向 召，戴開(kāi)達(dá)，陳鵬萬(wàn)，呂智星，武 錚，張 鵬，張珊珊

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081； 2.中國(guó)兵器工業(yè)火炸藥工程與安全技術(shù)研究院， 北京 100053)

1 引言

抗爆傳遞窗作為危險(xiǎn)品在穿墻傳遞過(guò)程中的安全防護(hù)措施，承擔(dān)著保護(hù)人員及設(shè)備安全的重要功能，廣泛運(yùn)用于各類防護(hù)工程。

抗爆傳遞窗作為重要的防護(hù)設(shè)備，一旦發(fā)生意外，將遭受爆炸載荷的直接作用。常規(guī)武器爆炸荷載與核武器爆炸荷載相比，作用時(shí)間較短，爆炸早期沖擊波高頻豐富、加載迅速、波長(zhǎng)較短，防護(hù)門在常規(guī)武器爆炸荷載作用下將發(fā)生反彈效應(yīng)[1]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)反彈效應(yīng)，進(jìn)行了大量的研究，美國(guó)陸海空三軍司令部聯(lián)合出版的《TM5-1300抗偶然性爆炸效應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》[2]中指出常規(guī)武器爆炸荷載作用下要考慮防護(hù)門的反彈效應(yīng)； 美國(guó)《TM5-855-1常規(guī)武器防護(hù)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[3]中指出防護(hù)門等效反彈壓力取0.5射波峰值壓力；但是杜家政等[4]通過(guò)數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，防護(hù)門的反彈系數(shù)與門體材料、結(jié)構(gòu)形式、荷載形式和作用時(shí)間等因素密切相關(guān)；Beshara[5]提出了結(jié)構(gòu)的反彈效應(yīng)及動(dòng)力響應(yīng)與裝藥的TNT當(dāng)量、比例爆距、荷載大小、沖擊波作用時(shí)間及載荷形狀有關(guān);郭東、劉晶波[6-7]等進(jìn)一步研究了防護(hù)門邊長(zhǎng)比、載荷作用時(shí)間、阻尼比、載荷形式以及沖擊波負(fù)壓等對(duì)反彈效應(yīng)的影響規(guī)律，對(duì)反彈效應(yīng)的研究具有重要的指導(dǎo)意義，但推導(dǎo)時(shí)對(duì)模型進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)化和假設(shè)，仍然屬于定性的范疇；方秦[8]在理論分析的基礎(chǔ)之上結(jié)合數(shù)值計(jì)算，研究了設(shè)置彈簧與阻尼器的防護(hù)門這一特定情況下的防護(hù)門的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律；這些研究從理論出發(fā)，結(jié)合數(shù)值模擬，分析了反彈機(jī)理及影響因素，對(duì)反彈效應(yīng)研究有重要的指導(dǎo)意義。

本文設(shè)計(jì)了一種提取爆炸載荷下的抗爆窗的反彈力的試驗(yàn)方法，并通過(guò)試驗(yàn)及數(shù)值模擬驗(yàn)證了該方法的可行性，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)豎直模擬研究了反彈力、板面最大位移、板面最大應(yīng)變與等效靜荷載的關(guān)系。

2 試驗(yàn)研究

窗板與抗爆間墻體通過(guò)螺栓連接，窗板在受爆炸載荷作用后發(fā)生反彈會(huì)給螺栓一個(gè)拉力，通過(guò)測(cè)量螺栓的應(yīng)變從而計(jì)算螺栓的應(yīng)力從而計(jì)算所受到的拉力，這個(gè)拉力即為窗板的反彈力。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的某型抗爆間試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示，抗爆間墻體采用鋼筋混凝土澆筑而成，開(kāi)口方向向上，采用朝天泄爆方式，抗爆間室長(zhǎng)寬均為4.8 m，高3.5 m，其余尺寸如圖2所示；抗爆窗材料采用Q345，長(zhǎng)寬均為0.72 m，厚36 mm，抗爆窗中心距地面高1.2 m，且位于墻面中心，通過(guò)8根M24Q345鋼質(zhì)螺栓與抗爆間墻體連接。

圖1 抗爆間試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)藥柱圖

圖2 抗爆間剖面圖

為測(cè)量螺栓所受拉力，分別在每根螺栓的中間位置貼應(yīng)變片測(cè)量螺栓的應(yīng)變，為測(cè)量抗爆窗所受的壓力載荷及受到載荷后的響應(yīng)，分別在抗爆窗的前面及背面安裝超壓傳感器及應(yīng)變片，分別如圖3和圖4所示；一共進(jìn)行了4次試驗(yàn)，為了驗(yàn)證各測(cè)量元件的準(zhǔn)確性以及排除試驗(yàn)偶然性的影響，首先進(jìn)行了兩次20 kg藥量的試驗(yàn)，在驗(yàn)證了測(cè)量元件測(cè)量準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上再依次進(jìn)行了40 kg及50 kg 的試驗(yàn)，炸藥均采用長(zhǎng)徑比為1∶1的圓柱狀TNT藥柱， 裝藥密度大約為1.55 g/cm3，藥柱放置位置如圖1所示，藥柱中心距離地面高1.2 m，小桌置于抗爆間室中部，距離抗爆間墻面為2.4 m。

