數(shù)對(duì)方管動(dòng)力響應(yīng)的影響，利用LS-DYNA軟件對(duì)方管在單次和重復(fù)爆炸載荷作用下的響應(yīng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬。

數(shù)值計(jì)算時(shí)選取以下兩種典型工況進(jìn)行重點(diǎn)分析：工況1(a=4.0 mm，R=18.0 cm，單次爆炸)、工況2(a=4.0 mm，R=18.0 cm，重復(fù)爆炸)。

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

由于模型的對(duì)稱性，為減少計(jì)算時(shí)間、提高研究效率，建立1/4計(jì)算模型，將對(duì)稱面上的節(jié)點(diǎn)設(shè)置對(duì)稱約束，并采用g-cm-μs單位制和Solid164六面實(shí)體單元建模。圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)分別為單次爆炸和重復(fù)爆炸第1次、第2次爆炸有限元計(jì)算模型?？諝庥蚝驼ㄋ幍木W(wǎng)格劃分為0.3 cm，方管被空氣域包圍的一側(cè)網(wǎng)格尺寸為0.2 cm，剩余部分網(wǎng)格劃分為0.4 cm. 對(duì)圓柱形裝藥上端面中心進(jìn)行起爆。定義炸藥、空氣為Euler網(wǎng)格，方管為L(zhǎng)agrange網(wǎng)格，并將空氣側(cè)面定義為透射邊界。將炸藥、空氣設(shè)置為一個(gè)任意拉格朗日- 歐拉(ALE)方法多物質(zhì)組，將炸藥、空氣與方管的相互作用進(jìn)行耦合計(jì)算[3]。計(jì)算模型中，炸藥、方管的形狀尺寸及二者間的相對(duì)位置等條件與本文實(shí)驗(yàn)情況完全一致。

圖1 有限元計(jì)算模型Fig.1 Finite element models

2.2 材料模型及參數(shù)

TNT裝藥采用高能炸藥模型和Jones-Wilkins-Lee(JWL)狀態(tài)方程進(jìn)行描述：

(1)

式中：pe為爆轟產(chǎn)物壓力；η=ρ/ρe，ρ為產(chǎn)物密度，ρe為炸藥密度；E0為單位體積炸藥內(nèi)能；A1、B1、R1、R2、ω為實(shí)驗(yàn)擬合參數(shù)。計(jì)算中各參數(shù)取值見參考文獻(xiàn)[20]?？諝獠捎每瞻撞牧夏Ｐ?NULL)和理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行描述[2]。

方管材料選取Johnson-Cook材料模型[21]。其斷裂應(yīng)變?yōu)?/p>

(2)

2.3 重復(fù)爆炸數(shù)值模擬方法

在重復(fù)爆炸作用下方管動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值模擬中，主要應(yīng)用LS-DYNA軟件的完全重啟動(dòng)功能和LS-PREPOST軟件的前后處理功能，對(duì)方管在重復(fù)爆炸載荷沖擊下的動(dòng)力響應(yīng)及變形損傷進(jìn)行計(jì)算。首先應(yīng)用TrueGrid軟件進(jìn)行前處理建模，進(jìn)行方管在第1次爆炸載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算。然后利用LS-PREPOST軟件在第2次爆炸數(shù)值計(jì)算模型中修改*INITIAL_DETONATION關(guān)鍵字，設(shè)置第2次爆炸的起爆時(shí)間，定義關(guān)鍵字 *STRESS_INITIALIZATION以實(shí)現(xiàn)LS-DYNA的完全重啟動(dòng)功能，將第1次爆炸作用后方管產(chǎn)生的應(yīng)變、位移等計(jì)算結(jié)果作為第2次爆炸作用的初始條件。

