高 矗，孔祥振，方 秦，王 銀，楊 亞

（1. 陸軍工程大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210007；2. 內(nèi)蒙古財經(jīng)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070）

混凝土廣泛用于軍民用防護(hù)結(jié)構(gòu)中，在抗爆設(shè)計和毀傷評估時，重點(diǎn)關(guān)注在武器彈藥爆炸等強(qiáng)動載作用下混凝土的應(yīng)力波傳播。在炸藥爆炸近區(qū)，混凝土荷載具高幅值和短持時，呈現(xiàn)與靜載作用下顯著不同的強(qiáng)非線性、高應(yīng)變率效應(yīng)和高靜水壓力，這使分析混凝土中爆炸應(yīng)力波（以下簡稱為爆炸波）衰減規(guī)律面臨巨大的困難和挑戰(zhàn)[1]。

爆炸實(shí)驗(yàn)成本高、周期長，且混凝土中傳感器埋設(shè)和高幅值應(yīng)力波測試較難，現(xiàn)有混凝土爆炸波衰減規(guī)律的實(shí)驗(yàn)相對較少。Gran 等[2]測定了球形裝藥在WES5000 混凝土（設(shè)計抗壓強(qiáng)度為34.5 MPa[3]）靶體中爆炸時不同距離的爆炸波曲線，并對比不同類型傳感器測試結(jié)果，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。Mu 等[4]對不同裝藥埋深時混凝土中爆炸波峰值衰減規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并結(jié)合量綱分析給出了C30 混凝土爆炸波峰值的預(yù)測公式。黃家蓉等[5]測得了柱形裝藥在C20 砂漿中的爆炸波，并利用AUTODYN 對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好。然而，混凝土中爆炸波的傳播衰減涉及炸藥能量釋放、混凝土材料與爆轟產(chǎn)物的相互作用、強(qiáng)沖擊波在介質(zhì)中的傳播等，理論研究難以全面反映這些過程。宗國慶[6]對混凝土介質(zhì)的爆炸破壞效應(yīng)（如開坑破壞）進(jìn)行了較系統(tǒng)的分析并建立了相關(guān)公式。Tu 等[7]建立了柱形裝藥接觸爆炸時混凝土中爆炸波預(yù)測的理論模型，但模型僅基于混凝土損傷破壞實(shí)驗(yàn)（如震塌破壞）進(jìn)行驗(yàn)證，有待進(jìn)一步驗(yàn)證可靠性。

數(shù)值計算方法的發(fā)展和計算效率的提升，使數(shù)值模擬逐漸成為研究混凝土中爆炸波的重要手段[8]。董永香等[9]利用LS-DYNA，模擬了平面爆炸波在半無限混凝土介質(zhì)中的傳播過程，認(rèn)為應(yīng)力波幅值衰減和材料損傷演化存在內(nèi)在聯(lián)系。趙凱等[10]模擬了集團(tuán)裝藥產(chǎn)生的爆炸波在混凝土介質(zhì)中的傳播，闡明了裝藥形狀對近區(qū)混凝土擴(kuò)孔效應(yīng)、應(yīng)力波傳播和混凝土損傷演化的影響。但是，因缺乏可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和高精度的數(shù)值模擬結(jié)果，尚未建立可靠的混凝土中爆炸波衰減規(guī)律的實(shí)用計算公式。

