弹药洞库内部防殉爆隔爆设计与数值模拟

蔡军锋

(中国人民解放军军械工程学院 弹药工程系，石家庄　050003)



【装备理论与装备技术】

弹药洞库内部防殉爆隔爆设计与数值模拟

蔡军锋

(中国人民解放军军械工程学院 弹药工程系，石家庄050003)

基于我军现有弹药洞库的结构特点，以某典型弹药洞库为原型，对其内部进行了防殉爆隔爆防护设计，并运用数值计算分析了隔爆防护的隔爆效能。研究表明，所采用复合隔爆装置可以使弹药堆垛上所遭受的峰值压力、振动速度和最大加速度都得到极大降低；在弹药洞库内部实施防殉爆隔爆设计，可以极大地衰减爆炸冲击波峰值压力，减小冲击波对弹药垛的毁伤作用，降低弹药洞库内贮存弹药的殉爆概率，防止库存弹药发生整体殉爆，最大限度地减小发生爆炸时的损失。

弹药洞库；爆炸冲击波；隔爆；数值模拟

弹药洞库是我军弹药储存与供应的主体场所，具有重要的战略军事价值。随着精确制导武器的命中精度和深钻地武器系统的打击强度不断提高，弹药洞库的生存能力面临着严峻的挑战。弹药洞库一旦遭敌钻地弹药侵入内部爆炸，库存弹药将极易可能引发连锁殉爆，造成难以估量的重大损失。为了有效提高诸如洞库等地下坑道的防护能力，国内外学者采用理论分析、爆炸试验与数值模拟等方法开展了大量研究，取得了一系列研究成果[1-4]。本文在对弹药洞库内爆毁伤特性数值分析的基础上[5]，基于我军弹药洞库的结构现状，以某典型弹药洞库为原型，对弹药洞库内部进行了防殉爆隔爆设计，并运用数值计算方法分析了隔爆防护的隔爆效能，为我军弹药洞库的防护升级改造提供技术支持。

1　弹药洞库内部防殉爆隔爆设计

1.1防殉爆设计要求与原则

与地上环境相比，洞库的内部环境是一个相对封闭的系统，有明显的“封闭效应”。洞库内部爆炸产生的爆炸冲击波在结构表面不断反射，致使结构承受的超压明显提高，作用时间也大为延长，进而对结构及其内部设施造成更为严重的破坏。

就洞库内部防殉爆设计来说，其基本要求与原则主要考虑3个方面：一是所设计的防殉爆结构应有很强的冲击波吸收性能，以自身结构吸收冲击波，避免冲击波在结构表面发生严重的反射，对洞库结构造成更大的破坏。二是整个结构应具有足够的力学强度，能够承受爆炸冲击波的冲击，避免在爆炸冲击波的作用下产生飞散。三在进行防殉爆改造时，隔爆结构应设置简便，工程实施方便可行，对洞库环境影响较小。

1.2隔爆装置

基于以上3方面防殉爆设计要求，本文将多孔材料与密实材料相结合，设计了适用于洞库内部防殉爆的隔爆装置。

隔爆装置采用复合隔爆结构，其示意图如图1。复合隔爆结构中心位置是一层支撑钢板，将支撑钢板通过支架固定到地面上，在防护结构中起支撑作用，防止整个隔爆装置在爆炸冲击波的作用下飞散，同时支撑钢板还可以衰减爆炸冲击波，降低冲击波峰值压力，阻隔破片。支撑钢板两侧是泡沫铝材料，泡沫铝具有优异的吸能特性，在爆炸冲击波的作用下被压缩致密，在此过程中能够吸收大量爆炸冲击波能量，降低冲击波峰值压力。隔爆结构的最外层是课题组研发的专利产品—复合隔爆模块[6]，该产品具有质量轻、衰减爆炸冲击波能力强等特点，并且安装简便，其在防护结构中通过材料的变形飞散降低冲击载荷的强度和吸收爆炸冲击波的能量[7-8]。

图1　隔爆装置示意图

整个隔爆装置可以用“刚柔并济”来形容其隔爆能力，在隔爆装置的作用下，冲击波峰值压力会得到极大降低，减小对后面防护目标的毁伤。

1.3防护结构设计

就目前我军的弹药洞库结构来说，一旦攻击武器侵入弹药洞库发生爆炸，爆炸冲击波就会沿洞库传播，弹药垛发生殉爆，重则引发整个洞库储存弹药发生整体起爆，对周围数百里环境造成破坏，后果不堪想象。因此，弹药洞库防殉爆设计基本构想是采用隔爆结构，将洞库内部隔离成相对独立的弹药储存单元，钻地武器侵入某一单元发生爆炸，由于隔爆装置的防护作用，相临储存单元弹药不会发生殉爆，以此最大限度增加库存弹药战时安全。