爆炸載荷作用后結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)也將發(fā)生損傷劣化，本文通過損傷因子D對(duì)剪切模量和屈服強(qiáng)度的影響來(lái)反映方管損傷區(qū)材料的劣化。由于方管迎爆面各處單元所受爆炸載荷大小不等，各處的損傷因子大小也不相同，為兼顧數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性與可行性，選取方管迎爆面塑性變形區(qū)單元的損傷因子均值，作為方管在第1次爆炸載荷作用后的損傷因子，選取區(qū)域如圖2所示。

圖2 求取方管損傷因子選取的區(qū)域Fig.2 Selected elements for calculating damage factors

工況2下，方管在第1次爆炸載荷作用后，其迎爆面塑性變形區(qū)各單元的損傷因子如圖3所示。經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到方管各選取單元損傷因子均值為0.005 2，如圖4所示。

圖3 各選取單元損傷因子Fig.3 Damage factors of the selected elements

圖4 各選取單元損傷因子均值Fig.4 Average damage factor of the selected elements

爆炸載荷作用下，方管塑性變形區(qū)會(huì)產(chǎn)生損傷劣化，材料強(qiáng)度和剛度均有所下降，其折減規(guī)律[23]可表示為

(3)

σd=σ0(1-4D)，

(4)

式中：Gd和G0分別為損傷剪切模量和無(wú)損傷剪切模量；σd和σ0分別為損傷屈服強(qiáng)度和無(wú)損傷屈服強(qiáng)度；ν為泊松比。對(duì)于Q235鋼，ν取值0.3.損傷因子D由數(shù)值計(jì)算結(jié)果求得。故工況2下第1次爆炸載荷作用后方管材料剪切模量和屈服強(qiáng)度為

Gd=0.99G0,

(5)

σd=0.98σ0.

(6)

將Johnson-Cook材料模型參數(shù)中的剪切模量和屈服強(qiáng)度修正為損傷剪切模量和損傷屈服強(qiáng)度，啟動(dòng)LS-DYNA軟件的完全重啟動(dòng)功能，導(dǎo)入第1次爆炸計(jì)算結(jié)束后生成的d3dump文件和第2次爆炸數(shù)值計(jì)算模型，即可進(jìn)行第2次爆炸作用下方管的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

表2給出了工況1和工況2兩種工況下方管變形值的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)。方管變形參數(shù)說(shuō)明如圖5所示。對(duì)比表2中的數(shù)據(jù)可知，相同工況下，計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，誤差在10%以內(nèi)。

表3、表4所示分別為方管在單次和重復(fù)爆炸荷載作用下變形模態(tài)的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，從中可以看出二者具有良好的一致性，表明本文所建計(jì)算模型和選取參數(shù)合理，數(shù)值計(jì)算結(jié)果可信。

表2 方管變形數(shù)據(jù)模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖5 方管變形參數(shù)說(shuō)明Fig.5 Sketches of deformation paramenters

3.2 單次爆炸作用下方管動(dòng)力響應(yīng)分析

圖6所示為方管在工況1即單次爆炸載荷作用下的變形過程。從圖6中可以看到，方管在爆炸沖擊載荷作用下，迎爆點(diǎn)首先受到爆炸載荷沖擊，并發(fā)生彈性變形，一旦其受到的應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度，方管便開始發(fā)生塑性變形。在沖擊荷載的進(jìn)一步作用下，塑性變形區(qū)逐漸擴(kuò)大，軸線方向上向兩端擴(kuò)展，徑向方向上兩側(cè)邊受拉力作用向中心運(yùn)動(dòng)，最終形成一個(gè)沙漏狀局部塑性變形區(qū)。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，1 200 μs后方管變形不再發(fā)生變化，圖6中方管的殘余變形表明方管只在迎爆面發(fā)生了局部凹陷塑性變形，因?yàn)樵诖斯r下，爆炸載荷峰值壓力比較小，方管未發(fā)生破裂，同時(shí)整個(gè)方管所受到的扭矩也小于其抗彎扭矩，方管沒有發(fā)生整體變形。為研究殼體表面不同位置處各單元的變形過程，選取殼體迎爆面軸線中截面上不同位置處的6個(gè)典型單元，命名為A、B、C、D、G、H. 其中：A為迎爆面中心點(diǎn)單元，A、B、C、D單元間隔4 cm；G、H為軸向單元，A、G、H之間間隔為2.5 cm，H位于側(cè)邊上；具體位置如圖7所示。通過研究這6個(gè)不同位置處單元的位移- 時(shí)間曲線和有效應(yīng)變- 時(shí)間曲線，可以揭示各工況下殼體壁面不同位置處的變形過程，進(jìn)一步深入理解其變形機(jī)理。

