表面覆水對(duì)淺埋爆炸沖量傳遞的影響

高文博, 趙振宇, 任建偉, 盧天健

表面覆水對(duì)淺埋爆炸沖量傳遞的影響

高文博1, 2, 趙振宇1, 2, 任建偉1, 2, 盧天健1, 2

(1. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京, 210016; 2. 南京航空航天大學(xué)多功能輕量化材料與結(jié)構(gòu)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京, 210016)

表面覆水淺埋爆炸是裝甲車輛在灘涂地區(qū)作戰(zhàn)的主要威脅之一。由于同時(shí)具有水層和砂層的影響,表面覆水淺埋爆炸的沖量傳遞特性與傳統(tǒng)淺埋爆炸差異較大。為精細(xì)表征表面覆水對(duì)淺埋炸藥爆炸沖量傳遞的影響, 文章借助AUTODYN有限元軟件, 采用流固耦合算法對(duì)表面覆水的淺埋爆炸過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真。研究表明, 流固耦合方法能夠有效仿真表面覆水工況下淺埋爆炸; 表面覆水增強(qiáng)了淺埋爆炸中傳遞給目標(biāo)的沖量, 且沖量隨水層厚度的增加逐漸增大; 同時(shí), 炸藥底部的墊層厚度對(duì)沖量傳遞也有一定的影響。文中結(jié)果可為灘涂地區(qū)用裝甲車輛高性能防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有效的研究手段。

淺埋爆炸; 表面覆水; 沖量傳遞; 流固耦合

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中, 爆炸載荷對(duì)裝甲結(jié)構(gòu)和乘員安全傷害較大[1]。依據(jù)爆炸波傳播媒介的不同, 可將爆炸載荷劃分為空氣爆炸、水下爆炸和巖石爆炸等形式[2]。依據(jù)爆炸物的布置位置和炸坑形貌[3]的不同, 可將巖石爆炸細(xì)分為地表爆炸、淺埋爆炸、深埋爆炸和地下爆炸等[1]。目前, 淺埋爆炸是陸地戰(zhàn)場(chǎng)上最常見(jiàn)的爆炸載荷, 對(duì)作戰(zhàn)人員及裝備安全威脅極大。根據(jù)表面是否覆水, 又可將淺埋爆炸進(jìn)一步分為無(wú)覆水淺埋爆炸和覆水淺埋爆炸。由于陸用裝甲車輛在戰(zhàn)場(chǎng)中應(yīng)用較為普遍, 國(guó)內(nèi)外均針對(duì)無(wú)覆水淺埋爆炸展開(kāi)了廣泛研究, 尤其對(duì)其沖量傳遞機(jī)理的研究較為深入, 研究發(fā)現(xiàn): 爆炸過(guò)程中, 爆炸物在爆炸瞬間產(chǎn)生的爆炸超壓不僅會(huì)導(dǎo)致裝甲車體的局部破壞與傾覆[4], 還會(huì)對(duì)乘員組織器官造成不可逆的傷害[5]; 此外, 高速飛濺的砂土顆粒會(huì)導(dǎo)致車體進(jìn)一步變形, 進(jìn)而對(duì)乘員造成擠壓性傷害[6]。

評(píng)價(jià)淺埋爆炸殺傷力的主要指標(biāo)是爆炸后傳遞到結(jié)構(gòu)的沖量[1], 故如何測(cè)量該沖量成為目前國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)主要問(wèn)題?，F(xiàn)有針對(duì)沖量傳遞實(shí)驗(yàn)方法的定量化分析, 多采用2種手段[1]。第1種是靶板自由式: 采用高速攝影技術(shù)捕捉靶板在爆炸載荷作用下獲得的速度, 計(jì)算靶板的動(dòng)量, 依據(jù)動(dòng)量的變化量表征傳遞給結(jié)構(gòu)的沖量[7]; 第2種是靶板固定式: 靶板四邊固定, 采用在靶板上布置的壓力傳感器提取靶板所受壓力隨時(shí)間的變化曲線, 計(jì)算壓力對(duì)時(shí)間的積分表征傳遞給結(jié)構(gòu)的沖量[8]。此外, 還可采用多環(huán)嵌套裝置, 通過(guò)高速攝影技術(shù)捕捉圓環(huán)上升的位移, 由此計(jì)算圓環(huán)的上升速度, 同樣能夠準(zhǔn)確獲得傳遞給結(jié)構(gòu)的沖量的空間分布[9-10]。

國(guó)內(nèi)外目前針對(duì)無(wú)覆水淺埋爆炸的研究主要集中于探究不同地質(zhì)條件下, 傳遞給結(jié)構(gòu)的沖量變化情況。研究發(fā)現(xiàn), 砂土的各種地質(zhì)因素對(duì)淺埋爆炸事件中沖量的傳遞有較大影響[7], 包括砂土孔隙率、砂粒形狀、土壤密度和含水量等, 例如: 砂土的孔隙率對(duì)沖量的傳遞有一定的影響, 但隨著砂土顆粒之間孔隙率的增加, 傳遞給結(jié)構(gòu)的沖量逐漸減少[11]; 砂粒的形狀在沖量傳遞過(guò)程中發(fā)揮著重要作用, 不同形狀顆粒間的摩擦力不同, 而顆粒間的摩擦力會(huì)增加沖量的損耗[12]; 土壤密度和傳遞給結(jié)構(gòu)的沖量成正比[7], 增加土壤的初始密度會(huì)增加傳遞給目標(biāo)的沖量[13]。