圖3 超壓傳感器布置圖

圖4 應(yīng)變片布置圖

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 計(jì)算方案

抗爆間室內(nèi)操作臺(tái)上炸藥爆炸，沖擊波會(huì)與地面作用，增加地面反射波的壓力，威脅靠近地面部分建筑的安全[9]，且與地面作用的機(jī)理復(fù)雜，且受炸藥種類、藥量、爆高、地面土質(zhì)等因數(shù)影響[10-13]；此外沖擊波會(huì)在抗爆間壁面來(lái)回反射且多次加載，因此不能采用CONWEP算法或是等效藥量法，為了能保證計(jì)算精度的同時(shí)盡可能的提高計(jì)算效率，本次計(jì)算采用如下方案：在沖擊波傳至地面前，相當(dāng)于炸藥在無(wú)限空間里爆炸，將計(jì)算模型簡(jiǎn)化成球形裝藥在無(wú)限空間中爆炸，將炸藥簡(jiǎn)化為點(diǎn)爆炸源，空氣簡(jiǎn)化為具有一定角度的楔形體進(jìn)行計(jì)算；在沖擊波傳播至地面但是還沒(méi)有傳播至抗爆間墻面這段時(shí)間內(nèi)，忽略地面震動(dòng)對(duì)墻壁的影響，將計(jì)算模型簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱模型；為計(jì)算沖擊波在抗爆間室內(nèi)的反射，將二維模型里沖擊波未到達(dá)壁面前的空氣信息映射到三維計(jì)算模型，在三維模型里計(jì)算沖擊波在壁面間的反射；為提取窗板不同位置的壓力時(shí)程曲線，分別在窗板中心線以及窗板邊緣每隔50 mm布置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，通過(guò)提取觀測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)程曲線發(fā)現(xiàn)，窗板在水平方向所受壓力差異較小，但是在豎直方向受地面反射波影響，豎直方向不同位置壓力差異較大，因此為了計(jì)算抗爆窗在沖擊波載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，將三維計(jì)算模型里窗板中心線位置上所有觀測(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)程曲線加載在窗板上，整體計(jì)算流程如圖5所示。

圖5 計(jì)算流程框圖

3.2 計(jì)算模型

一維楔形爆炸計(jì)算模型、二維軸對(duì)稱計(jì)算模型、三維1/4計(jì)算模型分別如圖6～圖8所示，其中空氣材料為AIR、炸藥材料為TNT、抗爆間墻體材料采用CONC140MPA代替鋼筋混凝土，地面材料采用SAND，螺栓及抗爆窗材料采用Q345鋼，除Q345鋼以外，其余材料的參數(shù)均取自autodyn材料庫(kù)。

圖6 一維計(jì)算模型示意圖

圖7 二維計(jì)算模型示意圖

圖8 三維計(jì)算模型示意圖

傳遞窗在沖擊波壓力載荷下響應(yīng)的計(jì)算模型如圖9所示，窗板與抗爆間墻體通過(guò)螺栓連接，為提取螺桿的應(yīng)變，在桿的中間部位設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，為了觀測(cè)窗板面的位移及應(yīng)變，在窗板中心，沿著厚度方向設(shè)置如圖9所示的觀測(cè)點(diǎn)。提取三維計(jì)算模型中窗板中心線上每隔50 mm的觀測(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)程曲線，依次加載在窗板對(duì)應(yīng)的位置，然后對(duì)其進(jìn)行壓力載荷作用下的響應(yīng)計(jì)算。窗板及螺栓材料為Q345鋼，強(qiáng)度模型為Johnson-Cook[14]，表達(dá)式如下：

圖9 抗爆傳遞窗在爆炸載荷下響應(yīng)計(jì)算模型示意圖

表1 Q345鋼材料參數(shù)

4 試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)照分析

4.1 壓力載荷分析

不同藥量下，三維計(jì)算模型中窗板中心位置處壓力曲線與試驗(yàn)中壓力傳感器提取的壓力曲線如圖10，20 kg藥量下，試驗(yàn)測(cè)得沖擊波峰值超壓為7.377 MPa，仿真測(cè)得沖擊波峰值超壓為7.275 MPa，仿真值較試驗(yàn)值小1.38%，40 kg藥量下，試驗(yàn)測(cè)得沖擊波峰值超壓為13.651 MPa，仿真測(cè)得沖擊波峰值超壓為12.608 MPa，仿真值較試驗(yàn)值小7.64%，50 kg藥量下，試驗(yàn)測(cè)得沖擊波超壓峰值為14.450 MPa，仿真測(cè)得沖擊波超壓峰值為14.825 MPa，仿真值較試驗(yàn)值大2.6%，各藥量下仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果擬合較好。從仿真和試驗(yàn)結(jié)果均可以看出沖擊波有多個(gè)壓力峰值，這是受地面反射波及墻壁間反射的影響。