混凝土中爆炸波數(shù)值模擬的精度取決于許多因素，其中完善的混凝土材料模型、合理的數(shù)值算法和合適的網(wǎng)格尺寸是關(guān)鍵。在爆炸荷載作用近區(qū)，受高壓和高應(yīng)變率作用混凝土材料呈現(xiàn)近似流體特性，經(jīng)典損傷塑性模型難以較好描述其時混凝土的力學(xué)行為。因此，普遍采用流體彈塑性模型，即分別采用強(qiáng)度面和狀態(tài)方程，描述在沖擊爆炸荷載下混凝土的偏量和球量行為。近年來，又開發(fā)了Kong-Fang 混凝土材料流體彈塑性模型（以下簡稱為Kong-Fang 模型）[11-15]。Kong 等[11]依據(jù)混凝土壓力-體積應(yīng)變和三軸壓縮的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對比分析了常用的HJC 模型、RHT 模型、K&C 模型和Kong-Fang 模型等流體彈塑性模型對狀態(tài)方程和最大強(qiáng)度面的預(yù)測效果，發(fā)現(xiàn)Kong-Fang 模型整體上優(yōu)于其他3 種模型。Kong-Fang 模型具有良好的預(yù)測效果，其原因?yàn)椋菏紫?，以往模型高圍壓?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，Kong-Fang 模型在參數(shù)標(biāo)定時補(bǔ)充了高圍壓下的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；其次，Kong-Fang 模型通過關(guān)聯(lián)流動法則考慮球量對偏量的影響，更符合高圍壓下的混凝土材料的響應(yīng)狀態(tài)。

混凝土中爆炸波傳播的數(shù)值模擬過程涉及爆轟產(chǎn)物的膨脹飛散和混凝土的損傷破壞等，合理的數(shù)值算法需同時描述爆轟產(chǎn)物飛散以及混凝土材料的大變形。在描述混凝土靶體大變形時，Lagrange 算法需通過侵蝕算法解決網(wǎng)格畸變問題，導(dǎo)致爆轟能量發(fā)生較大耗散，無法有效地模擬爆轟產(chǎn)物和混凝土間的相互作用。Euler 算法可避免網(wǎng)格畸變問題而能模擬爆轟產(chǎn)物的大變形流動，但在界面運(yùn)動追蹤方面有些困難[8]。而ALE（arbitrary Lagrangian-Eulerian）算法不僅可以避免網(wǎng)格畸變問題，也能較好地追蹤多種物質(zhì)的界面[16]，可較好地描述混凝土中爆炸波的傳播衰減。

值得注意，武器彈藥命中目標(biāo)時的埋深常介于接觸爆炸和完全內(nèi)爆（自由場爆炸），變埋深條件下裝藥爆炸能量與混凝土介質(zhì)的耦合形式和比例尚未有定論[16-17]。在美軍技術(shù)手冊TM5-855-1《常規(guī)武器防護(hù)設(shè)計基礎(chǔ)》中，引入耦合系數(shù)（裝藥部分埋設(shè)爆炸與完全內(nèi)爆在相同介質(zhì)中產(chǎn)生的爆炸效應(yīng)比），并給出混凝土中耦合系數(shù)與裝藥比例埋深的關(guān)系曲線。在計算爆炸波峰值、沖量和介質(zhì)加速度等爆炸效應(yīng)參數(shù)時，該手冊均使用相同的耦合系數(shù)[18]，而沖量型耦合系數(shù)與應(yīng)力型耦合系數(shù)是有區(qū)別的[19]。Mandal 等[16]和Leong 等[20]指出，耦合系數(shù)與裝藥形狀、介質(zhì)強(qiáng)度和密度等均相關(guān)，因此，對不同爆炸效應(yīng)參數(shù)采用相同耦合系數(shù)，有待商榷。

本文中，基于WES5000 混凝土中球形裝藥內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)[2]，利用近年開發(fā)的Kong-Fang 混凝土材料模型[13-14]和LS-DYNA 中的多物質(zhì)ALE 算法，研究混凝土中爆炸應(yīng)力波的傳播衰減規(guī)律，并采用量綱分析方法建立混凝土自由場中近區(qū)爆炸波峰值的計算公式。在此基礎(chǔ)上，分析裝藥埋深對混凝土中爆炸波峰值分布和耦合系數(shù)的影響，建立變埋深時混凝土中近區(qū)爆炸波峰值應(yīng)力的計算公式。

1 數(shù)值模型及驗(yàn)證

基于Kong-Fang 混凝土材料模型，先標(biāo)定WES5000 和C100 混凝土的參數(shù)，再采用LS-DYNA 的多物質(zhì)ALE 算法分析網(wǎng)格尺寸的收斂性，然后利用Gran 等[2]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)值模型結(jié)果。

