測(cè)試廠房對(duì)導(dǎo)彈爆炸沖擊波防護(hù)性能數(shù)值仿真

崔村燕，女，副教授，碩士生導(dǎo)師。

測(cè)試廠房對(duì)導(dǎo)彈爆炸沖擊波防護(hù)性能數(shù)值仿真

趙蓓蕾1,2，崔村燕2 ，陳景鵬2 ，李曉勇3 ，李幸1,2

(1. 裝備學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，北京101416；2. 裝備學(xué)院 航天裝備系，北京101416；3. 63762部隊(duì))

摘要了解導(dǎo)彈測(cè)試廠房對(duì)爆炸沖擊波的防護(hù)性能，對(duì)于航天發(fā)射場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)分析至關(guān)重要。以某發(fā)射基地測(cè)試廠房為分析對(duì)象，利用LS-DYNA軟件對(duì)測(cè)試廠房?jī)?nèi)導(dǎo)彈意外爆炸的情況進(jìn)行了數(shù)值仿真，并與經(jīng)驗(yàn)方法估算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值仿真的有效性和可靠性。結(jié)果表明:發(fā)生爆炸時(shí)，抗爆墻能發(fā)揮良好的抗爆性能，泄爆墻能及時(shí)泄壓減壓，測(cè)試廠房的防護(hù)性能滿足要求。

關(guān)鍵詞爆炸沖擊波；數(shù)值仿真；LS-DYNA

作者簡(jiǎn)介趙蓓蕾(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹教彀l(fā)射總體技術(shù)。18810962461@163.com

中圖分類號(hào)V55

文章編號(hào)2095-3828(2015)06-0074-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2015.06.017

AbstractTo know about the protective performance of missile test plant against the explosion shock wave, it is vital to analyze the safety risk of space launching site. Taking the test plant at a launch site as an analysis object, the paper conducts numerical simulation on the unexpected missile explosion in the test plant with LS-DYNA software and compare with the result of estimation with experience method so as to verify the effectiveness and reliability of numerical simulation. The result indicates, in the case of explosion, the anti-explosion wall shows good performance in explosion resistance and the press-relief wall is able to release and alleviate pressure, so the protective performance of test plant can meet the requirements.

Keywordsexplosion shock wave; numerical simulation; LS-DYNA

NumericalSimulationonProtectivePerformanceof

TestPlantsagainstExplosionShockWave

ZHAOBeilei1,2,CUICunyan2,CHEN Jingpeng2,LI Xiaoyong3,LI Xing1,2

(1.DepartmentofGraduateManagement,EquipmentAcademy,Beijing101416,China;

2.DepartmentofSpaceEquipment,EquipmentAcademy,Beijing101416,China;

3. 63762Troops,China)

固體導(dǎo)彈在測(cè)試廠房進(jìn)行測(cè)試時(shí)，推進(jìn)劑已經(jīng)裝填完畢，在測(cè)試過(guò)程中有發(fā)生爆炸的可能[1]。測(cè)試廠房的墻體主要由鋼筋混凝土抗爆墻和輕質(zhì)泄爆墻組成。一旦導(dǎo)彈在測(cè)試廠房?jī)?nèi)發(fā)生爆炸，抗爆墻必須有足夠的強(qiáng)度，以保護(hù)墻外人員和設(shè)施設(shè)備。泄爆墻則需要將壓力及時(shí)釋放出去，減小對(duì)抗爆墻的沖擊。

LS-DYNA是一款著名的顯式非線性動(dòng)力分析程序，特別適用于求解三維的爆炸沖擊動(dòng)力問(wèn)題[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者利用該軟件在墻體抗爆方面開(kāi)展了很多研究，但基本都是在小當(dāng)量爆炸情況下針對(duì)單一墻體進(jìn)行爆炸毀傷效果分析，而導(dǎo)彈爆炸當(dāng)量較大，研究測(cè)試廠房對(duì)爆炸沖擊波的防護(hù)性能，則需要綜合考慮抗爆墻與泄爆墻的共同作用。在導(dǎo)彈爆炸方面，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)試驗(yàn)研究，可用的數(shù)據(jù)很少。本文采用查閱技術(shù)手冊(cè)和進(jìn)行數(shù)值仿真相結(jié)合的方法開(kāi)展研究，以期為爆炸危害的防御設(shè)計(jì)提供參考。

