尹華偉,張 料,段金曦,劉利民

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙 410082；2.湖南湖大土木建筑工程檢測有限公司，長沙 410082；3.國防科技大學(xué) 軍事基礎(chǔ)教育學(xué)院，長沙 410073；4.湖南澤天傳感科技有限公司，長沙 410073)

爆炸荷載由于在極短時間內(nèi)，產(chǎn)生的高溫高壓氣體以極高的速度膨脹，釋放出大量能量，產(chǎn)生的沖擊波的傳播速度極快，同時破壞性極強(qiáng)；汽車工程、建筑工程、國防軍事等專業(yè)的專家學(xué)者都很重視材料在極端爆炸荷載加載下的防撞、抗爆、吸能等性能的材料研究，平面爆炸波加載裝置能夠?qū)⑶蛎姹úń?jīng)網(wǎng)狀格柵濾波[1]，再經(jīng)導(dǎo)波管多次反射，形成加載速率一致的平面爆炸波。

為了研究工程材料在低、中應(yīng)變率加載下的材料沖擊性能[2,3]，落錘試驗和霍普金森實驗等在中低速沖擊實驗中備受專家學(xué)者青睞，但是在極端爆炸荷載作用下，來測試材料的動態(tài)響應(yīng)，因爆炸實驗本身的可控難度大，反應(yīng)時間極快，物質(zhì)爆炸的燃燒速度為爆轟時能在爆炸點突然引起極高壓力，并產(chǎn)生超音速的“沖擊波”[4-6]。在極短時間內(nèi)發(fā)生的燃燒產(chǎn)物急速膨脹，像活塞一樣擠壓其周圍氣體，迅速傳播并能遠(yuǎn)離爆轟的發(fā)源地而獨立存在，為了更加精準(zhǔn)可靠的測得有效實驗數(shù)據(jù)，設(shè)計一套平面爆炸波加載裝置，用于更好的分析動態(tài)荷載下的動態(tài)響應(yīng)、應(yīng)力波的傳播規(guī)律、能量耗散分析及試件破壞的機(jī)理[7-9]。

本文設(shè)計了一套能精準(zhǔn)測量在爆炸荷載作用下有效動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)的平面爆炸波加載裝置，并通過LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬對比分析[10]，本裝置能提供的爆炸荷載加載速率高、構(gòu)造簡單、實驗便捷等性能多目標(biāo)的優(yōu)化了實驗裝置，供給各界工程技術(shù)、軍事技術(shù)和科學(xué)研究的專家學(xué)者可靠的實驗數(shù)據(jù)[11-14]。

1 實驗原理及裝置

1.1 實驗原理

結(jié)構(gòu)物在爆炸荷載下的動態(tài)響應(yīng)與靜態(tài)響應(yīng)實際上包含了介質(zhì)質(zhì)點的慣性效應(yīng)(波傳播)和材料本構(gòu)關(guān)系的應(yīng)變率效應(yīng)。就研究材料的動態(tài)力學(xué)性能而言，研究的目的只是研究材料的應(yīng)變率效應(yīng)。在應(yīng)力波的傳播分析中，材料動態(tài)本構(gòu)方程(材料動態(tài)力學(xué)行為)是建立整個問題基本控制方程組所不可缺少的組成部分;換言之，波傳播的研究是以材料動態(tài)本構(gòu)關(guān)系已知為前提的;而另一方面，在進(jìn)行材料高應(yīng)變率下動態(tài)本構(gòu)關(guān)系試驗研究時，一般又必須考慮試驗裝置和試件中的應(yīng)力波傳播及相互作用，換言之，在材料動態(tài)響應(yīng)研究中又要依靠所試驗材料中應(yīng)力波傳播的知識來分析。