1.1 材料模型及參數(shù)標(biāo)定

Kong-Fang 模型參數(shù)主要包括強(qiáng)度面參數(shù)、狀態(tài)方程參數(shù)和損傷參數(shù)[13-14]，為確保爆炸波模擬的準(zhǔn)確性，先根據(jù)已有混凝土靜動態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，重新標(biāo)定WES5000 和C100 高強(qiáng)混凝土的狀態(tài)方程和強(qiáng)度面參數(shù)。

Schmidt 等[3]、Gran 等[21]和Gebbeken 等[22]進(jìn)行了WES5000 混凝土基本力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)。利用靜水壓縮和平板撞擊實(shí)驗(yàn)標(biāo)定狀態(tài)方程參數(shù)，利用三軸壓縮實(shí)驗(yàn)標(biāo)定強(qiáng)度面參數(shù)，如圖1～2 所示。

圖1 WES5000 混凝土的狀態(tài)方程Fig. 1 Equation of state for WES5000 concrete

圖2 WES5000 混凝土的強(qiáng)度面參數(shù)Fig. 2 Failure surface parameters for WES5000 concrete

對于C100 高強(qiáng)混凝土，采用Yang 等[15]對Kong-Fang 模型標(biāo)定的超高性能混凝土狀態(tài)方程（見圖3）；基于Williams 等[25]和Ren 等[26]的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，標(biāo)定了強(qiáng)度面參數(shù)（見圖4）。

圖3 C100 混凝土的狀態(tài)方程[15]Fig. 3 Equation of state for C100 concrete[15]

圖4 C100 混凝土的強(qiáng)度面參數(shù)Fig. 4 Failure surface parameters for C100 concrete

WES5000 和C100 混凝土的其他參數(shù)，采用Kong-Fang 模型自動生成算法獲得[12,14]。

采用Jones-Wilkins-Lee 狀態(tài)方程描述B 炸藥和TNT 炸藥：

1.2 數(shù)值計算策略及網(wǎng)格收斂性分析

Gran 等[2]開展了0.454 kg 球形B 炸藥在WES5000 混凝土中爆炸波傳播的實(shí)驗(yàn)研究，得到了不同位置處的爆炸波時程曲線。圖5 為實(shí)驗(yàn)靶體及傳感器布置示意圖，裝藥位于靶體中心位置，圓柱形靶體直徑和厚度均為1.83 m，周向設(shè)有鋼箍，采用不同類型的壓力傳感器（Yb、PVDF 和Carbon）并設(shè)置平行實(shí)驗(yàn)，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

圖5 實(shí)驗(yàn)示意圖[2]Fig. 5 Schematic diagram of the experiment[2]

采用LS-DYNA 中的多物質(zhì)ALE 算法對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，其中炸藥和混凝土均采用ALE 網(wǎng)格，鋼箍采用Lagrange 網(wǎng)格，利用流固耦合建立流體ALE 域和Lagrange 域的相互作用。因幾何軸對稱性，可采用二維軸對稱方式建模，如圖6 所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)的有限元模型Fig. 6 The finite element model for the experiment

選擇合適的網(wǎng)格尺寸，可有效提高計算精度和效率，利用上述有限元模型對網(wǎng)格收斂性進(jìn)行分析。圖7 為不同網(wǎng)格尺寸時距裝藥中心0.15、0.30 和0.5 m 處混凝土中的壓力曲線。當(dāng)網(wǎng)格尺寸小于6 mm 時，壓力曲線均收斂，所以，后續(xù)數(shù)值模擬中網(wǎng)格尺寸均選為6 mm。

圖7 不同網(wǎng)格尺寸的壓力曲線Fig. 7 Pressure curves under different mesh sizes

1.3 數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證

現(xiàn)在，利用Gran 等[2]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)值模型結(jié)果。

圖8 為爆炸波峰值應(yīng)力隨距離的變化，可見數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)良好吻合。進(jìn)一步，圖9 為5 個距離處的應(yīng)力曲線，可見數(shù)值模擬的爆炸波峰值應(yīng)力、升壓時間和正壓持續(xù)時間均與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較好吻合。這驗(yàn)證了Kong-Fang 混凝土材料模型和多物質(zhì)ALE 算法的可靠性。