1作用機(jī)理

爆炸發(fā)生后，沖擊波將分別在抗爆墻、泄爆墻、地面以及房頂上發(fā)生多次反射，反射波與入射波之間、不同的反射波之間還將產(chǎn)生復(fù)雜的疊加，廠房?jī)?nèi)的流場(chǎng)十分雜亂。以爆炸沖擊波與單一墻體的相互作用為例，分析沖擊波遇到壁面后發(fā)生的反射，如圖1所示。

圖1　爆炸沖擊波與墻體相互作用示意圖

導(dǎo)彈測(cè)試時(shí)發(fā)生的爆炸可以視為地面爆炸。墻體迎爆面的沖擊波為半球面波，在墻體不同高度處入射角α不斷變化。墻體較低處沖擊波入射角較小，作用的沖擊波為規(guī)則反射波；而墻體較高處，沖擊波入射角大于某臨界值后，將會(huì)發(fā)生馬赫反射[3]。

2計(jì)算模型

計(jì)算模型由等效TNT炸藥、空氣、房頂、抗爆墻、泄爆墻以及地面六部分組成。根據(jù)最不利原則，將導(dǎo)彈的每一級(jí)推進(jìn)劑按照最大當(dāng)量系數(shù)折算成等效的TNT當(dāng)量。為節(jié)約計(jì)算資源，只對(duì)部分空氣域建模，使得廠房模型包含在空氣域內(nèi)。模型的結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用cm-g-μs單位制(模型長(zhǎng)、寬、高單位均為cm)，坐標(biāo)原點(diǎn)位于大廳的正中央，z軸垂直于xy平面指向上。

圖2　仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖

TNT炸藥采用MAT-HIGH-EXPLOSLVE-BURN材料模型，爆轟壓力P和單位體積內(nèi)能E及相對(duì)體積V的關(guān)系采用JWL狀態(tài)方程進(jìn)行描述。

(1)

式中,A、B、R1、R2、ω為JWL狀態(tài)方程的參數(shù)；E為炸藥的內(nèi)能；V為相對(duì)體積。

空氣采用MAT_NULL材料模型和線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程EOS_LNIEAR_POLYNOMIAL進(jìn)行描述。

(2)

鋼筋混凝土抗爆墻由2種材料組成，其性質(zhì)各不相同，在有限元分析時(shí)必須考慮其特點(diǎn)[5]。本文選用整體式模型對(duì)墻體建模，采用96號(hào)材料模型MAT-BRTTLE-DAMAGE[6]來(lái)描述,這種材料模型能夠很好地描述高應(yīng)變率條件下混凝土的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。材料模型中還包括配筋率的選項(xiàng)，可以方便地定義鋼筋和混凝土的材料屬性[7]。

為了便于觀察爆炸沖擊波在測(cè)試廠房?jī)?nèi)的傳播，將空氣域的各個(gè)表面設(shè)置為無(wú)反射邊界條件，避免沖擊波在邊界上發(fā)生反射重新進(jìn)入模型區(qū)域影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性?？贡瑝ψ鳛闇y(cè)試廠房的防護(hù)結(jié)構(gòu)，底部由剛性地基支承，因此在其底面上施加法線方向的位移約束，其余面為自由面。

3 結(jié)果分析

3.1　抗爆墻超壓分布的仿真結(jié)果

爆炸時(shí)裝藥會(huì)發(fā)生猛烈的化學(xué)反應(yīng)，在測(cè)試廠房?jī)?nèi)瞬間釋放出大量的能量，產(chǎn)生大量高溫、高壓等爆炸反應(yīng)產(chǎn)物，這些產(chǎn)物急劇膨脹并向四周高速飛散，導(dǎo)致廠房?jī)?nèi)空氣的壓強(qiáng)、溫度和密度突躍上升而形成初始沖擊波[8]。與自由大氣中發(fā)生爆炸不同的是，測(cè)試廠房屬于有限空間，爆炸沖擊波在傳播過(guò)程中遇到墻體會(huì)發(fā)生波的反射和疊加，在墻體表面形成高壓區(qū)。

