抗爆門縮比模型設計方法與動態(tài)響應特性

2022-08-23 08:43:18王德民

船舶標準化工程師 2022年4期

王德民，楊朗，劉藝

（1.海軍裝備部駐上海地區(qū)第三軍事代表室，上海 200031；2.上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

抗爆門在各種重要建筑物和設施中應用廣泛，其抗爆性能對內(nèi)部人員和設備的安全具有重要影響?？贡T早期多用于民用設施，當今軍事對抗、恐怖襲擊、安全事故等問題頻繁發(fā)生，世界各國對抗爆門的發(fā)展極為重視。RAJAN等通過等效單自由度的方法，給出了基本構(gòu)件在爆炸荷載作用下動態(tài)響應的近似值，在實際工程中具有很大的實用價值。KOH 等考慮到爆炸載荷持續(xù)時間短且具有脈沖性質(zhì)，采用顯式積分方法來研究抗爆結(jié)構(gòu)，有效避免了耗時較長的結(jié)構(gòu)剛度矩陣計算和非線性方程求解。陳斌等對一種帶吸能裝置的組合式防護門進行平面爆炸實驗，試驗與理論分析對比結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)設計合理，分析方法有效。盧霞等對抗爆門試件采用等效荷載法進行設計，通過試驗得到了抗爆門在爆炸載荷下的動態(tài)響應。陸新征等利用LS-DYNA軟件，對抗爆門在爆炸荷載作用下的動態(tài)響應進行分析，真實模擬了抗爆門結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

本文對空中爆炸作用下門體縮比模型進行設計，開展空中爆炸作用下縮比模型試驗研究，分析爆炸響應過程、載荷特性、動態(tài)應變和沖擊環(huán)境特性。

1 抗爆門縮比模型設計方法

爆炸載荷的特征參數(shù)（沖擊波超壓峰值Δ、沖量）與炸藥自身特性、空氣特性、材料屬性和結(jié)構(gòu)位置等密切相關(guān)。本文的抗爆試驗主要涉及如下參數(shù)：

1）炸藥參數(shù)，包括炸藥質(zhì)量、炸藥密度、單位質(zhì)量炸藥爆炸釋放的能量、膨脹產(chǎn)物絕熱指數(shù)。

2）空氣參數(shù)，包括初始狀態(tài)壓力、空氣密度、空氣絕熱指數(shù)。

3）結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括艙室長、艙室寬、艙室高、艙室密度。

4）位置參數(shù)，包括迎爆面與炸藥的距離。

以長度L、質(zhì)量M和時間T為基本量綱，各參數(shù)的量綱見表1。

表1 抗爆試驗參數(shù)量綱

根據(jù)Π定律，沖擊波超壓峰值可表示為

式中：為函數(shù)關(guān)系。

忽略無量綱量的影響，式（1）可簡化為

當炸藥類型和結(jié)構(gòu)材料特性不變時，模型和原型之間關(guān)系為

式中：下標p和m分別表示原型和模型；為縮比。

原型和模型的沖擊波超壓峰值滿足如下關(guān)系：

沖量的相似率可表示為

式中：為函數(shù)關(guān)系。

當炸藥類型與結(jié)構(gòu)材料相同時，根據(jù)比例定律可得

根據(jù)量綱分析，原型與模型的沖擊波峰值和準靜態(tài)壓力相同。

2 抗爆試驗方案

2.1 試驗樣本設置

門體材料采用Q345鋼，邊界采用螺栓固定以模擬真實工況下的邊界條件。門體設計模型見圖1，實物圖見圖2。

圖1 門體模型與支架

圖2 抗爆門實物圖

2.2 測試系統(tǒng)設置

本次試驗測試系統(tǒng)主要用于測量沖擊波壓力、加速度和應變，并配有高速攝像以記錄爆炸毀傷與門體結(jié)構(gòu)響應的物理過程。測量沖擊波壓力是為了獲取沖擊波傳播規(guī)律，驗證爆炸沖擊波載荷特點，并為門體優(yōu)化設計、相關(guān)仿真計算提供參考和數(shù)據(jù)輸入；測量加速度主要是為了獲取爆炸作用下的沖擊環(huán)境及沖擊響應傳遞規(guī)律；測量應變是為了獲取門體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應，為考查相關(guān)部位的結(jié)構(gòu)強度提供數(shù)據(jù)支撐。

壓力測點布置情況見圖 3（a），采樣頻率設置為1 MHz，測量爆炸時沖擊波的規(guī)律和特征。加速度測點布置情況見圖3（b），每處放置3個加速度傳感器，分別測量沿長、寬、高3個方向的加速度。應變測點布置情況見圖3（c），應變測點共5個，布置于背爆面上，測量背爆面三向線應變。

圖3 風力發(fā)電驅(qū)動船舶的結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 試驗工況

試驗選用三硝基甲苯（Trinitrotoluene，TNT）作為炸藥，引爆位置選為門體中心上方位置，試驗工況見表2。

表2 門體試驗工況

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 爆炸響應過程分析

爆炸作用下典型門體結(jié)構(gòu)動態(tài)響應見圖 4。在炸藥起爆后，沖擊波迅速作用于門體結(jié)構(gòu)，門體結(jié)構(gòu)開始振動，響應時長約100 ms。門體結(jié)構(gòu)無明顯變形，受振動影響，只在兩側(cè)的自由邊處有輕微變形。3種工況下門體結(jié)構(gòu)均無明顯變形。

圖4 門體爆炸響應過程

3.2 沖擊波壓力分析

不同測點的壓力測量曲線見圖5。P1測點位于門體中心起爆點的正下方，其沖擊波壓力峰值為1.38 MPa。P2和P3測點的壓力峰值分別為0.264 MPa和0.369 MPa，均小于P1測點，這是由于P2、P3測點較P1測點遠離爆心。P4測點壓力數(shù)據(jù)擾動過大，未能有效獲取超壓。沖擊波壓力分析結(jié)果表明：1）距離爆炸中心越遠，沖擊波壓力越??；2）隨藥量增加，爆炸門體中心處 P1的沖擊波壓力峰值明顯增大，但持續(xù)時間較短；3）沖擊波壓力呈現(xiàn)多峰值疊加效應。