土壤层防护效果研究

谢永亮 崔守荣 王 超

（1空军勤务学院机场勤务保障系， 江苏 徐州 221000；2中国人民解放军72719部队， 江苏 徐州 221000）

1 数值模拟

1.1 LS-DYNA软件

LS-DYNA是一个由DYNA程序发展而来的以显式为主、隐式为辅的通用非线性动力分析有限元软件，本文主要工作是数值模拟爆炸冲击波作用下防护结构的隔爆性能问题，而有限元软件LS-DYNA恰可解决本文所提出问题[1]。

1.2 材料状态方程与模型

数值模拟所用的材料主要为TNT炸药、空气、钢板、普通泥土。

数值模拟所用的TNT炸药选用材料类型8，采用JWL状态方程，空气采用气体状态方程来模拟，钢板采用DYNA Johnson-Cook本构模型进行模拟，土壤应力--应变关系采用带失效的土壤和可压缩泡沫塑料模型[2-3]。

1.3 有限元模型

有限元模型尺寸：掩蔽物尺寸为100cm×100cm×100cm，普通钢板为100cm×100cm×6cm，炸药为：8cm×8cm×6cm，为了比较填入泥土后的影响效果，控制泥土层两边的钢板尺寸为100cm×100cm×3cm，泥土夹层的尺寸分别为100cm×100cm×3cm和100cm×100cm×4.5cm。

2 计算结果分析

保持炸药起爆点距下层钢板底面距离不变，分别对6cm厚普通钢板和含3cm厚土壤夹层的上下钢板厚度均为3cm的组合结构以及6cm厚普通钢板和含4.5cm厚土壤夹层的上下钢板厚度均为3cm的组合结构进行数值模拟。

为考虑爆炸对结构的最大影响，选取炸药正下方处、下层钢板背面的单元进行分析，主要分析其在冲击波作用下压力、位移随时间的变化，如图1、2所示：

图1 不同厚度土壤夹层结构单元压力时程图

图2 不同厚度土壤夹层结构单元位移时程图

2.1 压力--时间图分析

由图1可知，对于无土壤夹层的普通钢板防护结构，冲击波的峰值压力达到了4.58×10-3MPa；对于含有3cm土壤夹层的复合结构，冲击波的峰值压力达到了3.31×10-3MPa；对于含有4.5cm土壤夹层的复合结构，冲击波的峰值压力达到了3.51×10-3MPa。通过对比发现：相比于普通钢板结构，含有3cm土壤夹层的复合结构对冲击波起到了一定的缓冲作用，而随着土壤层厚度的增加，峰值压力也随之增加，缓冲效果反而降低。

2.2 位移--时程图分析

由图2可知，对于无土壤夹层的普通钢板防护结构，冲击波的峰值位移达到了0.401cm；对于含有3cm土壤夹层的复合结构，冲击波的峰值位移达到了0.297cm；对于含有4.5cm土壤夹层的复合结构，冲击波的峰值位移达到了0.357cm。通过对比发现：添加土壤夹层确实对冲击波起到了明显的缓冲效果，但随着土壤层变厚，冲击波对钢板造成的形变反而增加，缓冲效果降低。

3 结语

由上面不同厚度土壤层对爆炸冲击波的衰减效果分析可得到如下结论：

（1）相比于无土壤夹层的纯钢板结构，土壤夹层为3cm结构压力的缓冲效果提升27.7%，位移缓冲效果提升25.9%；当土壤夹层厚度增加到4.5cm时，该结构压力的缓冲效果提升23.4%，位移缓冲效果仅提升11%，压力和位移缓冲效果均不如3cm厚土壤夹层结构。

（2）土壤层确实能够对冲击波起到一定的缓冲作用，但缓冲效果并不随着厚度增加而线性增加。另外，考虑到结构的整体性、灵活性和可操作性，对重点部位采用多厚的覆土防护还需根据综合情况而定。

[1]时党勇等.基于ANSYS/LS-DYNA8.1进行显示动力分析[M].北京：清华大学出版社，2005：165-183

[2]智丽娜，赵倩，付琼.炸药输出能量在鉴定块中衰变过程的数值模拟[J].山西化工，2011，31（3）：22-27

[3]刘仁挥.弹体在土壤中运动规律的数值模拟分析.山西建筑[J]，2006，32（7）：30-37