4.2 窗板背面應(yīng)變分析

不同藥量下窗板背面應(yīng)變時(shí)程曲線與試驗(yàn)中應(yīng)變片提取的應(yīng)變曲線如圖11，從圖中可以看出各藥量下仿真與試驗(yàn)應(yīng)變峰值誤差較小，應(yīng)變變化趨勢(shì)吻合，在20 kg和40 kg炸藥產(chǎn)生的沖擊波壓力載荷下，窗板幾乎無(wú)殘余應(yīng)變，在50 kg炸藥作用下，略微有殘余應(yīng)變。

圖10 不同藥量下沖擊波壓力曲線

圖11 不同藥量下窗板應(yīng)變曲線

4.3 窗板反力分析

通過(guò)提取觀測(cè)點(diǎn)及螺栓上應(yīng)變片的應(yīng)變曲線，提取各螺桿上的最大應(yīng)變將其計(jì)算為螺栓所受的拉力，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，從表中可以看出，仿真和試驗(yàn)結(jié)果誤差較小，且隨著藥量的增加，窗板的反彈力逐漸增加。

表2 窗板所受反彈力

4.4 窗板壓力分析

炸藥起爆后窗板正反面不同時(shí)刻的壓力云圖如圖12，從圖中可以看出，窗板中間首先受到入射沖擊波的作用，因此窗板上下受力對(duì)稱，之后受到地面反射波影響，窗板上下受力不再對(duì)稱，從圖中還可以看出，窗板與窗洞邊緣接觸的部分，會(huì)受到一個(gè)較大的剪切力，在設(shè)計(jì)抗爆門窗時(shí)，應(yīng)考慮窗洞邊緣的剪切效應(yīng)。爆炸載荷作用后的窗板如圖13所示，可以看出窗板無(wú)破損，無(wú)變形，根據(jù)抗爆間室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[15]，通過(guò)計(jì)算，該型抗爆窗可抵抗等效靜荷載為4.3 MPa的爆炸沖擊波。

圖12 窗板不同時(shí)刻的壓力云圖

圖13 試驗(yàn)后的抗爆窗板照片

5 等效靜載與窗板響應(yīng)關(guān)系分析

通過(guò)比較試驗(yàn)和仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是窗板所受的壓力、窗板的應(yīng)變還是螺栓所受的拉力，試驗(yàn)與仿真結(jié)果都十分吻合，因此認(rèn)為該計(jì)算模型能夠較好的計(jì)算爆炸載荷作用下窗板的力學(xué)響應(yīng)；由于動(dòng)靜載荷計(jì)算特征性質(zhì)不同，相互之間難以直觀比較，從而給設(shè)計(jì)及研究工作帶來(lái)很多不便，為了便于工程應(yīng)用，常將動(dòng)載轉(zhuǎn)化為等效靜載，根據(jù)抗爆間室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[15]中等效靜載簡(jiǎn)化計(jì)算公式：

式中：im為作用在窗板的平均沖量；km為系數(shù)，取0.610-3；Q為藥量(kg)；R為爆心到窗板中心的距離(m)；α為爆心與窗板面中心的連線和爆心與窗板所在墻面的垂線的夾角；t為空氣沖擊波作用在窗板的等效時(shí)間(s)；kt為系數(shù)，取1.8；q為等效靜載(N/mm2)。

為研究等效靜荷載與窗板響應(yīng)的關(guān)系，計(jì)算了在該型抗爆間室內(nèi)爆炸各等效靜荷載對(duì)應(yīng)的藥量及窗板最大位移、窗板反力、最大應(yīng)變計(jì)算結(jié)果如表3所示，等效靜荷載與窗板最大位移、最大應(yīng)變、反力的擬合曲線如圖14～圖16所示，從圖中可以看到，隨著等效靜荷載的增加，窗板最大位移、最大應(yīng)變以及窗板的反力逐漸增加，與等效靜荷載呈現(xiàn)線性關(guān)系。

表3 各等效靜荷載下窗板的力學(xué)參數(shù)

在設(shè)計(jì)用于固定抗爆傳遞窗的關(guān)鍵構(gòu)件的結(jié)構(gòu)時(shí)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可根據(jù)抗爆窗設(shè)計(jì)承受的最大等效靜荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)既安全又經(jīng)濟(jì)。

圖14 等效靜荷載與窗板最大位移關(guān)系曲線

圖15 等效靜荷載與窗板最大應(yīng)變關(guān)系曲線

圖16 等效靜荷載與窗板反力關(guān)系曲線

6 結(jié)論

1) 利用autodyn數(shù)值分析軟件建立了抗爆間室內(nèi)爆炸抗爆傳遞窗在入射波、地面反射波以及壁面間反射波作用下的數(shù)值計(jì)算模型，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，吻合度高，對(duì)利用數(shù)值模擬方法研究防護(hù)結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的響應(yīng)提供了方法，具有較高經(jīng)濟(jì)性。

2) 將難以測(cè)量的抗爆結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的反彈力轉(zhuǎn)化為螺栓的拉力，可為研究防護(hù)結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的反彈機(jī)理和抗爆結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì)提供參考。

3) 窗板最大位移、板面最大應(yīng)變、窗板反力與等效靜荷載之間呈線性關(guān)系。