矩形坑道內(nèi)爆炸沖擊波壓力仿真計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證

孫 浩,何降潤(rùn),王鳳丹,剡小軍,陳世煜

(中國(guó)兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院, 陜西 華陰 714200)

0 引言

坑道是一種常見(jiàn)典型的地下軍事工事,隱蔽性強(qiáng)、密閉性好。面對(duì)溫壓彈等特種彈藥侵爆時(shí),坑道內(nèi)密閉空間爆炸時(shí)產(chǎn)生的壓力、熱量無(wú)法迅速擴(kuò)散,產(chǎn)生的高熱和超壓會(huì)造成大面積殺傷和破壞作用[1]。爆炸波在坑道多次反射疊加,與空氣自由場(chǎng)爆炸比較,正壓作用時(shí)間加長(zhǎng)、毀傷峰值超壓增大、對(duì)人員、目標(biāo)的毀傷效果顯著[2]。

對(duì)應(yīng)坑道中爆炸沖擊波的研究,常用的方法有簡(jiǎn)化處理后進(jìn)行理論分析方法、原型試驗(yàn)和基于爆炸相似理論的比例模型試驗(yàn)方法,以及數(shù)值模擬技術(shù)?？拥纼?nèi)爆炸壁面反射波疊加復(fù)雜,國(guó)內(nèi)外大都以量綱、試驗(yàn)和數(shù)字模擬技術(shù)進(jìn)行研究。學(xué)者們[3-7]主要通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù),對(duì)坑道爆轟波傳播規(guī)律及結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了分析。劉佳鑫等[8-9]通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù),研究了溫壓炸藥爆炸作用下坑道關(guān)鍵部位動(dòng)力結(jié)構(gòu)相應(yīng)研究規(guī)律。張洪銘等[10]通過(guò)數(shù)值模擬和理論研究,對(duì)典型工業(yè)炸藥沖擊波傳播特性和溫度場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬研究。張玉磊等[11-14]對(duì)TNT坑道內(nèi)爆炸熱作用規(guī)律開(kāi)展試驗(yàn)研究,獲取了沖擊波抵達(dá)時(shí)間、超壓峰值、沖量等參數(shù)。徐大力等[15-17]針對(duì)坑道口部爆炸爆轟波傳播規(guī)律進(jìn)行仿真研究。

學(xué)者們主要通過(guò)數(shù)值模擬手段研究坑道內(nèi)爆超壓傳播規(guī)律,對(duì)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證。本文通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)、試驗(yàn)方法對(duì)典型矩形坑道不同位置峰值壓力大小規(guī)律進(jìn)行研究,通過(guò)試驗(yàn)方法驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性,為后續(xù)靶場(chǎng)試驗(yàn)選取合適PCB傳感器型號(hào),為試驗(yàn)順利開(kāi)展提供理論依據(jù),為坑道內(nèi)侵爆類彈藥爆炸毀傷效應(yīng)評(píng)估等提供支撐。

1 計(jì)算模型及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)值模擬模型

數(shù)值模擬模型與試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)模型一致。數(shù)值模擬戰(zhàn)斗部裝藥直徑為120 mm,根據(jù)爆熱等效原則,TNT當(dāng)量為25 kg,數(shù)值模擬戰(zhàn)斗部視外形與試驗(yàn)戰(zhàn)斗部尺寸一致,戰(zhàn)斗部長(zhǎng)度為1.35 m。試驗(yàn)坑道為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),坑道墻壁厚度80 cm,坑道內(nèi)部測(cè)量尺寸如圖1所示。藥柱豎直放置在A-A截面處,并與坑道地面、頂面等高。

圖1 坑道示意圖

需要檢測(cè)坑道距離爆心位置-5、5、10、15、20 m處沖擊波壓力隨著時(shí)間變化歷程,其中兩側(cè)墻體距離地面高度分別為0.7、1.4 m,觀測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖2左側(cè)5、6觀測(cè)點(diǎn),右側(cè)墻體為1、2觀測(cè)點(diǎn)。在地面位置,均勻設(shè)置兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)檢測(cè)壓力隨時(shí)間變化歷程。