如图2所示，以某典型洞库为例，洞库长约120m，截面宽度为6.0m，侧墙高2.4m，拱高1.6m，根据洞库尺寸，隔爆装置尺寸宽×高为4.5m×3.0m。隔爆装置中支撑钢板厚度为20mm的结构钢，复合隔爆模块分多层安装固定在钢板外侧，厚度为500mm。采用5个隔爆装置，将洞库分成4个弹药储存单元。

图2　某弹药洞库隔爆防护设计示意图

2　弹药洞库内部隔爆防护数值模拟

2.1计算方法

本研究采用AUTODYN软件计算，在AUTODYN算法选择上，采用多物质EulerGodunov与流固耦合算法。其中洞库壁与弹药垛采用Lagrange单元，将整个洞库模型覆盖空气，空气与炸药采用EulerGodunov单元，空气与洞库壁和弹药垛之间的耦合方式采用完全耦合(FullyCoupled)，并且在欧拉-FCT子循环(EulerFCTsubcycling)选项中选择使用欧拉子循环。在洞库壁与弹药垛之间进行Lagrange/Lagrange耦合，在耦合类型上选用外部间隙(ExternalGap)耦合方式。计算时间步长采用AUTODYN缺省设置。

2.2计算模型建立

在模型构建上，选取弹药洞库口部以内30.0m进行建模，弹药垛前端面距离洞口为20.0m，弹药垛侧面端距离洞库侧墙距离为1.0m。设定爆源距离洞库口部为6.0m。将隔爆装置固定在距洞库口部12m处，距离爆炸点为6m。为了提高计算效率，在建模时略去隔爆装置的底部支撑与三角支撑钢板，假定所设置的复合隔爆装置支撑钢板在隔爆防护过程中不发生大的移动。在模型边界的处理上，空气单元非对称面采用flow_out边界类型，对称面采用对称边界类型；洞库壁非对称面采用Transmit边界，对称面采用对称边界类型；弹药垛与地面接触面定义Ground边界，定义此面z方向速度为零。最终隔爆装置结构组成及安放位置如图3所示。

在材料模型上，炸药的爆轰产物采用JWL状态方程，空气简化为非黏性理想气体，采用理想气体状态方程[9]； 硐室围岩材料采用Riedel-Hiermaier-Thoma(RHT)模型[9-11]；由于复合隔爆装置结构比较复杂，没有相应的材料模型，本研究在数值计算中将隔爆装置复合结构进行简化处理，应用AUTODYN中层状复合材料定义，将聚氨酯泡沫材料、泡沫铝材料以及结构钢材简化为AUTODYN中的“GROUP”来处理[9]。

图3　隔爆防护计算模型

2.3数值计算结果

洞库内部隔爆的主要目的是防止弹药洞库发生内爆的情况下弹药垛产生殉爆，防止连锁殉爆的发生，最大限度地减小损失。因此，在隔爆防护数值计算中，主要关注弹药垛附近空气峰值压力以及分布情况和弹药垛的振动速度，加速度的大小。在计算结果分析中，取距洞库口部19m、21m、23m、25m、27m5个截面，在每个截面上取256个测点，计算出每个点所在位置的压力峰值，从而研究不同平面冲击波的峰值压力分布规律。同时，在弹药垛内部中心位置取测点A，考察测点位置速度、加速度情况。所取观测点位置如图4所示。

2.3.1弹药垛周围空气峰值压力分析

如表1所示为无隔爆与有隔爆两种情况下所选取的不同截面中爆炸冲击波的最高峰值压力与平均峰值压力。从表1可以看出，在有隔爆情况下，所选截面测点最高峰值压力是无隔爆情况下最高峰值压力的33.8%-39.8%；隔爆情况下所选截面所有测点的平均峰值压力是无隔爆情况下平均压力的34.4%-39.6%。因此，在进行隔爆情况下，弹药垛发生殉爆的几率大大降低。

2.3.2弹药垛损伤分析

如表2所示为无隔爆与有隔爆两种情况下测点A的最大振动速度、加速度对比数据。对比有无隔爆条件下所选测点的振动速度和振动加速度里程曲线，发现最大振动速度和最大振动加速度有所滞后[5]，并且隔爆情况下所取测点的最大振动速度是无隔爆时的24.5%～46.2%，隔爆最大加速度是无隔爆时的48.9%～72%。

图4　测点位置示意图

测点所在截面无隔爆数值模拟平均峰值压力/kPa最高峰值压力/kPa有隔爆数值模拟平均峰值压力/kPa最高峰值压力/kPaP有隔爆/P无隔爆平均压力/%最高压力/%19m957.591468.63329.32521.1234.435.521m729.021450.43267.89576.9536.739.823m632.211192.32240.02349.9837.929.425m578.89828.69229.51302.3739.636.427m469.48752.98184.68255.3439.433.8