但是在各類地質(zhì)條件中, 土壤顆粒的含水量對(duì)沖量的傳遞影響最大[7]。根據(jù)含水量的不同, 可將砂土分為欠飽和態(tài)、完全飽和態(tài)和表面覆水態(tài)。土壤顆粒含水量較低(低于8%左右)時(shí), 沖量對(duì)含水量不敏感[7]。隨著土壤含水量的增加直至達(dá)到完全飽和態(tài), 傳遞給目標(biāo)結(jié)構(gòu)的沖量顯著增加[14]。砂土含水量足夠高時(shí), 相較于同等條件下的干砂, 傳遞給結(jié)構(gòu)的沖量增加了近7倍[15]。高應(yīng)變率變形下, 土壤中的水分來(lái)不及排出, 土壤的抗剪切能力明顯提高, 砂料在飛濺過(guò)程中更加不易松散, 故傳遞給結(jié)構(gòu)載荷的沖量增大[16]。

隨著含水量的進(jìn)一步增加, 砂土由完全飽和態(tài)的無(wú)覆水淺埋爆炸轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻娓菜臏\埋爆炸。相較于其他爆炸工況, 有水參與的爆炸工況作用到結(jié)構(gòu)上的載荷更為復(fù)雜。目前, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多通過(guò)開(kāi)展水下爆炸研究, 探究水對(duì)爆炸威力的影響以及作用于結(jié)構(gòu)的載荷類型和作用機(jī)理。近年來(lái), 針對(duì)水下爆炸的研究主要集中于探究爆炸沖擊波的傳播及其分布[17]、爆炸后產(chǎn)生的氣泡脈動(dòng)[18]、氣泡坍塌引起的射流現(xiàn)象[19], 以及防護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞模式[20]等?，F(xiàn)代登陸作戰(zhàn)中, 通常有大量的水雷埋設(shè)在淺灘處, 而相比于陸地淺埋地雷的爆炸, 淺灘處的水雷爆炸強(qiáng)度更大[21], 故涉水搶灘是傷亡率最高的作戰(zhàn)階段[22]。目前, 國(guó)內(nèi)外缺乏有關(guān)灘涂處復(fù)雜地質(zhì)條件對(duì)淺埋爆炸沖量傳遞影響的公開(kāi)研究, 其作用機(jī)理還有待探索。

文中旨在考慮表面覆水淺埋爆炸對(duì)于結(jié)構(gòu)沖擊作用的影響, 采用傳遞到結(jié)構(gòu)的沖量及分布情況表征該工況下的載荷特性。首先, 建立表面覆水的淺埋爆炸模型, 采用有限元方法計(jì)算沖量傳遞; 然后, 通過(guò)與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比, 驗(yàn)證仿真方法的準(zhǔn)確性; 最后, 基于仿真結(jié)果, 量化水層厚度及爆炸物的墊層厚度對(duì)沖量傳遞及分布情況的影響。

1 問(wèn)題描述

圖1 表面覆水淺埋爆炸模型示意圖

2 數(shù)值仿真

2.1 幾何模型

圖2 表面覆水淺埋爆炸有限元模型

表1 4340鋼材料參數(shù)

表2 數(shù)值模型幾何參數(shù)設(shè)置

目標(biāo)板采用拉格朗日單元建模, 邊界自由?？諝?、水、C4、砂土均采用多物質(zhì)歐拉單元建模。歐拉域底部采用固支反射邊界, 其余邊界采用流出邊界。開(kāi)展網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證(見(jiàn)圖3), 發(fā)現(xiàn)歐拉單元網(wǎng)格尺寸設(shè)置為2 mm時(shí), 計(jì)算結(jié)果較為精確且計(jì)算效率較高。為提高計(jì)算精度, 將拉格朗日單元網(wǎng)格尺寸設(shè)為2 mm, 數(shù)值模型網(wǎng)格總數(shù)為16 600。

作為劇作家，袁昌英與莎士比亞的關(guān)系格外受人關(guān)注，不少文章涉及此類主題，如楊靜遠(yuǎn)《袁昌英與莎士比亞》，金潔《中國(guó)現(xiàn)代女作家袁昌英與莎士比亞》等。但這些文章基本上僅停留在一般的介紹和描述階段，缺乏深入的學(xué)術(shù)探討。

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析

2.2 材料特性

空氣材料模型[23]選擇理想氣體狀態(tài)方程

采用Shock模型描述水的運(yùn)動(dòng)狀態(tài), 狀態(tài)方程為

表3 水狀態(tài)方程具體參數(shù)

