燃?xì)獗_擊加載試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬

第一作者張秀華女，博士，副教授，1970年10月生

燃?xì)獗_擊加載試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬

張秀華1,2，段忠東2，李玉順3(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱150040；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱150090；3.寧波大學(xué)建筑工程與環(huán)境學(xué)院，浙江寧波315211)

摘要：利用大型核爆炸模爆器—燃?xì)獗_擊加載試驗(yàn)裝置進(jìn)行乙炔-空氣可燃?xì)怏w爆炸試驗(yàn)研究，探索乙炔-空氣可燃?xì)怏w作為爆炸源對(duì)結(jié)構(gòu)抗爆試驗(yàn)的可行性。通過分析壓力時(shí)程曲線，研究氣體爆炸對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊荷載規(guī)律。采用有限元程序LS-DYNA模擬氣體爆炸沖擊波傳播過程。結(jié)果表明，峰值壓力數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；乙炔濃度達(dá)9.45%時(shí)爆炸沖擊波壓力最大，在模爆器內(nèi)壁產(chǎn)生的正反射波壓力高達(dá)0.815 MPa。研究結(jié)果可為此類試驗(yàn)加載控制奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：爆炸力學(xué)；燃?xì)獗_擊加載；傳播規(guī)律；爆炸試驗(yàn)；數(shù)值模擬

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378265)

收稿日期：2014-01-02修改稿收到日期：2014-05-20

中圖分類號(hào):O382+4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Tests and numerical simulation for gas blast shock loading

ZHANGXiu-hua1,2,DUANZhong-dong2,LIYu-shun3(1. School of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China；2. School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China；3. College of Architectural, Civil Engineering and Environment, Ningbo University, Ningbo 315211, China)

Abstract:Based on a large nuclear explosion simulator-gas blast shock (GBS) loading system, acetylene-air flammable gas explosion tests were performed .The feasibility was explored by using acetylene-air gaseous mixture as an explosive source to perform anti-explosion tests of structures. Through analyzing the blast pressure time-history curves, the blast loading laws on structures under gas explosion were studied. The propagation processes of gas explosion shock wave were simulated using the finite element program LS-DYNA. The numerical simulation results are compared with the test ones, and the simulation results of peak pressure agree well with the test ones. The results showed that the explosion shock wave pressure is the biggest when acetylene concentration reaches 9.45%; the positive reflection overpressure peak value on the inner wall of the large nuclear explosion simulator can reach 0.815 MPa. The results provided a basis for explosion shock loading controls.

Key words:mechanics of explosion; gas blast shock loading; propagation law; explosion test; numerical simulation

爆炸作為頻發(fā)災(zāi)害之一，不僅對(duì)建筑物構(gòu)件造成嚴(yán)重?fù)p壞，甚至導(dǎo)致整個(gè)建筑物倒塌、危及生命財(cái)產(chǎn)安全。對(duì)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)受爆炸沖擊作用特性等諸多研究已取得階段性成果。如András等[1]對(duì)足尺寸鋼筋混凝土板進(jìn)行爆炸試驗(yàn)研究；Morrill等[2]用簡(jiǎn)化方法分析爆炸荷載作用下鋼框架梁柱連接的動(dòng)力響應(yīng)；方秦等[3]分析非線性彈性大變形材料梁的抗爆特性；Shi等[4]利用數(shù)值推導(dǎo)的壓力-沖量圖分析爆炸荷載作用下鋼筋混凝土柱的破壞模式；張秀華等[5]用數(shù)值分析方法模擬爆炸荷載作用的鋼框架柱沖擊響應(yīng)與破壞模式；丁陽等[6]對(duì)爆炸荷載作用下鋼框架結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌進(jìn)行分析。李世強(qiáng)等[7]用有限元分析軟件AUTODYN對(duì)爆炸沖擊波在地鐵車站內(nèi)的傳播規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。

由于用化學(xué)炸藥為爆炸源進(jìn)行結(jié)構(gòu)爆炸沖擊試驗(yàn)難度大、費(fèi)用高，故關(guān)于爆炸沖擊波對(duì)建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特性的試驗(yàn)研究較少。而歐進(jìn)萍等[8-9]對(duì)哈爾濱工業(yè)大學(xué)國(guó)防抗爆與防護(hù)工程實(shí)驗(yàn)室大型核爆炸模擬器(簡(jiǎn)稱模爆器)試驗(yàn)裝置進(jìn)行改造，研制開發(fā)出利用可燃?xì)怏w爆炸產(chǎn)生沖擊波對(duì)結(jié)構(gòu)/構(gòu)件加載的試驗(yàn)裝置及方法。該加載稱為燃?xì)獗_擊加載系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱GBS系統(tǒng))。該系統(tǒng)經(jīng)改造，可對(duì)結(jié)構(gòu)/構(gòu)件施加水平、豎向爆炸沖擊荷載。

