無(wú)人機(jī)用森林滅火彈爆炸拋撒特性研究*

朱 聰，梁增友，鄧德志，王明廣，孫楠楠，梁福地

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051)

0 引言

由于滅火劑的爆炸拋撒過(guò)程非常復(fù)雜，直接試驗(yàn)成本較高。此外偶然誤差的存在也會(huì)對(duì)試驗(yàn)的準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。文中使用有限元?jiǎng)恿Ψ治鲕浖?duì)無(wú)人機(jī)用森林滅火彈戰(zhàn)斗部爆炸以及滅火劑的拋撒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)先獲取了一系列數(shù)據(jù)，并與滅火彈靜爆試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到理想的滅火劑有效滅火面積，為今后進(jìn)一步提高森林滅火彈滅火面積的研究打下基礎(chǔ)。

1 無(wú)人機(jī)用森林滅火彈模型和戰(zhàn)斗部模型建立

1.1 無(wú)人機(jī)用森林滅火彈模型

新型120 mm口徑的無(wú)人機(jī)用森林滅火彈采用平衡發(fā)射原理，利用六旋翼民用無(wú)人機(jī)發(fā)射，其結(jié)構(gòu)主要為發(fā)射裝置、彈丸和平衡裝置，作用機(jī)理為戰(zhàn)斗部裝填滅火劑，平衡發(fā)射后彈丸飛行到火場(chǎng)，拋撒藥引燃，進(jìn)而使滅火劑在拋撒藥作用下隨彈丸殼體的碎裂而彌散滅火。為得到彈丸的爆炸拋撒特性，研究重點(diǎn)放在彈丸總體結(jié)構(gòu)方面。其結(jié)構(gòu)參考尾翼式野戰(zhàn)火箭彈的總體結(jié)構(gòu)外形，口徑為120 mm，長(zhǎng)度為377 mm，殼體選用ABS工程塑料，厚度為3 mm，彈丸的氣動(dòng)外形如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)用森林滅火彈彈丸氣動(dòng)外形

1.2 戰(zhàn)斗部材料模型

炸藥選取 TNT炸藥，采用高能炸藥模型和JWL物態(tài)方程描述爆炸產(chǎn)物隨時(shí)間的變化規(guī)律，JWL物態(tài)方程的表達(dá)式為：

(1)

式中：P為壓力;V為相對(duì)比容;E為單位體積的內(nèi)能;A、B、R1、R2、ω為材料參數(shù)。

TNT炸藥[1]的JWL狀態(tài)方程參數(shù)[2]如表1所示。

表1 TNT炸藥的JWL狀態(tài)方程參數(shù)

1.3 戰(zhàn)斗部有限元模型

1.3.1 基礎(chǔ)條件及假設(shè)

無(wú)人機(jī)用森林滅火彈戰(zhàn)斗部主要包括超細(xì)干粉滅火劑、裝藥和殼體三部分。由于爆炸過(guò)程影響因素較多，為了便于仿真分析，需要對(duì)爆炸條件進(jìn)行假設(shè)[3]：

1)爆轟在理想狀態(tài)下瞬時(shí)完成，不考慮周圍環(huán)境的影響；

1）兩組患者的比較，OS組LSaO2低于單純COPD組，Lat、AHI高于單純COPD組，提示OS患者較COPD存在更明顯的夜間低氧血癥，與文獻(xiàn)報(bào)道一致[6]。日間血?dú)夥治鲲@示PaO2減低，但OS組低于單純 COPD 組，且OS組PaCO2高于單純COPD組。提示：OS組和COPD組均發(fā)生夜間睡眠時(shí)的低氧血癥，OS組較COPD組更為顯著。

2)忽略空氣阻力的影響；

3)設(shè)計(jì)戰(zhàn)斗部模型為圓柱體，為了提高計(jì)算效率，只建立1/4模型進(jìn)行模擬；

4)滅火劑材質(zhì)選用密度相當(dāng)?shù)耐寥啦牧咸娲?/p>

1.3.2 仿真模型建立

首先設(shè)定幾何模型參數(shù)，在TrueGrid前處理中，將戰(zhàn)斗部分為開艙藥、干粉滅火劑及彈丸殼體3個(gè)PART(部件)分別建模，其中PART1(開艙藥)及PART2(干粉滅火劑)建為SPH粒子模型，PART3(彈丸殼體)建為實(shí)體模型，采用SOLID 164實(shí)體單元。

運(yùn)用LS-DYNA[4]軟件進(jìn)行顯示動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，材料本構(gòu)模型的選取也非常重要，只有選取正確、相近的材料模型，才可以得到更加貼近實(shí)際的模擬效果。本次仿真模擬過(guò)程中，彈丸殼體選用PLASTIC_KINEMATIC模型(非線性塑性模型)，其材質(zhì)參數(shù)如表2所示，開艙藥選用HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能燃燒模型、干粉滅火劑選用等密度的SOIL_AND_FOAM土壤模型。

表2 ABS塑料參數(shù)

然后建立彈丸戰(zhàn)斗部的網(wǎng)格模型，彈丸戰(zhàn)斗部的網(wǎng)格建立及劃分在TrueGrid中進(jìn)行，其中裝藥與干粉滅火劑采取粒子化建模、SPH算法，彈丸殼體采用映射網(wǎng)格方式劃分、Lagrange與單點(diǎn)積分算法。本次研究無(wú)人機(jī)用森林滅火彈彈丸戰(zhàn)斗部在不同比藥量[5]的情況下，彈丸的爆炸拋撒特性，具體參數(shù)如表3所示、模型如圖2所示(因不同比藥量的模型具有相似性，此處僅展示一種模型)。