表4 方管軸向變形數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

Tab.4 Experimental and simulated results of deformation of square tube in axial direction

圖6 工況1下方管在單次爆炸載荷作用下動(dòng)力響應(yīng)過程Fig.6 Deformation and damage processes of square tube under Project 1

圖7 單元選取位置示意圖Fig.7 Sketch of element selection

圖8所示為殼體表面各選取單元有效應(yīng)變和位移隨時(shí)間的變化曲線。從圖8(a)中可以看出，殼體不同位置處受到爆炸沖擊載荷作用后迅速產(chǎn)生塑性變形，其有效應(yīng)變也隨之迅速增大。各軸向單元中迎爆點(diǎn)A處的最大有效應(yīng)變最大，達(dá)到0.040，B、C、D處的最大有效應(yīng)變隨著距離迎爆點(diǎn)A處距離的增大有減小趨勢(shì)，因?yàn)榫嚯x迎爆點(diǎn)越遠(yuǎn)，單元受到的爆炸載荷越小，其數(shù)值分別為0.027、0.002和0.010. 而徑向單元呈現(xiàn)由迎爆點(diǎn)向側(cè)邊先減小、后增大的趨勢(shì)，即H處最大、A處次之、G處最小。

圖8 方管各單元在單次爆炸載荷作用下的有效應(yīng)變和位移時(shí)程曲線Fig.8 Effective strain-time and displacement-time curves obtained at various points under Project 1

究其原因，方管側(cè)邊是迎爆面和側(cè)面的交界處，本身容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，另外在爆炸載荷作用下兩側(cè)邊會(huì)受到指向迎爆點(diǎn)的較大拉力作用向中間運(yùn)動(dòng)，在兩側(cè)邊向中間運(yùn)動(dòng)過程中兩側(cè)邊還會(huì)發(fā)生卷曲，進(jìn)而產(chǎn)生更加嚴(yán)重的應(yīng)力集中，H成為應(yīng)力熱點(diǎn)，使得H處的有效應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)迅速且數(shù)值較大，甚至超過迎爆點(diǎn)A處的有效應(yīng)變大小。

通過以上分析可知，方管兩側(cè)邊是較脆弱的區(qū)域，極易因?yàn)閼?yīng)力集中產(chǎn)生較大塑性應(yīng)變，一旦超過材料極限斷裂應(yīng)變值方管將發(fā)生破裂，這對(duì)于工程上方管的作用發(fā)揮極為不利，因此必須對(duì)方管的這一區(qū)域加強(qiáng)防護(hù)。

從圖8(b)中可知，方管迎爆點(diǎn)A處的變形撓度值最大，其余各單元的變形撓度分別沿軸向或徑向隨著距A處距離的增大而逐漸減小，變形撓度從大到小依次為A、B、G、C、D、H，與有效應(yīng)變大小排序有所不同。從圖8(b)中還可以看出，A、B、G、C4處的運(yùn)動(dòng)速率先增大、后逐漸減小，隨著時(shí)間的增大，H、D兩處運(yùn)動(dòng)速率則一直較小，D處的位移時(shí)程曲線近似為直線。900 μs后，各單元位移時(shí)程曲線幾乎平行，表明殼體變形結(jié)束，各單元相對(duì)位置不再發(fā)生改變。