1乙炔-空氣混合氣體爆炸試驗(yàn)

1.1爆炸試驗(yàn)裝置及原理

GBS加載系統(tǒng)由多功能大型核爆炸模爆器、脈沖發(fā)生器、脈沖點(diǎn)火系統(tǒng)、輸氣管道、空氣泵、空氣儲(chǔ)氣缸、乙炔流量傳感器、空氣流量傳感器、乙炔儲(chǔ)氣瓶等組成。模爆器為鋼結(jié)構(gòu)圓柱型抗爆容器，壁厚30 mm，內(nèi)徑2.4 m、高3.5 m，分上中下三部分，見圖1。模爆器能為爆炸試驗(yàn)提供密閉環(huán)境及試件安裝空間。脈沖發(fā)生器為爆轟管，壁厚13 mm、長(zhǎng)1 500 mm、直徑426 mm，一端封閉，一端與水平管連接(出口)。輸氣管道與爆轟管上端相連，直徑57 mm、長(zhǎng)16.18 m，其作用將高壓混合氣體輸送至脈沖發(fā)生器引爆后發(fā)生爆燃迅速發(fā)展成爆轟波，爆轟波在脈沖發(fā)生器中經(jīng)多次反射得到加強(qiáng)形成瞬時(shí)高壓沖擊波。數(shù)據(jù)采集用奧地利德維創(chuàng)公司的Dewetron2010高速動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)，采樣頻率100 Hz～1 MHz。壓力測(cè)量用西安杰誠(chéng)CYG41000高頻壓力傳感器，最大量程10 MPa。

圖1　試驗(yàn)裝置 Fig.1 Experimental devices

為更好研究乙炔-空氣混合氣體爆炸在模爆器中傳播規(guī)律及準(zhǔn)確采集氣體爆炸對(duì)模爆器內(nèi)壁產(chǎn)生的沖擊波壓力，在模爆器外壁距基礎(chǔ)頂面0.5 m處同一水平面布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別安裝指向模爆器內(nèi)部的高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器，用以測(cè)試模爆器內(nèi)壁相應(yīng)位置承受的沖擊波壓力。試驗(yàn)時(shí)向GBS系統(tǒng)中充入一定濃度的乙炔-空氣混合氣體并通過混合點(diǎn)火器、輸氣管道進(jìn)入脈沖發(fā)生器。當(dāng)乙炔-空氣混合氣體由起爆端點(diǎn)燃時(shí)爆轟波沿管道傳至脈沖發(fā)生器水平管開口端并由管端流出，產(chǎn)生的空氣沖擊波作用于模爆器內(nèi)壁表面。加載系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)爆炸混合氣體的沖氣時(shí)間及體積比濃度，實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸沖擊波壓力控制。試驗(yàn)原理及壓力測(cè)點(diǎn)平面布置見圖2。

圖2　試驗(yàn)原理及壓力測(cè)點(diǎn)平面布置 Fig.2 Sketch of experiment principle and pressure measuring points

1.2乙炔-空氣混合氣體爆炸試驗(yàn)分析

據(jù)乙炔-空氣混合氣體爆炸反應(yīng)特性，通過改變混合氣體中乙炔濃度、增大混合氣體充氣量等進(jìn)行10次爆炸試驗(yàn)。充氣時(shí)間SY-1～SY-7為20 s，SY-8～SY-10為40 s。對(duì)10次爆炸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各測(cè)點(diǎn)所測(cè)爆炸場(chǎng)特征參數(shù)見表1。由表1知，充氣時(shí)間相同時(shí)SY-1～SY-7乙炔濃度變化不大，沖擊波壓力較接近；SY-8～SY-10乙炔用量越多混合氣體體積越大沖擊波壓力越大。由于SY-8～SY-10有部分混合氣體流入模爆器，1號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力與脈沖發(fā)生器未充滿混合氣體時(shí)壓力相差不大，而2、3號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力變化較大，表明進(jìn)入模爆器內(nèi)混合氣體在脈沖發(fā)生器水平管口呈半球形向外擴(kuò)散并產(chǎn)生爆炸。