表2　有无隔爆情况下测点A的速度、加速度极值对比

3　结论

基于我军现有弹药洞库的结构特点，对弹药洞库内部隔爆防护进行了初步工程设计，运用数值计算的方法，对有隔爆防护情况下洞库内爆进行了研究。研究表明，在有隔爆情况下，弹药堆垛上所遭受的峰值压力、振动速度和最大加速度都得到极大降低，采用复合隔爆装置应用于弹药洞库内爆防护，可以极大地衰减爆炸冲击波峰值压力，减小冲击波对弹药垛的毁伤作用，降低弹药洞库内贮存弹药的殉爆概率，防止库存弹药发生整体殉爆，最大限度地减小发生爆炸时的损失。

[1]蔡军锋,易建政.坑道内爆毁伤效应与隔爆防护研究综述[J].地下空间与工程学报,2009,5(2):354-357.

[2]SPYROSSKLAVOUNOS,FOTISRIGAS.Computersimulationofshockwavestransmissioninobstructedterrains[J].JournalofLossPreventionintheProcessIndustries.2004,17:407-417.

[3]张晓倩,易建政,蔡军锋.基于巡航导弹攻击的国防洞库防护技术[J].地下空间与工程学报,2008,4(1):16-19.

[4]LUNDERMANTC,OHRTAP.Smallscaleexperimentofintunnelairblastfromexternalandinternaldetonations[C]//Proceedingsofthe8thInternationalSymposiumonInteractionoftheEffectsofMunnitionswithStructures.McLeanVirginia,1997:209-221.

[5]蔡军锋,易建政,刘国庆,等.弹药洞库内爆毁伤特性数值分析[J].地下空间与工程学报,2010,6(4):751-755.

[6]易建政，蔡军锋.一种抗爆炸复合材料 [P].中国专利：ZL200510001255.0,2008.07.

[7]蔡军锋,易建政,赵然.UHMWPE-PUF复合材料结构设计与隔爆实验[J].高分子材料科学与工程,2012,28(5):69-72.

[8]蔡军锋,傅孝忠,易建政.超高分子量聚乙烯-聚氨酯泡沫复合材料的抗爆实验与数值模拟[J].高分子材料科学与工程,2013,29(11):79-83.

[9]AUTODYN.AUTODYNusermanualRevision6.1,Centurydynamics[Z].2005.

[10]RIEDELW,THOMAK,HIERMAIERS,etal.PenetrationofreinforcedconcretebyBETA2B2500numericalanalysisusinganewmacroscopicconcretemodelforhydrocodes[C]//9thInternationalSymposium,InteractionoftheEffectsofMunitionswithStructures.[S.l.]:[s.n.],1999.

[11]PAULA,RAMAMURTYU.StrainRateSensitivityofaClosed-cellAluminumFoam[J].MaterialScience&Engieering,2000(281):1-7.

(责任编辑周江川)

StudyofAnti-SympatheticDetonationDesignandNumericalSimulationinAmmunitionCavityDepot

CAIJun-feng

(DepartmentofAmmunitionEngineering,OrdnanceEngineeringCollegeofPLA,Shijiazhuang050003,China)

Basedonstructurecharacteristicsofourarmyammunitioncavitydepotandtakingthetypicalammunitioncavitydepotastheprototype,theanti-sympatheticdetonationexplosionprotectiondesignwasstudiedandtheexplosioneffectofexplosion-proofisolationwasanalyzedbynumericalcalculation.Theresearchshowsthattheanti-sympatheticdetonationcompoundisolationdevicecanmakethepeakpressure,vibrationvelocityandaccelerationoftheammunitionstoragebegreatlyreduced.Theexplosionproofdesigninammunitioncavitydepotcangreatlydecreasethepeakpressureofshockwaveandreducetheammunitionstackdamage,anddecreasesympatheticdetonationprobabilityofstorageammunitionandpreventtheentiretysympatheticdetonationinammunitioncavitydepotandminimizethelosswhentheexplosionoccurred.

ammunitioncavitydepot;shockwave;explosion-proof;numericalsimulation

2016-04-24；

2016-05-15

蔡军锋(1979—)，男，主要从事装备运用环境与防护技术方面的研究。

10.11809/scbgxb2016.09.016

format:CAIJun-feng.StudyofAnti-SympatheticDetonationDesignandNumericalSimulationinAmmunitionCavityDepot[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(9):67-70.

O383.2

A

2096-2304(2016)09-0067-04

本文引用格式：蔡军锋.弹药洞库内部防殉爆隔爆设计与数值模拟[J].兵器装备工程学报，2016(9):67-70.