3.3 重復(fù)爆炸作用下方管動(dòng)力響應(yīng)分析

圖9所示為Project 2工況下方管在重復(fù)爆炸荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)過程。從圖9可知，工況2下方管在遭受第1次爆炸載荷作用1 200 μs后，變形不再發(fā)生變化，因此在數(shù)值模擬過程中，取1 200 μs作為方管遭受第1次爆炸載荷作用的時(shí)間。

第2次裝藥在1 210 μs時(shí)刻起爆，于1 260 μs時(shí)刻爆炸載荷作用于方管，方管在第2次爆炸載荷作用下于2 400 μs后變形不再發(fā)生變化。方管在第1次爆炸載荷下的響應(yīng)過程與單次爆炸類似，由于裝藥量更小，方管產(chǎn)生的塑性變形更小。已經(jīng)產(chǎn)生變形的方管在第2次爆炸載荷作用下開始繼續(xù)變形，局部塑性變形區(qū)軸線方向進(jìn)一步向兩端擴(kuò)展，而徑向兩側(cè)向中間運(yùn)動(dòng)。另外，還觀察到，由于方管兩側(cè)邊向中間運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還有向下的運(yùn)動(dòng)，致使方管兩側(cè)面產(chǎn)生了逐漸增大的隆起鼓包。而此時(shí)方管從迎爆面單面吸收爆炸荷載能量轉(zhuǎn)化為迎爆面和兩側(cè)面共三面吸收載荷能量。相對(duì)于單次爆炸，重復(fù)爆炸最終形成的迎爆面漏斗狀局部塑性變形區(qū)軸向更長(zhǎng)、頸部收縮，另外還產(chǎn)生了兩側(cè)面隆起鼓包。

圖10和圖11分別為方管各單元在第1次和第2次爆炸載荷作用下的有效應(yīng)變和位移時(shí)程曲線。從圖10和圖11中可以看到，第1次爆炸作用結(jié)束的應(yīng)變、位移狀態(tài)與第2次爆炸作用初始狀態(tài)是一致的，表明完全重啟動(dòng)方法成功得到了實(shí)現(xiàn)。

對(duì)比圖10、圖11與圖8可以看出，各單元在重復(fù)爆炸作用下的有效應(yīng)變和位移變化趨勢(shì)與單次爆炸基本一致。方管在第1次爆炸載荷作用下各單元有效應(yīng)變迅速增大并產(chǎn)生位移，隨著爆炸載荷的進(jìn)一步作用，各單元有效應(yīng)變和位移差值逐漸增大。

變形后的方管在第2次爆炸載荷作用下，各單元有效應(yīng)變和位移差值進(jìn)一步拉大并最終趨于穩(wěn)定，形成如圖9所示的殘余變形，表明方管在重復(fù)爆炸作用下的響應(yīng)是一個(gè)變形和損傷逐漸積累過程，每次爆炸作用后，方管變形損傷都更嚴(yán)重。

3.4 單次爆炸和重復(fù)爆炸對(duì)比分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算模擬工況可知，方管在單次爆炸和重復(fù)爆炸的第2次爆炸作用下動(dòng)力響應(yīng)中的計(jì)算條件相同，即爆源均為160 g TNT裝藥，裝藥距離均為18 cm. 為更進(jìn)一步理解重復(fù)爆炸作用下方管變形損傷機(jī)理，將單次爆炸與重復(fù)爆炸的第2次爆炸進(jìn)行對(duì)比研究。

圖9 工況2下方管在重復(fù)爆炸載荷作用下動(dòng)力響應(yīng)過程Fig.9 Deformation and damage processes of square tube under Project 2

圖10 方管各單元在重復(fù)爆炸的第1次爆炸載荷作用下有效應(yīng)變和位移時(shí)程曲線Fig.10 Effective strain-time and displacement-time curves obtained at various points under the first blast