每次試驗(yàn)3測(cè)點(diǎn)壓力傳感器所測(cè)爆炸沖擊波前0.03s壓力時(shí)程曲線見圖3～圖5。由三圖看出，爆炸沖擊波對(duì)模爆器內(nèi)剛性壁沖擊波壓力呈典型的氣體沖擊波作用特征，表明爆炸沖擊波與剛性壁作用過程中，壁面氣體介質(zhì)經(jīng)歷升壓、降壓、余波震蕩三個(gè)階段。每次試驗(yàn)所得沖擊波壓力時(shí)程波形大致相同，曲線包括峰值連續(xù)衰減的沖擊波荷載及氣體壓力荷載。由于爆炸沖擊試驗(yàn)動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)結(jié)果會(huì)受試驗(yàn)、測(cè)試條件影響，壓力傳感器所測(cè)壓力為爆炸沖擊波反射波壓力。隨距脈沖器口徑向距離增加，爆炸沖擊波超壓峰值較小、作用時(shí)間增加。爆炸沖擊波遇障礙物后除發(fā)生正反射，還會(huì)發(fā)生斜反射等作用。1號(hào)測(cè)點(diǎn)正反射超壓可達(dá)0.815 MPa。

對(duì)圖3中SY-1的1號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力曲線進(jìn)行頻譜分析可知，曲線有兩個(gè)頻率較集中，低頻集中在260 Hz、周期3.85 ms，與沖擊波在模爆器內(nèi)往返1次所測(cè)時(shí)間(4 ms)基本一致。在整個(gè)波動(dòng)過程中，還伴隨小周期高頻振動(dòng)，周期約為0.5～0.6 ms，此由爆炸產(chǎn)物與氣體高頻振蕩引起。

試驗(yàn)結(jié)果表明，乙炔用量增加，作用于模爆器的反射壓力峰值呈非線性增加，但正壓作用時(shí)間增加不明顯，反射壓力第一峰值最高，后續(xù)峰值衰減較快。沖擊波在模爆器內(nèi)經(jīng)2、3次反射后強(qiáng)度變?nèi)?。脈沖發(fā)生器內(nèi)混合氣體爆炸沿水平管開口軸向的正反射沖擊波壓力大于其斜反射沖擊波壓力。乙炔-空氣混合比濃度增大爆炸沖擊波壓力增大，乙炔與空氣體積比達(dá)9.45%時(shí)爆炸軸向壓力最大，且隨乙炔與空氣體積比增大爆炸沖擊波壓力減小。試驗(yàn)所得結(jié)果與文獻(xiàn)[11]結(jié)論基本一致。

表1　各測(cè)點(diǎn)爆炸沖擊波壓力

圖3　1號(hào)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)沖擊波壓力時(shí)程曲線 Fig.3 Measured blastpressure-time history curves at the first measuring point

圖4　2號(hào)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)沖擊波壓力時(shí)程曲線 Fig.4 Measured blastpressure-time history curves at the second measuring point

圖5　3號(hào)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)沖擊波壓力時(shí)程曲線 Fig.5 Measured blastpressure-time history curves at the third measuring point

2乙炔-空氣混合氣體爆炸數(shù)值模擬

2.1有限元模型及參數(shù)選取

采用ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力有限元軟件對(duì)模爆器內(nèi)GBS系統(tǒng)氣體爆炸沖擊波傳播規(guī)律及爆炸沖擊波壓力進(jìn)行數(shù)值模擬。建模時(shí)對(duì)模爆器系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理：①不考慮模爆器外的輸氣管道；②忽略模爆器壁四周的傳感器、管道連接部位及固定脈沖發(fā)生器桁架；③設(shè)氣體爆炸過程絕熱，不計(jì)熱量損失。

圖6　有限元模型 Fig.6 Finite element models

數(shù)值模擬各項(xiàng)數(shù)據(jù)取SY-1～SY-4試驗(yàn)結(jié)果平均值，乙炔用量0.026 3 m3，空氣用量0.203 m3，乙炔濃度11.6%?？諝饧盎旌蠚怏w材料模型用空物質(zhì)材料模型及線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程描述[10]，其中空氣密度ρ=1.29 kg·m-3，初始能量E=2.5×105J·m-3；混合氣體密度ρ=1.273 kg·m-3，初始能量E=3.869×106J·m-3?？諝?、混合氣體用Solid164單元。模爆器及脈沖發(fā)生器材料模型用剛體材料模型，用Shell163單元?；旌蠚饧翱諝獠捎脷W拉算法，其它均用拉格朗日算法。利用對(duì)稱性取1/2模型。據(jù)文獻(xiàn)[12-13]選氣體網(wǎng)格尺寸為50 mm，模型由空氣、混合氣體、模爆器及脈沖發(fā)生器組成，用完全封閉的模爆器包圍空氣介質(zhì)，考慮空氣及模爆器的耦合作用采用流固耦合方法進(jìn)行數(shù)值模擬，有限元模型見圖6。本文空氣及混合氣體材料、狀態(tài)方程及網(wǎng)格尺寸的有效性及合理性已獲得驗(yàn)證[13]。

