钢板夹芯防爆墙防护效应的影响因素

夏志成, 张建亮, 王曦浩, 姚 新, 周竞洋

(1．解放军理工大学 国防工程学院， 南京 210000；2.中国人民解放军92302部队， 辽宁 葫芦岛 125000;3．总参工程兵科研三所， 河南 洛阳 471023)

钢板夹芯防爆墙防护效应的影响因素

夏志成1, 张建亮1, 王曦浩2, 姚 新3, 周竞洋1

(1．解放军理工大学 国防工程学院， 南京 210000；2.中国人民解放军92302部队， 辽宁 葫芦岛 125000;3．总参工程兵科研三所， 河南 洛阳 471023)

研究防爆墙的防护效应，使其更为有效地降低爆炸冲击波对目标的破坏作用，设计了钢板夹聚氨酯和钢板夹混凝土两种防爆墙。利用一维应力波理论分析比较了两种防爆墙的防护能力，借助ANSYS/LS-DYNA软件讨论了不同墙高、爆距及测距对防爆墙防护效应的影响。研究表明：钢板夹芯的防爆墙芯材刚度越小，防护效应越好，且芯材会影响高压区形成的位置；防护率与墙后测点并无明显的数学关系，但各点防护率都围绕某一固定值上下波动，且该固定值随墙高的增加而增大；防护率(均值)随着墙高的增加而增大，且增幅也随之增大；防护率(均值)随爆距的增大而均匀减小，且减小的幅度与墙高呈负相关。

钢板夹芯； 防爆墙；绕流；防护效应；聚氨酯；混凝土

1 引言

在目标前方设置防爆墙能有效降低爆炸冲击波对目标的破坏作用，而目标破坏程度取决于炸药当量、爆炸距离、防爆墙体材料、墙体尺寸和墙体与目标之间的距离等。聚氨酯泡沫材料具有良好的防爆吸能性能〔1-3〕，在两层钢板之间充填聚氨酯而制成的防爆墙既表现出良好的防护效应，也弥补了聚氨酯泡沫在实际应用中的强度不足〔4〕。混凝土是一种良好的抗压材料，在两层钢板之间充填混凝土而制成的防爆墙既具有较高的刚度，也具有较高的强度。本文拟对防爆墙的防护效应进行理论分析，在炸药当量一定的情况下，运用ANSYS/LS-DYNA有限元程序进行数值模拟研究，进一步分析爆炸冲击波作用下防爆墙防护效应的的影响因素，为防爆墙的设计提供参考。

2 复合墙体对应力波的衰减

爆炸冲击波在不同介质中传播时，由于各种介质的波阻抗不同，冲击波到达介质分界面时，冲击波的反射和透射能量差异很大。根据这一现象，设计了两种不同芯材的钢板夹芯防爆墙(见图1)。一种是芯材较 “软”的钢板夹聚氨酯防爆墙，另一种是芯材较“硬”的钢板夹混凝土防爆墙，钢材、聚氨酯和混凝土的物理力学参数如表1所示。由于聚氨酯与混凝土的物理力学参数差异很大，其相应的防爆墙也表现出不同的防爆吸能效果。为了初步分析两种防爆墙的防护效应，拟采用一维应力波理论来分析两种钢板夹芯防爆墙对应力波衰减的情况。

图1 应力波传播示意图Fig.1 Schematic diagram of stress wave propagation

序号介质密度ρ/(kg·m⁃3)弹性波速C/(m·s⁃1)波阻抗ρC/(kg·m⁃2s⁃1)1钢材78005000390×1072(1)聚氨酯3162468779×1052(2)混凝土25004000100×107

假定爆炸冲击波在钢板中产生应力波峰值为σT1，进入夹芯的应力波峰值σT2为

(1)

随后，应力波从夹芯材料进入后钢板，其应力波峰值σT3为

(2)

综合式(1)和式(2)可得出σT1和σT3的关系为

(3)

根据表1的材料参数，采用式(3)计算表明：当采用聚氨酯夹芯材料时，应力波在经过钢板-聚氨酯-钢板防爆墙体后，其峰值应力减小到初始值的0.08倍；当采用混凝土夹芯材料时，其峰值应力减小到初始值的0.64倍，两者相差8倍。对比分析得出：夹芯材料选用聚氨酯比混凝土具有更好的防爆消波效果。