平面爆炸波實驗裝置結(jié)構(gòu)由能量釋放(引爆)裝置、平面應(yīng)力波傳遞裝置(導(dǎo)波管)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及能量耗損裝置(試件安裝節(jié)段)四部分組成(實驗裝置見圖1)，當(dāng)炸藥一經(jīng)引爆極速產(chǎn)生高壓應(yīng)力波，經(jīng)網(wǎng)狀格柵濾波、導(dǎo)波管的多次反射，形成一維的平面應(yīng)力波；迅速推動帶有電阻應(yīng)變計的鋼墊塊，將應(yīng)力波傳遞給材料試件，由于試件材料和鋼墊塊的慣性效應(yīng)，整個試件將被壓縮。沖擊波作用在貼有電阻應(yīng)變的鋼墊塊上，沖擊波將被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以數(shù)據(jù)的形式被保存，從而測得材料的變形和破壞情況，獲得材料的動態(tài)力學(xué)性能數(shù)據(jù)。

圖 1 平面爆炸波加載裝置Fig. 1 Planar explosive wave loading device

平面爆炸波試驗加載裝置采用串聯(lián)雷管同步引爆網(wǎng)狀導(dǎo)爆索，并經(jīng)導(dǎo)波管調(diào)節(jié)獲得平面爆炸波對混凝土試件進(jìn)行均勻加載。已有研究表明采用網(wǎng)狀格柵濾波，經(jīng)一定距離后通過沖擊板對試件進(jìn)行加載，能達(dá)到均勻加載效果。本試驗裝置采用多點同步起爆和上球鉸支座對試件進(jìn)行沖擊加載。平面爆炸波加載試驗可獲得與爆炸試驗一致的加載速率，可用來研究試件在很高應(yīng)變率加載時的性能。依據(jù)一維應(yīng)力波理論，就可以方便地得到材料的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)。但是要得到有效并精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，下列平面應(yīng)力波的假設(shè)需滿足：

1)爆炸波經(jīng)網(wǎng)狀格柵濾波及導(dǎo)播管多次反射最終作用在試件上的應(yīng)力波是一維的，因為壓力傳感器應(yīng)變片所測得的應(yīng)變通常代表橫截面的軸向應(yīng)變。

2)試件中的應(yīng)力應(yīng)變處于均勻狀態(tài)。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本裝置采用壓電式傳感器計安裝于軸向爆炸室底蓋上，結(jié)合INV3062T2動態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀、INV1861A應(yīng)變調(diào)理儀及COINV DASP V11軟件系統(tǒng)組成。爆炸/沖擊荷載以載荷作用的短歷時為其特征，在以毫秒(ms)、微秒(μs)甚至納秒(ns)計的短暫時間尺度上發(fā)生了運動參量(位移、速度、加速度)的顯著變化。在這樣的動載荷條件，介質(zhì)的微元體處于隨時間迅速變化著的動態(tài)過程中，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能[15,16]。

INV3062T2適合分布式、多測點、遠(yuǎn)距離或無線傳輸?shù)恼駝?、噪聲、沖擊、應(yīng)變、壓力、電壓等各種物理量信號采集，其采集頻率可達(dá)51.2 kHz；與DASP軟件相連形成具有一百余項先進(jìn)技術(shù)的高性能數(shù)據(jù)采集和信號處理系統(tǒng)。

INV1861A便攜式8通道應(yīng)變調(diào)理器，機(jī)內(nèi)含電源轉(zhuǎn)換、橋壓供給、信號放大、低通濾波、預(yù)平衡、程序控制、電壓輸出等單元，可以將微弱的應(yīng)變信號進(jìn)行放大、處理后為后續(xù)分析、記錄設(shè)備提供合格的電壓信號。可廣泛應(yīng)用于鐵路公路橋梁檢測、地基沉陷、土壓測量及大型工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、載荷、位移等測量。

DASP平臺軟件是由動態(tài)測試和信號分析軟件組成的，其中包括信號示波和采集、信號發(fā)生和DA輸出、基本信號分析等方面的幾十個測試分析模塊，不同的平臺軟件包含不同的模塊組合，在采樣過程中主要分為三種方式：示波，超大容量連續(xù)采樣，三思維采樣(可一邊采樣、一邊示波、一邊進(jìn)行頻譜分析，示波采樣分析同時進(jìn)行)。

為驗證研究平面爆炸波一維平面效果，本實驗采用壓電式傳感器分別測量分布在爆炸室底蓋上圓心、半徑為100 mm、及半徑為150 mm處的爆炸沖擊波壓力，其測點布置如圖2。