圖12所示為方管各單元在單次爆炸和重復(fù)爆炸的第2次爆炸作用下有效應(yīng)變?cè)隽勘容^圖。重復(fù)爆炸的第2次爆炸中方管各單元有效應(yīng)變?cè)隽咳≈禐榈?次爆炸作用后有效應(yīng)變與第1次爆炸作用后有效應(yīng)變的差值。從圖12中可以看出，雖然兩種條件下方管所承受的爆炸載荷相等，但重復(fù)爆炸的第2次爆炸條件下的有效應(yīng)變?cè)隽棵黠@大于單次爆炸，而且在迎爆點(diǎn)附近區(qū)域單元A、G，側(cè)邊單元H以及軸向塑性鉸單元D處，前者有效應(yīng)變?cè)隽繛楹笳叩?.47～3.88倍，而在距離迎爆點(diǎn)A較遠(yuǎn)的B、C處，前者有效應(yīng)變?cè)隽窟_(dá)到了后者的1.35～1.87倍。

圖12 單次爆炸和重復(fù)爆炸的第2次爆炸作用下方管各單元有效應(yīng)變?cè)隽勘容^Fig.12 Comparison of effective strains obtained at various points under the single and repeated blasts

方管在第1次爆炸作用下產(chǎn)生了變形和損傷，改變了第2次爆炸載荷對(duì)方管不同位置處的作用力大小以及迎爆面的受力狀態(tài)。第2次爆炸載荷加載時(shí)，側(cè)邊單元H到裝藥的距離相比單次爆炸減小，H受到的沖擊載荷有所增強(qiáng)；且H處于應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致H處在第2次爆炸載荷作用下的有效應(yīng)變?cè)隽孔畲?。迎爆點(diǎn)A處的有效應(yīng)變?cè)隽烤o隨其后，G處距離A處較近，其有效應(yīng)變?cè)黾用黠@，B、C處的有效應(yīng)變?cè)黾虞^小。D處由于處于塑性變形區(qū)的邊緣塑性鉸位置，其有效應(yīng)變相對(duì)B、C處增加更大。根據(jù)金屬材料斷裂準(zhǔn)則，材料受到的有效應(yīng)變大于極限斷裂應(yīng)變時(shí)金屬材料將發(fā)生破裂。因此，與相對(duì)無(wú)損方管相比，相同爆炸載荷作用下，已變形損傷的方管其有效應(yīng)變值增加更大，容易引起方管更為嚴(yán)重的毀傷。

4 結(jié)論

本文采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，研究了單次和重復(fù)爆炸載荷作用下薄壁方管的動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)比分析了不同爆炸次數(shù)對(duì)方管變形損傷的影響。得到的主要結(jié)論如下：

1) 運(yùn)用動(dòng)力有限元程序LS-DYNA完全重啟動(dòng)功能及流體與固體耦合算法，獲得了方管在單次和重復(fù)爆炸載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)過程；給出了一種通過損傷因子反映爆炸載荷作用后材料損傷劣化的數(shù)值計(jì)算方法，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，可為多次爆炸作用下工程結(jié)構(gòu)的連續(xù)損傷問題提供參考。

2) 方管在重復(fù)爆炸載荷作用下的變形會(huì)產(chǎn)生損傷積累，相同爆炸載荷作用下，已變形損傷的方管相對(duì)無(wú)損方管其有效應(yīng)變?cè)隽扛?。本文?shí)驗(yàn)條件下，在迎爆點(diǎn)周圍區(qū)域、側(cè)邊以及塑性鉸位置，前者有效應(yīng)變?cè)隽窟_(dá)到了后者的2.47～3.88倍，容易引起方管更嚴(yán)重的毀傷。

3) 兩側(cè)邊是方管較脆弱的部位，極易因應(yīng)力集中產(chǎn)生較大塑性應(yīng)變而導(dǎo)致方管發(fā)生破裂，對(duì)工程上方管結(jié)構(gòu)作用的發(fā)揮非常不利，需要特別加強(qiáng)防護(hù)。