圖2 數(shù)值模擬高斯點(diǎn)設(shè)置示意圖

1.2 模型建立及算法選擇

Autodyn軟件擁有豐富的材料庫(kù)及材料模型,數(shù)值模擬采用Autodyn軟件。本文涉及材料為TNT、空氣、混凝土(35 MPa),選擇Autodyn自帶材料庫(kù)。由于坑道尺寸較大,為減小計(jì)算時(shí)間,直接采用三維模型計(jì)算爆轟波在坑道的傳播耗時(shí)較長(zhǎng),因此將Autodyn-2D計(jì)算獲得裝藥初始爆轟并穩(wěn)定傳播時(shí)的狀態(tài)及其參數(shù),作為映射文件,導(dǎo)入三維坑道模型中繼續(xù)計(jì)算,以縮短計(jì)算時(shí)間。其中三維軸對(duì)稱模型,對(duì)稱平面為XZ平面,坑道沿著Z軸正向放置,二維網(wǎng)格尺寸為0.5 mm,三維映射網(wǎng)格尺寸為20 mm,計(jì)算單位mm-mg-ms-kPa。

坑道鋼筋選擇4340鋼,采用John-Cook模型和Linear狀態(tài)方程,材料參數(shù)見(jiàn)表1所示,炸藥選擇圓柱形TNT裝藥,裝藥長(zhǎng)度為1.35 m,采用JWL狀態(tài)方程,材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 4043鋼John-Cook模型參數(shù)

表2 TNT裝藥JWL模型參數(shù)

二維初始狀態(tài)有限元模型如圖3所示,0.1 ms時(shí)刻輸出映射文件爆轟產(chǎn)物物質(zhì)分布圖見(jiàn)圖3所示。

圖3 2D有限元模型0.1 ms時(shí)刻物質(zhì)分布圖

將圖3作為映射文件輸出,得到爆轟波壓力、速度等信息,并作為三維計(jì)算初始映射參數(shù)。高斯點(diǎn)分別在X=0 m,Y=0 m;X=0 m,Y=0.7 m;X=0.7 m,Y=1 m;X=1.4 m,Y=1 m軸線,對(duì)應(yīng)爆心距-5、0、5、10、15、20 m位置?？諝馀c混凝土采用流固耦合算法,坑道兩側(cè)設(shè)置為壓力流出邊界。導(dǎo)入映射文件初始狀態(tài)及高斯點(diǎn)設(shè)置見(jiàn)圖4所示。

圖4 三維有限元計(jì)算模型及高斯點(diǎn)位置

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置及毀傷效果

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用坑道尺寸為:2 m(寬)×2.5 m(高)×30 m(長(zhǎng))的鋼筋混凝土坑道。在坑道壁面預(yù)打孔位置安裝PCB傳感器,通過(guò)PCB傳感器及CJB測(cè)試設(shè)備獲取坑道超壓隨時(shí)間歷程變化數(shù)據(jù)。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 高斯點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化歷程曲線

數(shù)值模擬提取沿著坑道徑向分布設(shè)置的部分高斯點(diǎn),繪制峰值超壓隨時(shí)間歷程變化曲線如圖6所示。

圖6 壓力隨著時(shí)間變化歷程曲線

從圖6可看出,戰(zhàn)斗部附近峰值壓力最大,隨著爆轟波向坑道口部傳播,高斯點(diǎn)峰值壓力逐漸減小。距離坑道口部越近,爆轟波衰減速度逐漸降低,正壓作用時(shí)間逐漸減小、峰值壓力逐漸降低,沖擊波最終趨于穩(wěn)定傳播狀態(tài),此時(shí)坑道截面壓力梯度幾乎為零。

2.2 等截面不同位置高斯點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化歷程

從圖7等截面高斯點(diǎn)超壓隨時(shí)間變化歷程曲線可知,觀測(cè)點(diǎn)距離爆心位置越來(lái)越遠(yuǎn),峰值壓力不斷減小,由于爆轟波向遠(yuǎn)處傳播不斷衰減導(dǎo)致的結(jié)果;同一截面不同位置觀測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化曲線可知,觀測(cè)點(diǎn)在藥柱對(duì)稱截面上的峰值壓力最大;觀察圖7同一XY截面不同位置高斯點(diǎn),即高斯點(diǎn)14、20,高斯點(diǎn)15、21,高斯點(diǎn)16、22,高斯點(diǎn)17、23,高斯點(diǎn)18、24,高斯點(diǎn)19、25壓力隨著時(shí)間變化歷程曲線可致,Y=1.0 m時(shí),X=0.7 m和X=1.4 m處的壓力及峰值壓力基本吻合,說(shuō)明沖擊波在壁面穩(wěn)定向前傳播,最終等截面處爆轟波趨于穩(wěn)定傳播。