圖 2 爆炸沖擊波測點布置Fig. 2 Arrangement of blast shock wave measuring points

2 實驗研究及結(jié)果

實驗采用平面爆炸波加載裝置，測試分別在不同炸藥當(dāng)量(15.99 g、23.99 g、31.99 g)加載下產(chǎn)生的沖擊波壓力(實驗現(xiàn)場圖片見圖3)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集、動態(tài)測試和信號分析軟件分析，得到實驗數(shù)據(jù)，在不同炸藥當(dāng)量下的爆炸沖擊波壓力時程曲線如圖4。

圖 3 實驗現(xiàn)場Fig. 3 Experimental site under different explosive equivalents

圖 4 不同炸藥當(dāng)量下爆炸沖擊波實驗壓力時程曲線Fig. 4 Time history curve of experimental pressure of blast wave

3 LS-DYNA數(shù)值分析

LS-DYNA是眾所周知進(jìn)行顯示動力分析的有限元程序，可以準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行爆炸分析、碰撞分析等高度非線性問題[17]；在離散單元的方法上針對連續(xù)介質(zhì)單元發(fā)展了有限單元法、有限體積法、有限差分法，在針對工程中的混凝土、裂縫巖石等非連續(xù)介質(zhì)的時候發(fā)展了離散元方法、有限塊體法、數(shù)值流形法來研究此類問題，在采用坐標(biāo)系統(tǒng)分析的現(xiàn)階段主要是任意拉格朗日法、歐拉方法(ALE)和耦合拉格朗日、歐拉方法(CLE)以及近年來在爆炸分析領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的光滑質(zhì)點動力學(xué)法(SPH)[18-22]，可以更簡單實現(xiàn)復(fù)雜的本構(gòu)行為，更精準(zhǔn)地分析材料在爆炸荷載作用下的材料破壞計算。

本實驗數(shù)值模擬分析使用ANSYS前處理器前進(jìn)行指定單元屬性、實常數(shù)、定義材料模型、建立幾何模型、劃分網(wǎng)格、生成PART、定義接觸、施加荷載與邊界條件等前處理；修改關(guān)鍵字文件并將其遞交LS-DYNA求解器中求解，在求解完成后，LS-DYNA會輸出D3PLOT以及D3THTD兩種文件結(jié)果分析文件，最后應(yīng)用LS-PREPOST后處理器進(jìn)行結(jié)果分析。

3.1 幾何模型

研究建立平面爆炸波實驗的1/4計算模型如圖5所示，平面爆炸波加載裝置幾何模型如圖6所示，采用關(guān)鍵(*BOUNDARY_SPC_SET)在模型對稱面上施加面約束，采用SOLID164實體單元對鋼性墊板、SFRC紡錘體試件進(jìn)行單元離散，尺寸為2 mm,采用單點高斯積分拉格朗日算法，單點積分的顯示單元能很好地應(yīng)用于爆炸事件引起的大變形、材料失效和接觸等高精度非線性問題[23,24]。

圖 5 1/4 LS-DYNA計算模型Fig. 5 /4 LS-DYNA calculation model

圖 6 平面爆炸波加載裝置幾何模型Fig. 6 Geometric model of plane explosive wave loading device

3.2 LS-DYNA算法介紹

LS-DYNA 是眾所周知進(jìn)行顯示動力分析的有限元程序，可以準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行爆炸分析、碰撞分析等高度非線性問題；在離散單元的方法上針對連續(xù)介質(zhì)單元發(fā)展了有限單元法、有限體積法、有限差分法，在針對工程中的混凝土、裂縫巖石等非連續(xù)介質(zhì)的時候發(fā)展了離散元方法、有限塊體法、數(shù)值流形法來研究此類問題，在采用坐標(biāo)系統(tǒng)分析的現(xiàn)階段主要是任意拉格朗日法、歐拉方法(ALE)和耦合拉格朗日、歐拉方法(CLE)、以及近年來在爆炸分析領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的光滑質(zhì)點動力學(xué)法(SPH)，可以更簡單實現(xiàn)復(fù)雜的本構(gòu)行為，更精準(zhǔn)地分析材料在爆炸荷載作用下的材料破壞計算[25,26]。