2.2氣體爆炸沖擊波傳播規(guī)律

乙炔-空氣混合氣體在模爆器內(nèi)爆炸產(chǎn)生的沖擊波傳播及流場(chǎng)變化規(guī)律見圖7。由圖7看出，沖擊波先在脈沖發(fā)生器中傳播， 隨時(shí)間推移通過水平管開口處

以球面波形式向模爆器內(nèi)傳播。沖擊波遇模爆器內(nèi)基礎(chǔ)底部發(fā)生反射(圖7(a)、(b))；隨沖擊波不斷向模爆器內(nèi)傳播遇到模爆器內(nèi)壁時(shí)，反射波從模爆器中部向兩邊傳播，隨入射角增大在模爆器內(nèi)壁底板方向產(chǎn)生復(fù)雜的馬赫反射(圖7(c)、(d))；隨時(shí)間增加沖擊波逐漸向模爆器頂部傳播，在模爆器內(nèi)來回傳播，并越來越復(fù)雜(圖7(e))；經(jīng)多次來回反射后模爆器內(nèi)沖擊波壓力大大降低，此時(shí)模爆器內(nèi)只存在高頻振蕩氣體(圖7(f))。

圖7　模爆器內(nèi)混合氣體爆炸傳播 Fig.7 Propagation of gas explosion in large nuclear explosion simulator

2.3數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果比較

SY-1中1、2、3號(hào)測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)曲線與數(shù)值模擬曲線對(duì)比見圖8。由圖8看出，爆炸沖擊波壓力時(shí)程曲線含峰值連續(xù)衰減的沖擊波荷載及持續(xù)增強(qiáng)的氣體壓力荷

圖8　混合氣體爆炸試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果比較 Fig.8 Comparison of pressure-time histories by experiment and simulation for gas-mixture explosion

載。數(shù)值模擬與試驗(yàn)波形較接近，但數(shù)值模擬所得反射波正壓持時(shí)及升壓時(shí)間均較試驗(yàn)所測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，試驗(yàn)曲線后期波動(dòng)較頻繁，峰值壓力較接近。1號(hào)測(cè)點(diǎn)峰值壓力為0.732 MPa，數(shù)值模擬為0.776 MPa，誤差6%； 2號(hào)測(cè)點(diǎn)峰值壓力0.372 MPa，數(shù)值模擬為0.389 MPa，誤差4.6%。3號(hào)測(cè)點(diǎn)峰值壓力0.343 MPa，數(shù)值模擬為0.368 MPa，誤差7.3%。峰值壓力數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。正壓持時(shí)二者吻合不好，此因建立數(shù)值計(jì)算模型時(shí)，忽略模爆器壁四周的傳感器、管道連接部位及固定脈沖發(fā)生器桁架，爆炸沖擊波遇模爆器壁后發(fā)生反射，數(shù)值模型中反射波運(yùn)行距離較試驗(yàn)長(zhǎng)，因此數(shù)值模擬的反射沖擊波持時(shí)較試驗(yàn)長(zhǎng)。

3結(jié)論

本文通過對(duì)大型模爆內(nèi)GBS系統(tǒng)爆炸試驗(yàn)及數(shù)值模擬計(jì)算研究，結(jié)論如下：

(1)混合氣體爆炸沿脈沖發(fā)生器水平管開口正對(duì)應(yīng)模爆器內(nèi)壁的區(qū)域?yàn)檎瓷鋮^(qū)域，在模擬器內(nèi)壁正反射區(qū)產(chǎn)生的壓力大于斜反射區(qū)壓力。乙炔-空氣體積比達(dá)9.45%時(shí)爆炸壓力最大。體積比大于9.45%時(shí)，隨乙炔-空氣體積比增大，軸向爆炸壓力減?。灰胰灿昧颗c氣云長(zhǎng)度增加沖擊波壓力呈非線性增加。爆沖擊波在模爆器內(nèi)壁產(chǎn)生的正反射波壓力高達(dá)0.815 MPa，比例距離Z>1 m·kg-1/3時(shí)乙炔-空氣混合氣體爆炸加載方式可替代化學(xué)炸藥對(duì)結(jié)構(gòu)/構(gòu)件爆炸沖擊試驗(yàn)加載。

(2)用有限元程序LS-DYNA能較好模擬模爆器內(nèi)GBS系統(tǒng)爆炸沖擊波在爆室內(nèi)的傳播過程。流場(chǎng)分布圖像及壓力波形與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。表明本文所用有限元模型及數(shù)值計(jì)算方法較合理，可用于模擬可燃?xì)怏w爆炸對(duì)建筑結(jié)構(gòu)/構(gòu)件的動(dòng)力響應(yīng)分析。

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