圖8 爆炸波峰值應(yīng)力隨距離的變化Fig. 8 Variation of explosion wave peak stress with distances

圖9 不同距離處的應(yīng)力曲線Fig. 9 Stress curves at different distances

2 球形裝藥在混凝土自由場中爆炸波衰減規(guī)律

基于上述驗(yàn)證的數(shù)值模型，開展球形裝藥在混凝土自由場中爆炸波衰減規(guī)律的數(shù)值模擬研究。為便于分析，裝藥采用1 kg TNT，靶體仍采用WES5000 混凝土，同時為模擬自由場爆炸條件，靶體外邊界采用透射邊界，有限元模型與圖6 相似。

2.1 爆炸波衰減機(jī)理

圖10 為比例距離0.06～0.20 m/kg1/3混凝土中的徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力曲線。在傳播過程中爆炸波迅速衰減，比例距離較小時峰值應(yīng)力近似呈線性衰減，隨著比例距離的增大，衰減速率逐漸變緩，總體呈指數(shù)衰減趨勢。比例距離小于0.1 m/kg1/3時，為強(qiáng)間斷沖擊波，上升沿短、脈寬窄，隨著傳播距離的增加，上升沿逐漸拉長，脈寬逐漸增大，強(qiáng)間斷漸變?yōu)槿蹰g斷。這主要由球面爆炸波自身的擴(kuò)散效應(yīng)和混凝土介質(zhì)對爆炸波的耗散作用共同導(dǎo)致。比例距離為0.06 m/kg1/3時，徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力曲線基本一致，這是因爆炸近區(qū)材料剪切強(qiáng)度相對靜水壓力較小，其力學(xué)行為與流體相似；隨著比例距離的增大和爆炸波的迅速衰減，混凝土的強(qiáng)度效應(yīng)逐漸呈現(xiàn)，徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力的差異逐漸顯著。依據(jù)van Amelsfort 等[28]和TU 等[7]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論預(yù)測模型，WES5000 混凝土的壓碎強(qiáng)度范圍為0.6～1.5 GPa，峰值應(yīng)力在此范圍時混凝土被完全壓碎而形成壓碎區(qū)，強(qiáng)度大于1.5 GPa 時混凝土為近似流體區(qū)。利用數(shù)值模擬計算的壓縮損傷如圖11 所示，近似流體區(qū)和壓碎區(qū)的比例半徑范圍分別為0.08～0.12 和0.12～0.20 m/kg1/3，爆炸空腔的比例半徑小于0.08 m/kg1/3。

圖10 比例距離0.06～0.20 m/kg1/3 時的應(yīng)力曲線Fig. 10 Stress curves at the scaled distances 0.06-0.20 m/kg1/3

圖11 WES5000 混凝土靶體損傷的數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 11 Simulation results for WES5000 concrete target damage

比例距離為0.25～0.60 m/kg1/3時，在混凝土中傳播的爆炸波球面除幅值衰減和耗散，還呈現(xiàn)了其他典型特征，如圖12 所示。一方面，在塑性峰值應(yīng)力到達(dá)前可觀測到明顯的彈性前驅(qū)波，因彈性前驅(qū)波波速高于后續(xù)的塑性波波速，隨傳播距離的增加其波陣面趨于平緩；區(qū)別于一維彈性波，因球面波自身的擴(kuò)散效應(yīng)，彈性前驅(qū)波的峰值應(yīng)力隨傳播距離增加而逐漸減?。ㄒ妶D12 中的黑色虛線）。另一方面，各應(yīng)力曲線出現(xiàn)振蕩，峰值后應(yīng)力不再單調(diào)遞減，而類似于脈動應(yīng)力。該現(xiàn)象是因?yàn)?，爆轟波在混凝土中產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波的同時，在爆轟產(chǎn)物中形成反向壓縮波向爆心傳播，壓縮波受到產(chǎn)物后方稀疏波的迎面稀疏作用強(qiáng)度不斷下降，直至中心匯聚后才重新加載[29-30]。因此，在爆炸過程結(jié)束前，爆轟產(chǎn)物內(nèi)始終存在壓縮波及稀疏波的傳播及其相互作用，而引起混凝土中爆炸波形的振蕩。需要指出，在相關(guān)實(shí)驗(yàn)[2,4-5]中的應(yīng)力曲線并未體現(xiàn)波形振蕩現(xiàn)象，這可能是因?yàn)椋ㄐ握袷幒蛡鞲衅髟肼曇鸬恼袷師o法有效區(qū)分，在濾波時被一并濾掉。