3.2.1 TNT炸藥材料模型

TNT炸藥采用高能炸藥材料模型(*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN),并聯(lián)立*EOS_JWL狀態(tài)方程。炸藥材料參數(shù)見表1。

表 1 炸藥材料參數(shù)Table 1 Explosive material parameters

表中：ρ為質(zhì)量密度，VD為爆炸速度，PCJ為Chapman-Jouget壓力。

JWL狀態(tài)方程定義壓力為

(1)

TNT炸藥的狀態(tài)方程參數(shù)取值見表2。

表 2 TNT炸藥狀態(tài)方程參數(shù)Table 2 Equation of state parameters of TNT explosive

3.2.2 空氣材料模型

模擬中導(dǎo)波管內(nèi)爆炸室空氣域材料模型采用*MAT_NULL,耦合*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程，該狀態(tài)方程用來定義空氣等流體材料模型，需要輸入得參數(shù)包括：密度、彈性模量、泊松比、壓力截斷值(小于0.0)、動力粘性系數(shù)、擴(kuò)張侵蝕過程得相對體積(取0表示忽略)、壓縮侵蝕過程得相對體積(取0表示忽略)狀態(tài)方程的系數(shù)C0到C6、初始內(nèi)部能量及初始相對體積；空氣材料模型參數(shù)見表3。

表 3 空氣材料模型參數(shù)Table 3 Air material model parameters

3.3 LS-DYNA模擬結(jié)果

本實驗?zāi)M采用LS-DYNA數(shù)值分析軟件模擬平面爆炸波加載裝置，研究在不同炸藥當(dāng)量(15.99 g、23.99 g、31.99 g)加載下產(chǎn)生的沖擊波壓力，經(jīng)LS-DYNA求解器中求解，在求解完成后，LS-DYNA會輸出D3PLOT以及D3THTD兩種文件結(jié)果分析文件，最后應(yīng)用LS-PREPOST后處理器進(jìn)行結(jié)果分析；在不同炸藥當(dāng)量下的爆炸沖擊波模擬壓力時程曲線如圖7。

圖 7 不同炸藥當(dāng)量下爆炸沖擊波模擬壓力時程曲線Fig. 7 Time history curve of simulated blast wave pressure under different explosive equivalents

3.4 模擬、實驗結(jié)果對比分析

通過平面爆炸波加載實驗以及利用LS-DYNA對平面爆炸波數(shù)值模擬分析，分別在不同的炸藥當(dāng)量下進(jìn)行對比分析，對比結(jié)果如圖8。

圖 8 不同炸藥當(dāng)量下爆炸沖擊波實驗與模擬壓力時程曲線對比分析Fig. 8 Comparison and analysis of experimental and simulated pressure time history curves of blast wave under different explosive equivalents

4 結(jié)論

本文采用平面爆炸波加載裝置，對爆炸沖擊波進(jìn)行了實驗研究和數(shù)值模擬分析。本設(shè)計裝置可以用來進(jìn)行材料在極端爆炸荷載下材料的抗爆吸能性能測試，能夠提供高應(yīng)變率荷載加載的各項實驗測試，將實驗裝置優(yōu)化得更為便捷，高效，精準(zhǔn)。

結(jié)果表明：平面爆炸波加載裝置在不同應(yīng)變率(不同炸藥當(dāng)量)加載下的實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬分析數(shù)據(jù)吻合良好，靈敏度高；平面爆炸波加載裝置具有以下優(yōu)點：

(1)平面爆炸波加載裝置結(jié)構(gòu)簡單，模塊化設(shè)計方便安裝，實用性強(qiáng)；

(2)采用炸藥直接作為加載材料，提供更加真實，極端的高應(yīng)變率加載環(huán)境；

此外，可應(yīng)用于爆炸沖擊的傳播、衰減等分析，及建筑工程材料的抗爆、吸能性能以及軍事防御工程中的材料性能研究。