炸藥材料選擇C4, 狀態(tài)方程用如下Jones- Wilkins-Lee模型描述

表4 C4材料參數(shù)

砂土采用AUTODYN中默認(rèn)的砂土模型描述, 該模型為L(zhǎng)aine等[25]提出的砂土在動(dòng)載荷作用下的響應(yīng)本構(gòu)模型。文中主要研究砂土顆粒和水對(duì)目標(biāo)的沖擊作用, 不考慮砂土顆粒的失效模型。

圖4 不同爆距下仿真與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比曲線

圖5 不同埋深下仿真與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比曲線

圖6 水狀態(tài)方程仿真與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比曲線

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

文中采用靶板自由式方法, 量化砂層表面覆水及墊層厚度對(duì)淺埋爆炸沖量傳遞的影響。

3.1 水層厚度影響

圖7 板塊所受沖量分布曲線

表5 不同工況下整體靶板受到的比沖量對(duì)比

圖8 工況下淺埋爆炸時(shí)序圖

圖9 爆炸后0.2 ms時(shí)不同工況模型對(duì)比圖

3.2 墊層厚度影響

選擇合適的墊層厚度開(kāi)展表面覆水淺埋爆炸的仿真分析, 結(jié)果如圖11所示。可見(jiàn), 隨著墊層厚度的增加, 傳遞到結(jié)構(gòu)的沖量逐漸減小, 并在墊層厚度達(dá)到90 mm后趨于穩(wěn)定。需要指出的是, 為保證墊層厚度對(duì)結(jié)果影響較小的同時(shí)提高計(jì)算效率, 文中在其他小節(jié)中給出的有限元仿真結(jié)果均基于100 mm的墊層厚度。

圖10 不同水層厚度下爆炸物傳遞到目標(biāo)的總沖量

圖11 墊層厚度對(duì)沖量傳遞影響

4 結(jié)束語(yǔ)

文中采用流固耦合算法, 對(duì)表面覆水的淺埋爆炸過(guò)程進(jìn)行有限元數(shù)值仿真, 并基于文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性, 隨后量化了不同水層厚度對(duì)淺埋爆炸中沖量傳遞的影響, 得出以下主要結(jié)論:

1) 相較于沒(méi)有水參與的淺埋爆炸, 砂層之上有覆水層的淺埋爆炸傳遞到靶板結(jié)構(gòu)的沖量顯著增加;

2) 靶板各子結(jié)構(gòu)受到的比沖量隨著水層厚度的增加而增大;

3) 靶板所受到的比沖量隨著爆炸物底部墊層厚度的增加而逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定, 隨著水層厚度的增加, 靶板受到的整體比沖量增大;

4) 爆距為0時(shí), 傳遞給靶板的沖量隨水層厚度的增加呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)。

文中研究結(jié)果可為表面覆水淺埋爆炸結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計(jì)提供理論參考。然而, 文中僅采用有限元仿真方法對(duì)表面覆水淺埋爆炸工況進(jìn)行了探究, 且只考慮了爆炸物在砂土中埋置深度固定時(shí), 水層對(duì)沖量傳遞的影響。后續(xù)仍需進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)及有限元仿真, 并探究不同參數(shù)對(duì)沖量傳遞的影響。

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Effects of Water Covering on Impulse Transfer in Shallow Buried Explosions

GAO Wen-bo1, 2, ZHAO Zhen-yu1, 2, REN Jian-wei1, 2, LU Tian-jian1, 2

(1. State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 2. MIIT Key Laboratory of Multifunctional Lightweight Materials and Structures, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Shallow buried explosions covered by water are one of the major threats to armored vehicles fighting in tidal flat areas. Based on the influence of both the water layer and sand layer, the impulse transfer characteristics of shallow buried explosions covered by water are significantly different from those of traditional shallow buried explosions. To characterize the influence of water covering on impulse transfer, this study employed a fluid-structure coupling algorithm to simulate shallow buried explosions covered by water using the finite element software AUTODYN. The results demonstrate that the fluid-structure coupling method can effectively simulate shallow buried explosions covered by water. Water covering enhances the impulse transmitted to the target in shallow buried explosions and the impulse increases with an increasing depth of the water layer. The thickness of the cushion layer placed at the bottom of the explosive also affects impulse transfer. The results of this study can provide useful guide-lines for designing high-performance protection structures for armored vehicles used in tidal flat areas.

shallow buried explosion; water covering; impulse transfer; fluid-structure coupling

高文博, 趙振宇, 任建偉, 等. 表面覆水對(duì)淺埋爆炸沖量傳遞的影響[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2022, 30(3): 292-299.

TJ630.1; TB71.2

A

2096-3920(2022)03-0292-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.003

2022-02-18;

2022-04-01.

國(guó)家自然科學(xué)基金(11972185, 12002156)、中國(guó)博士后科學(xué)基金(2020M671473).

高文博(1999-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)閺?qiáng)動(dòng)載荷下輕質(zhì)材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)行為.

(責(zé)任編輯: 吳 攀)