圖12 比例距離0.25～0.60 m/kg1/3 時的應(yīng)力曲線Fig. 12 Stress curves at the scaled distances 0.25-0.60 m/kg1/3

如圖13 所示，比例距離繼續(xù)增加，當(dāng)比例距離大于1.00 m/kg1/3時，徑向峰值應(yīng)力已低于混凝土的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度（41.4 MPa）。同時，到達(dá)一定比例距離時，混凝土環(huán)向拉伸應(yīng)力開始主導(dǎo)，這是因混凝土介質(zhì)在球面壓縮波的作用下徑向運(yùn)動時，其環(huán)向受到拉應(yīng)力的作用，且當(dāng)環(huán)向拉應(yīng)力超過混凝土動態(tài)拉伸強(qiáng)度時產(chǎn)生徑向裂縫。由于混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，因此在壓碎區(qū)外出現(xiàn)以產(chǎn)生裂縫為主的破裂區(qū)[16]，且由于裂縫端部的應(yīng)力集中效應(yīng)，裂縫可擴(kuò)大延伸到較遠(yuǎn)處。采用數(shù)值模擬得到拉伸損傷的破裂區(qū)如圖11(b)所示，其破裂區(qū)比例半徑為0.7～1.4 m/kg1/3，遠(yuǎn)大于壓碎區(qū)的；介于壓碎區(qū)和破裂區(qū)的區(qū)域稱為過渡區(qū)[16]，其區(qū)域比例半徑為0.2～0.7 m/kg1/3。而當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度大于環(huán)向拉應(yīng)力時，不再形成裂縫，混凝土只發(fā)生彈性變形，對應(yīng)的區(qū)域稱為彈性區(qū)。

圖13 比例距離0.70～1.60 m/kg1/3 時的應(yīng)力曲線Fig. 13 Stress curves at the scaled distances 0.70-1.60 m/kg1/3

鄭哲敏等[31]的流體彈塑性模型中，將爆炸作用下介質(zhì)的流體、固體特性及運(yùn)動規(guī)律用統(tǒng)一的方程表述。依據(jù)該模型并結(jié)合上述分析，可將爆炸空腔周圍混凝土介質(zhì)的變形劃分為近似流體區(qū)、壓碎區(qū)、過渡區(qū)、破裂區(qū)和彈性區(qū)等5 個區(qū)域，如圖14 所示。

圖14 爆炸空腔周圍混凝土介質(zhì)的變形區(qū)域Fig. 14 Deformation zones of concrete around the blasting cavity

2.2 量綱分析

爆炸波是混凝土防護(hù)結(jié)構(gòu)的主要荷載，對爆炸波峰值等荷載參數(shù)的準(zhǔn)確預(yù)測是確保結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計可靠性的前提。借助量綱分析得到混凝土中爆炸效應(yīng)參數(shù)的一般變化規(guī)律[32]，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬，建立混凝土中爆炸波峰值的預(yù)測模型。

如忽略混凝土靶體的尺寸效應(yīng)和爆炸波的耗散，爆炸波峰值等爆炸效應(yīng)參數(shù)X是爆炸能量E、測點(diǎn)與裝藥中心的距離S、混凝土密度ρ 和混凝土波速?的函數(shù)[4,20]。即：