為了對(duì)爆炸載荷作用下抗爆墻表面的超壓進(jìn)行量化分析，在迎爆面不同的高度處選取4個(gè)典型的單元，如圖3所示。單元A1(0,-1 500,0)位于抗爆墻與地面相交線的中心，單元A2(0,-1 500,430)、單元A3(0,-1 500,750)、單元A4(0,-1 500,1 300)沿z軸的正方向自下而上排列。沖擊波在單元A1處的入射角為0°，發(fā)生的是正反射；在單元A2、 A3、 A4處的入射角分別為30°、45°及60°，發(fā)生的是斜反射。

圖3　防爆墻上4個(gè)單元位置示意圖

根據(jù)仿真結(jié)果，得到4個(gè)單元的超壓時(shí)程曲線，如圖4所示。從圖中可以看到爆炸發(fā)生后在極短的時(shí)間內(nèi)，4個(gè)單元的壓力時(shí)程曲線均突躍上升到峰值壓強(qiáng)，接著又出現(xiàn)了急劇的衰減。這是由于隨著傳播距離的增大，沖擊波波陣面的面積不斷增大，單位面積上的能量分布降低，反應(yīng)過(guò)程中的不可逆損失增加而導(dǎo)致[9]。在抗爆墻的迎爆面上，隨著單元高度的增加，沖擊波的超壓峰值明顯減小，而正壓區(qū)不斷拉寬，正壓作用時(shí)間延長(zhǎng)。

圖4　不同單元壓力時(shí)程曲線

3.2　抗爆墻超壓分布的經(jīng)驗(yàn)估算

我國(guó)在抗爆標(biāo)準(zhǔn)編制方面起步較晚，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)尚未建立起健全的標(biāo)準(zhǔn)體系。本文使用的是美國(guó)陸軍編寫(xiě)的《抗偶然爆炸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》(編號(hào)為T(mén)M5-1300)，該標(biāo)準(zhǔn)在軍事建筑結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)中使用最為廣泛。查閱手冊(cè)中柱形裝藥地面爆炸沖擊波的正相參數(shù)圖以及反射波的峰值超壓與入射角的關(guān)系圖[10]，分別見(jiàn)圖5和圖6，圖上單位為英制標(biāo)準(zhǔn)單位。

圖5　柱形裝藥地面爆炸沖擊波正相參數(shù)

圖6　反射沖擊波隨入射角變化關(guān)系

首先根據(jù)本文算例，確定導(dǎo)彈地面爆炸的比例距離

式中,R為導(dǎo)彈距抗爆墻的距離；W為導(dǎo)彈的等效TNT當(dāng)量。為方便查閱曲線，將結(jié)果進(jìn)行單位換算，得到Z=0.59ft/Ib1/3。

根據(jù)圖5得到正反射對(duì)應(yīng)的反射波峰值超壓為8 296psi，約為57.2MPa。根據(jù)圖6得到30°入射角對(duì)應(yīng)的反射波峰值超壓為7 048psi，約為48.6MPa；45°入射角對(duì)應(yīng)的反射波峰值超壓為4 046psi，約為27.9MPa；60°入射角對(duì)應(yīng)的反射波峰值超壓為1 010psi，約為6.97MPa。將數(shù)值仿真與經(jīng)驗(yàn)公式的結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，見(jiàn)表1。

表1　數(shù)值仿真與經(jīng)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照

由表1可以看出，數(shù)值仿真和經(jīng)驗(yàn)估算的結(jié)果十分相近，相對(duì)誤差在可以接受的范圍內(nèi)。4個(gè)單元超壓峰值的仿真計(jì)算值均大于經(jīng)驗(yàn)值，這是由于經(jīng)驗(yàn)方法考慮的是炸藥地面爆炸沖擊波在單一墻體表面發(fā)生反射的情況，而測(cè)試廠房空間相對(duì)密閉，爆炸沖擊波會(huì)在抗爆墻、地面、泄爆墻及房頂之間來(lái)回反射，發(fā)生復(fù)雜的相互疊加，入射波與反射波合成后，強(qiáng)度大大升高。