由于上述弹性理论分析尚未考虑材料变形、破坏的非线性特征、墙体质量及支撑条件等因素的影响，为此，有必要通过数值模拟分析进行更为深入的研究。

3 有限元模拟

3.1 计算模型

基于ANSYS/LS-DYNA有限元原理建立计算模型如图2所示，墙高H分别取2.0、2.5、3.0 m，墙宽b取6 m，墙厚d取0.52 m(钢板厚d1为0.01m，芯层厚d2为0.5 m)，炸药当量C取20 kg TNT，爆距R1分别取4.0、5.0、6.0 m。爆高为0 m。采用多物质网格ALE算法，炸药和空气采用Euler网格建模，聚氨酯和钢板采用Lagrange单元网格建模，聚氨酯和钢板、混凝土和钢板之间的连接均采用共用节点方式，钢板与空气间采用流固耦合算法。单位制采用m-kg-s。根据墙体周边的环境、空气冲击波的绕流现象以及计算机设备性能，取空气流场计算域：宽度×高度为6.0 m×6.0 m，墙后流场计算域长度取10.0 m，墙前冲击波流场计算域的长度根据爆距确定。假设空气和炸药均为连续介质，整个爆炸过程为绝热过程。由于模型具有对称性，故取1/2模型进行简化计算。对称面上采用对称边界条件，其他面采用无反射边界条件以反映空气的无限域。防爆墙底部采用固定约束，其他面均为自由面，不考虑爆炸地震波的影响。

图2 计算模型Fig.2 Calculation model

3.2 材料模型及参数

3.2.1 炸药材料模型及参数

炸药为TNT块状炸药，采用MAT_HIGH_ EXPLOSIVE_BURN模型，爆轰压力、单位体积内能和相对体积三者的关系采用JONES、WILKINS和E.L.Lee等〔5-9〕提出的JWL状态方程进行模拟，其爆轰过程中压力和比容的关系为

(4)

式中：A,B,R1,R2,ω为状态方程参数；P为压力，Pa；V为相对体积；E0为初始内能，J/m3。

炸药参数如表2所示。

3.2.2 空气介质模型及参数

空气介质采用MAT_ NULL模型，状态方程采用EOS_LINEAR_ POLYNOMIAL，表达式为

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E

(5)

式中：μ=(1/V)-1；E为材料的内能。

空气参数如表3所示。

表2 TNT炸药材料参数

表3 空气模型参数

3.2.3 钢板材料模型

钢板采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型，其参数如表4所示。

表4 钢板材料模型参数

3.2.4 聚氨酯材料模型

聚氨酯采用MAT_ CLOSED_CELL_FOAM模型，其参数如表5所示。

表5 聚氨酯材料模型参数

3.2.5 混凝土材料模型

混凝土采用JOHNSON_HOLMQUIST_ CONCRETE模型〔10〕，其参数如表6所示。

表6 混凝土材料模型参数

4 计算结果分析

4.1 无防爆墙时的计算结果

(6)

式中：R为爆距，m；C为炸药的TNT当量，kg。

两种计算结果比较接近，表明采用的有限元模型及选取的参数具有较好的精度。

图3 ConWep公式值和数值模拟冲击波超压值的对比Fig.3 Comparison of shock wave overpressure value in ConWep formula and numerical simulation

图4 冲击波超压云图Fig.4 Overpressure of shock wave

4.2 防爆墙对冲击波绕流的数值模拟

20 kg TNT距2.5 m高防爆墙4.0 m时,爆炸冲击波在不同时刻的流场发展过程如图5所示。

图5 冲击波绕流过程数值模拟结果Fig.5 Numerical simulation results of shock wave flow process

防爆墙的存在使爆炸冲击波的传播规律异于自由场，爆炸冲击波遇到防爆墙时会产生反射及绕射现象，在墙后形成环流，其中钢板夹聚氨酯防爆墙形成墙前和墙后两个高压区，钢板夹混凝土防爆墙只形成墙后一个高压区。

4.3 防爆墙对冲击波的防护效应

根据空气冲击波流场的计算区域，在防爆墙后选5个测点：A1～A5，距离防爆墙分别为1、3、5、7、9 m。两种防爆墙后各测点的冲击波超压值如表7所示，两种防爆墙对墙后冲击波超压都有一定的削弱作用，但钢板夹聚氨酯防爆墙的削弱能力强于钢板夹混凝土防爆墙的削弱能力，且随着测距的增加，两者的超压值及差值都在减小。

设超压比λ为有防爆墙时超压模拟峰值P与自由场超压模拟峰值ΔPm的比值，防护率η为

(7)

由式(7)计算出的两种防爆墙防护率如表8所示。随着测距的增加，两种防爆墙的防护率差值在减小；钢板夹聚氨酯防爆墙的防护率较钢板夹混凝土防爆墙的防护率提高了13.42%。