令無量綱量 π1=S(ρc2/E)1/3，則式(3)可變?yōu)闊o量綱函數(shù)形式：

中彈的鬼子堅持了幾秒，身子一歪，癱倒在一架鹿砦上，刀槍都脫了手，滾落到一邊。他瞪著一只空洞的眼看見余暉落日。

本文中，關(guān)注的是峰值應(yīng)力σ，令無量綱量 π =σ/(ρc2) ，則式(4)變?yōu)椋?/p>

炸藥能量E與質(zhì)量Q成正比，為簡化且體現(xiàn)Hopkinson-Cranz 相似律[20,33]，用Q替代E，則：

2.3 峰值應(yīng)力計算公式

由2.1 節(jié)，當(dāng)比例距離大于1.00 m/kg1/3時，爆炸波已衰減為球面彈性波，本文中重點(diǎn)關(guān)注比例距離0.09～1.00 m/kg1/3混凝土中的爆炸波峰值應(yīng)力分布。在此比例距離，爆炸波為塑性波，c應(yīng)取塑性波速。

WES5000 混凝土的密度ρ=2 180 kg/m3，可通過圖10、12 中爆炸波峰值應(yīng)力達(dá)到時間和距離得到塑性波速c=3 200 m/s。由此，可建立無量綱峰值應(yīng)力 σ*與距離S*的關(guān)系，如圖15 所示?？梢?， σ*與S*呈指數(shù)關(guān)系：

圖15 爆炸波峰值應(yīng)力隨距離的變化Fig. 15 Variations of explosion wave peak stress with distance

基于2.1 節(jié)數(shù)值模擬的混凝土自由場中爆炸波峰值應(yīng)力數(shù)據(jù)，可擬合得到a=1 525,b=1.734，相關(guān)系數(shù)R2=0.977。由此，可建立WES5000 混凝土自由場中爆炸波峰值應(yīng)力的計算公式：

由量綱分析結(jié)果，爆炸波峰值應(yīng)力與混凝土密度和波速（波阻抗）密切相關(guān)。為驗(yàn)證式 (10)在其他強(qiáng)度混凝土中的適用性，建立1 kg 球形TNT 裝藥在C100 混凝土自由場中爆炸的數(shù)值模型，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，得到C100 混凝土密度ρ=2 570 kg/m3、塑性波波速c=3 434 m/s。圖15 為式(10)與數(shù)值模擬結(jié)果的比較，可見式(10)可較好地預(yù)測數(shù)值模擬的 σ*和S*的關(guān)系。

為進(jìn)一步驗(yàn)證式(10)的可靠性和適用性，與Gran 等[2]和Mu 等[4]不同強(qiáng)度混凝土中的爆炸波峰值應(yīng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，在整體上式(10)較好吻合。Mu 等[4]根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了不同強(qiáng)度混凝土的衰減系數(shù)b=1.67～1.84，而式(10)中衰減系數(shù)b=1.734，與之吻合。

3 裝藥埋深對峰值應(yīng)力分布的影響

式(10)中僅適用于裝藥在混凝土完全內(nèi)爆（自由場）情況，事實(shí)上，武器彈藥命中目標(biāo)時的埋深常介于接觸爆炸和完全內(nèi)爆之間，本節(jié)中將分析裝藥埋深對混凝土中爆炸波峰值應(yīng)力分布的影響。

3.1 不同裝藥埋深下爆炸波峰值應(yīng)力

圖16 為1 kg 球形TNT 裝藥在WES5000 混凝土中不同埋深時，裝藥正下方無量綱峰值應(yīng)力σ*與距離S*的關(guān)系，其中比例埋深h*為裝藥中心到靶體上表面的比例距離?？梢钥闯?，接觸爆炸（h*=-0.053 m/kg1/3）與自由場爆炸在相同距離S*處的 σ*有明顯差異，且隨著裝藥埋深的增加差異逐漸減小，當(dāng)比例埋深大于0.1 m/kg1/3時與自由場爆炸幾乎無差異。

圖16 不同埋深時WES5000 混凝土的爆炸波峰值應(yīng)力隨距離的變化Fig. 16 Variations of explosion wave peak stress for WES5000 concrete with distance at different burial depths

3.2 混凝土爆炸波峰值應(yīng)力耦合系數(shù)