3.3　測(cè)試廠房的應(yīng)變分析

測(cè)試廠房在不同時(shí)刻的應(yīng)變?cè)茍D如圖7所示，通過(guò)該圖可以從宏觀上預(yù)測(cè)泄爆墻的破壞區(qū)域和破壞程度。經(jīng)觀察知，泄爆墻首先從兩側(cè)開(kāi)始失效，這是由于爆炸沖擊波在廠房的墻角壁面間來(lái)回反射，形成高壓區(qū)，沖擊波載荷對(duì)泄爆墻質(zhì)點(diǎn)的擾動(dòng)劇烈，兩側(cè)率先發(fā)生應(yīng)力集中，進(jìn)而破碎崩塌，伴隨大量飛濺的碎片。

測(cè)試廠房泄爆墻上的玻璃窗分布復(fù)雜，在建模時(shí)將泄爆墻進(jìn)行了簡(jiǎn)化，忽略了玻璃窗的影響。玻璃屬于輕質(zhì)的泄壓材料，在較小的爆炸沖擊載荷下就能破碎，因此，本次仿真結(jié)果相對(duì)保守，實(shí)際泄爆墻的形變會(huì)更加劇烈。

4結(jié)論

本文基于LS-DYNA軟件對(duì)某發(fā)射基地固體導(dǎo)彈在測(cè)試廠房?jī)?nèi)意外爆炸的情況進(jìn)行了三維數(shù)值仿真，得到以下結(jié)論：

1) 將仿真得到的抗爆墻迎爆面的沖擊波超壓峰值與經(jīng)驗(yàn)估算值進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果十分接近，充分證明了仿真模型和材料參數(shù)選取的合理性。

2) 導(dǎo)彈發(fā)生爆炸時(shí)，測(cè)試廠房的抗爆墻能發(fā)揮良好的防爆性能，泄爆墻能及時(shí)將壓力釋放到外部空間，達(dá)到了泄壓減壓的目的。說(shuō)明該發(fā)射基地的導(dǎo)彈測(cè)試廠房設(shè)計(jì)合理，對(duì)沖擊波的防護(hù)性能滿足要求。

參考文獻(xiàn)(References)

[1]張玉文,杜國(guó)強(qiáng).某型固體導(dǎo)彈意外爆炸破壞效應(yīng)分析及防止措施[J].導(dǎo)彈管理與維修工程,2005(6):59-60.

[2]唐長(zhǎng)剛.LS-DYNA有限元分析及仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014：2-4.

[3]孟祥煜,楊慧,李會(huì)恩，等.爆炸沖擊波在建筑群中傳播規(guī)律的數(shù)值模擬[J].四川建筑科學(xué)研究,2011,37(1):161-164.

[4]時(shí)黨勇,李裕春,張勝民.基于 ANSYS/LS-DYNA8.1進(jìn)行顯式動(dòng)力分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005：31-35.

[5]張鳳華.爆炸沖擊載荷作用下鋼筋混凝土墻的動(dòng)力響應(yīng)分析[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2007:31-34.

[6]Livermore Software Technology Corporation.LS-DYNA keyword user’s manual[M].California:Livermore Software Technology Corporation,2003：302-304.

[7]汪維,張舵,盧芳云，等.方形鋼筋混凝土板近場(chǎng)抗爆性能[J].爆炸與沖擊,2014,32(3):251-258.

[8]張寶坪,張慶明,黃風(fēng)雷，等.爆轟物理學(xué)[M].北京：兵器工業(yè)出版社,2001：2-3.

[9]胡兆穎,唐德高.空氣中TNT爆炸的數(shù)值模擬[J].爆破2014,31(4):41-45.

[10]Structures to resist the effects of accidental explosions [M].Washington D.C.:US Department of the Army,Navy and Air Force,1990:49-52.

(編輯：李江濤)