圖7 等截面高斯點(diǎn)超壓隨著時(shí)間變化歷程Fig.7 Equal-section Gaussian point overpressure over time

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及誤差分析

試驗(yàn)時(shí)在坑道左右兩側(cè)壁距地面0.7 m、1.4 m高,距離爆心5 m測(cè)試點(diǎn)選擇型號(hào)為113B21,量程為1.3 MPa;10 m、15 m、20 m位置傳感器選擇113B27型號(hào),量程為0.69 MPa PCB傳感器測(cè)量超壓,即每個(gè)點(diǎn)位對(duì)應(yīng)兩組數(shù)據(jù),對(duì)兩組數(shù)據(jù)峰值壓力取平均得到實(shí)測(cè)點(diǎn)位峰值壓力超壓,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3、表4所示。其中表3為矩形坑道側(cè)壁,距離地面1.4 m,對(duì)應(yīng)仿真模型1、3、5、7#點(diǎn)位;表4為矩形坑道側(cè)壁,距離地面0.7 m,對(duì)應(yīng)仿真模型2、4、6、8#點(diǎn)位。

表3 距地面1.4 m側(cè)壁面峰值超壓仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

表4 距地面0.7 m側(cè)壁面峰值超壓仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)比表3和表4峰值超壓數(shù)據(jù)可知,25 kg TNT在坑道爆炸時(shí),當(dāng)在距離爆心10 m范圍內(nèi),對(duì)應(yīng)測(cè)試點(diǎn)位峰值超壓小于仿真峰值超壓誤差,仿真數(shù)據(jù)偏大,誤差接近25%;當(dāng)大于15 m時(shí),實(shí)測(cè)點(diǎn)位與仿真數(shù)據(jù)相差不大,誤差為9%左右。

從坑道數(shù)值模擬獲取對(duì)應(yīng)點(diǎn)位超壓峰值數(shù)據(jù)可知,數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)峰值超壓誤差在25.49% ～17.43%,仿真值均大于實(shí)測(cè)值,因此可以仿真峰值超壓作為坑道試驗(yàn)超壓測(cè)試試驗(yàn),傳感器型號(hào)、量程選型理論依據(jù)。將表3、表4數(shù)據(jù)繪制曲線,見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 距地面1.4 m位置峰值超壓結(jié)果對(duì)比

圖9 距地面0.7 m位置峰值超壓結(jié)果對(duì)比

對(duì)比表3、表4數(shù)據(jù),分析等截面坑道試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)可知,等截面峰值超壓值越偏離爆心,等截面不同測(cè)試點(diǎn)位壓力值越接近,這點(diǎn)從仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)均可得到證實(shí)。

由于實(shí)測(cè)戰(zhàn)斗部為混合裝藥,等效為TNT裸裝藥進(jìn)行計(jì)算,從理論、仿真計(jì)算方面進(jìn)行誤差分析如下:

1) 混合炸藥等效為TNT裸裝藥根據(jù)能量等效,混合炸藥沖擊波傳播衰減規(guī)律與TNT裸裝藥起爆傳播規(guī)律有所差別。

2) 數(shù)值模擬計(jì)算選擇本構(gòu)材料參數(shù)為Autodyn材料庫(kù)TNT,不能充分反映實(shí)際混合炸藥沖擊波傳播規(guī)律。

3) 坑道靜爆試驗(yàn)測(cè)試環(huán)境惡劣,反射波在坑道內(nèi)反射疊加,使得近爆心處獲取的兩組實(shí)測(cè)超壓數(shù)據(jù)誤差較大。

3 結(jié)論

通過(guò)以上的仿真實(shí)驗(yàn)的分析,結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到以下結(jié)論:

1) 坑道近爆心同一截面峰值超壓有所差別,隨著距離爆心越遠(yuǎn),同一坑道截面爆轟波將趨于穩(wěn)定傳播,超壓歷程曲線相差不大。

2) 坑道試驗(yàn)近爆心數(shù)值模擬峰值超壓與實(shí)測(cè)值誤差小于26%,數(shù)值模型具有一定可信度。

3) 坑道試驗(yàn)可將戰(zhàn)斗部換算為TNT當(dāng)量后,根據(jù)數(shù)值模擬峰值超壓結(jié)果,可作為傳感器量程、型號(hào)選擇理論依據(jù),為坑道內(nèi)侵爆類彈藥爆炸毀傷效應(yīng)評(píng)估等提供支撐。