目前，變埋深條件下裝藥爆炸能量和混凝土介質(zhì)的耦合形式和比例尚無定論[16-17]。在手冊TM5-855-1 中，定義耦合系數(shù)f為部分埋設(shè)或淺埋爆炸與完全埋設(shè)爆炸（自由場爆炸）在相同介質(zhì)中所產(chǎn)生爆炸效應(yīng)的比[18]。本文中，重點(diǎn)關(guān)注裝藥正下方爆炸波峰值應(yīng)力隨裝藥埋深的變化，則定義爆炸波峰值應(yīng)力耦合系數(shù)：

第1 階段：爆轟波直接作用，f=1。

圖17 不同埋深時WES5000 混凝土峰值應(yīng)力耦合系數(shù)隨距離的變化Fig. 17 Variations of peak stress coupling coefficient for WES5000 concrete with distance at different burial depths

圖18 峰值應(yīng)力耦合系數(shù)隨距離的變化規(guī)律Fig. 18 Variety rule of peak stress coupling coefficient with distance

第3 階段：沖擊波衰減為穩(wěn)定的彈塑性波，耦合系數(shù)幾乎不變化，為常數(shù)f0。

Mu 等[4]的實(shí)驗(yàn)表明，混凝土的爆炸效應(yīng)耦合系數(shù)不僅受裝藥埋深的影響，還與混凝土材料的強(qiáng)度等指標(biāo)高度相關(guān)。為驗(yàn)證建立的爆炸壓縮波峰值應(yīng)力耦合系數(shù)計算公式對其他強(qiáng)度混凝土的適用性，通過數(shù)值模擬計算C100 混凝土在接觸爆炸（ μ*=0）和半埋爆炸（ μ*=0.5）時的峰值應(yīng)力耦合系數(shù)（見圖20），可見其值與WES5000 混凝土差別不大。由此說明，建立的峰值應(yīng)力耦合系數(shù)計算公式具有廣泛的適用性，在已知裝藥埋深（質(zhì)量系數(shù) μ*）時，能快速確定離裝藥中心特定距離S*處混凝土的峰值應(yīng)力耦合系數(shù)。

圖19 穩(wěn)定峰值應(yīng)力耦合系數(shù)隨質(zhì)量系數(shù)的變化Fig. 19 Variation of stable peak stress coupling coefficient with mass coefficient

圖20 WES5000 和C100 混凝土的峰值應(yīng)力耦合系數(shù)隨距離的變化Fig. 20 Variations of peak stress coupling coefficients for WES5000 and C100 concretes with distance

3.3 變埋深條件下爆炸波峰值應(yīng)力計算公式

由式(16)結(jié)合式(10)，可得任意裝藥埋深和測點(diǎn)距離下球形裝藥正下方混凝土中爆炸波峰值應(yīng)力的計算公式：

4 結(jié) 論

基于Kong-Fang 混凝土材料模型，利用LS-DYNA 中的多物質(zhì)ALE 算法，開展球形裝藥在混凝土中爆炸波衰減規(guī)律的數(shù)值模擬。通過模擬已有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模型的可靠性，在此基礎(chǔ)上分析了混凝土自由場中爆炸波衰減規(guī)律，并探討了裝藥埋深對混凝土中近區(qū)爆炸波峰值應(yīng)力分布的影響。主要結(jié)論如下。

(1) Kong-Fang 混凝土材料模型在模擬混凝土中爆炸波傳播規(guī)律時具有較高精度，可有效預(yù)測混凝土中爆炸應(yīng)力波傳播的衰減規(guī)律。

(2) 借助量綱分析，利用數(shù)值模擬結(jié)果建立的球形裝藥在混凝土中近區(qū)爆炸波峰值應(yīng)力的計算公式具有良好的可靠性和適用性，在已知混凝土密度、 塑性波波速和裝藥量下，能快速預(yù)測特定距離下混凝土中爆炸波峰值應(yīng)力。

(3) 耦合系數(shù)不僅與裝藥埋深有關(guān)，還與測點(diǎn)與裝藥中心的距離有關(guān)；建立了爆炸波峰值應(yīng)力耦合系數(shù)與裝藥在混凝土中的質(zhì)量系數(shù)、與裝藥中心距離的定量關(guān)系，可較準(zhǔn)確地計算任意埋深條件下球形裝藥正下方混凝土中特定距離處的爆炸波峰值應(yīng)力。