3种爆距下钢板夹聚氨酯防爆墙后冲击波超压峰值P如表9所示，利用式(7)计算出的防护率如表10所示。防护率η均在25%以上，最高达65%左右。

依据表10中的数据分别绘出图6、图7和图8。

表7 聚氨酯防爆墙与混凝土防爆墙冲击波峰值超压比较

表8 聚氨酯防爆墙与混凝土防爆墙的防护率比较

表9 钢板夹聚氨酯防爆墙冲击波峰值超压

防护率与测距并无明显的数学关系(见图6)，但各点防护率都围绕某一固定值上下波动，该固定值可用其均值表示，且随墙高的增加而增大。

防护率(均值)随着墙高的增加而增大，且增幅也随之增大(见图7)。

表10 钢板夹聚氨酯防爆墙的防护率

图6 防护率与测距的关系Fig.6 Relationship of protection rate and monitoring distance

图7 防护率(均值)与墙高的关系Fig.7 Relationship between the protection rate(mean) and the wall height

图8 防护率(均值)与爆距的关系Fig.8 Relationship between the protection rate (mean) and the blast distance

由图8可知，防护率(均值)随着爆距的增加而均匀减小，且减小的幅度与墙高呈负相关。爆距每增加1 m，三种不同高度防爆墙的防护率(均值)分别减小了11.38%、9.26%、6.32%。

为了分析防爆墙位置与防护率的关系，取爆距4 m和6 m，相应的测距为3 m和1 m、5 m和3 m、7 m和5 m、9 m和7 m，以保证不同爆距下的(R1+R2)相等。不同爆距下(R1+R2)与防护率的关系如图9所示，在(R1+R2)值相同情况下，防爆墙向爆点移动1 m，则防护率提高1.7倍左右；即防爆墙在没有击穿的情况下离爆点越近，防护率越高。

图9 防护率(均值)与(R1+R2)的关系Fig.9 Relationship between the protection rate (mean) and (R1+R2)

5 结论

(1) 钢板夹芯防爆墙的防护效应与芯材有关，芯材刚度越小，防护效应越好，且芯材会影响高压区形成的位置。

(2) 在目标前方设置防爆墙，墙后冲击波超压峰值明显小于无防爆墙时的自由场冲击波超压峰值，防护率η均在25%以上，最高达65%左右。

(3) 防护率与测距并无明显的数学关系，但各点防护率都围绕某一固定值上下波动，固定值可用均值表示，且随墙高的增加而增大。

(4) 防护率(均值)随着墙高的增加而增大，且增幅也随之增大。防护率(均值)随着爆距的增加而均匀减小，且减小的幅度与墙高呈负相关。

(5) 防爆墙在没有击穿的情况下离爆点越近，防护率越高。

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Influencing factors of protective effect of steel plate sandwich explosion proof wall

XIA Zhi-cheng1, ZHANG Jian-liang1, WANG Xi-hao2, YAO Xin3, ZHOU Jing-yang1

(1.PLA University of Science and Technology, Nanjing 210000, China; 2.Troop 92302 PLA, Huludao 125000,Liaoning, China; 3.The General Staff Corps of Engineers Research Third Institute, Luoyang 471023, Henan, China)

Studying the protective effect of the explosion proof wall to make it more effective to reduce the target damage of explosion shock wave, two kinds of explosion proof walls that polyurethane explosion proof wall and concretes explosion proof wall were designed. The protection ability of two explosion proof walls were compared by one dimensional wave impedance theory. The protection effect of the explosion proof walls with different height, blasting distance and measurement distance were researched through ANSYS/LS-DYNA software. The research result showed that, the protective effect was better when the stiffness of core material was decreased, the core material would affect the forming location of high pressure zone. There was no obvious math relationship between the protection rate and the measuring point, but the protection rate of each point fluctuated around a fixed value, the fixed value increased with the wall height raised. The protection rate increased with wall height raised and the amplification also increased. The protection rate (mean) decreased with blast distance increased, and the amplification had negative correlation of the amplitude of reduced with the wall height.

Steel plate sandwich; Explosion proof wall; Flow around; Protective effect； Polyurethane； Concrete

1006-7051(2016)06-0001-07

2016-06-26

国家自然科学基金资助项目(51478469)

夏志成(1961-)，男，博士，教授，从事反恐抗爆方面研究。E-mail：xzc-001@163.com

张建亮(1990-)，男，硕士，从事材料抗爆性能方面研究。E-mail：zjl18761682179@sina.com

TD235

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.06.001