表3 不同比藥量時(shí)的模型參數(shù)

圖2 比藥量2%時(shí)的彈丸戰(zhàn)斗部1/4有限元模型

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 殼體碎裂情況對(duì)爆炸拋撒影響的結(jié)果分析

1)仿真分析時(shí)，選擇0.6 ms這一時(shí)間點(diǎn)來(lái)截取不同裝藥半徑下的彈丸殼體碎裂情況。相應(yīng)的彈丸殼體碎裂情況如圖3所示。對(duì)比分析可知裝藥半徑為0.9 cm時(shí)彈丸殼體碎裂產(chǎn)生的碎片大小均勻、飛散效果較好，其它尺寸裝藥時(shí)彈丸殼體碎裂產(chǎn)生的破片大小不一，尤其在0.8 cm裝藥半徑時(shí)條狀碎片較明顯，對(duì)周圍環(huán)境的影響較大?？紤]到彈丸殼體的碎裂情況，分析表3可知，當(dāng)裝藥半徑為0.9 cm,比藥量為3.21%時(shí)，殼體碎裂效果較好，滅火劑的飛散均勻，對(duì)周圍環(huán)境的影響較小。

圖3 裝藥半徑0.5～1.0 cm時(shí)彈丸殼體的碎裂情況

2)上述具體仿真結(jié)果數(shù)據(jù)如表4所示，分析表格，可以推出隨著比藥量的增加，彈丸殼體的碎裂時(shí)間等量減少、氣體膨脹半徑等比增加，相對(duì)應(yīng)的滅火劑的拋撒半徑也會(huì)相應(yīng)地變大，但是滅火劑的濃度也會(huì)等量減少，滅火效果不佳。

表4 數(shù)值模擬時(shí)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)

3)根據(jù)上述仿真模擬得到的滅火劑爆炸拋撒云圖如圖4所示，其中黑色部分為彈丸殼體，紅色部分為TNT炸藥，藍(lán)色部分為干粉滅火劑。文中僅研究裝藥比為3.21%、裝藥半徑為0.9 cm時(shí)殼體碎裂較好情況下的滅火劑爆炸拋撒半徑及有效滅火面積。根據(jù)仿真結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)公式[6]的計(jì)算可得，仿真模擬下的滅火劑拋撒半徑為3.324 m，滅火面積為34.7 m2，此時(shí)的滅火劑濃度為0.97 g/cm3，在有效滅火濃度范圍內(nèi)?？紤]到實(shí)際環(huán)境的影響，滅火劑的有效滅火半徑只能達(dá)到理論值的30%左右，文中在計(jì)算單發(fā)森林滅火彈的滅火性能時(shí)取理論值的26%[7]，最終計(jì)算得出該森林滅火彈的有效滅火面積為9 m2。

圖4 裝藥半徑0.5～1.0 cm時(shí)的滅火劑爆炸拋撒云圖

2.2 滅火彈靜爆試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)建立有限元模型，仿真分析得出在比藥量為3.21%、裝藥半徑為0.9 cm時(shí)，滅火彈的滅火性能較好。依據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)，在比藥量為3.21%、裝藥半徑為0.9 cm的情況下，對(duì)無(wú)人機(jī)用森林滅火彈進(jìn)行爆炸拋撒試驗(yàn)，觀察干粉滅火劑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、獲取其拋撒半徑。本次試驗(yàn)采取靜爆試驗(yàn)的方式，試驗(yàn)場(chǎng)地布置如圖5所示，其中的橫豎兩條交叉反光片為模擬火場(chǎng)。試驗(yàn)時(shí)將滅火彈彈丸放置在模擬火場(chǎng)中心位置，起爆后干粉滅火劑開始向四周飛散，如圖6所示。干粉滅火劑拋撒完全后的效果圖如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量得到滅火劑的拋撒半徑為3.09 m，與理論計(jì)算值3.324 m對(duì)比，相對(duì)誤差為7%，處于誤差允許的范圍內(nèi)，從而證明了仿真模擬的可行性及理論推算的準(zhǔn)確性。

圖5 拋撒試驗(yàn)場(chǎng)地布置

圖6 干粉滅火劑爆炸拋撒

圖7 爆炸拋撒試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

文中探究了無(wú)人機(jī)用森林滅火彈的有效滅火面積，通過(guò)TrueGrid軟件，建立了無(wú)人機(jī)用森林滅火彈戰(zhàn)斗部有限元模型，利用非線性顯式動(dòng)力學(xué)軟件LS-DYNA對(duì)模型進(jìn)行了數(shù)值求解計(jì)算，對(duì)無(wú)人機(jī)用森林滅火彈彈丸戰(zhàn)斗部的殼體碎裂情況進(jìn)行仿真模擬，獲取了不同的比藥量下彈丸殼體碎片飛散情況的云圖和滅火劑的爆炸拋撒云圖，并與實(shí)際靜爆試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

結(jié)果表明：

1)滅火彈靜爆試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算數(shù)據(jù)相差7%左右，誤差在合理范圍內(nèi)，從而表明所建立的有限元仿真模型以及滅火劑爆炸分散數(shù)值模擬過(guò)程的準(zhǔn)確性；

2)當(dāng)比藥量為3.21%、裝藥半徑為0.9 cm時(shí)，無(wú)人機(jī)用森林滅火彈滅火效果較好，計(jì)算得出此時(shí)滅火彈的有效滅火面積為9 m2，滅火效果較為理想。為進(jìn)一步提升無(wú)人機(jī)用森林滅火彈的有效滅火面積奠定了基礎(chǔ)。