基于数值模拟的双层防爆墙抗爆效果研究

秦世英，陈文静

（中国人民公安大学信息技术与网络安全学院，北京102600）

0 引言

大量的研究和实验结果表明，在被保护建筑前设立防爆墙可以有效降低被保护建筑受到的爆炸载荷，并且可以阻挡爆炸碎片，从而降低建筑破坏程度和减少人员伤亡。相比于与建筑物自身抗爆加固，防爆墙构建费用低，设置速度快且防护效果明显，是应对爆炸性恐怖袭击的一种重要防护措施。

目前。国内外学者对防爆墙的性能及墙后超压做了大量研究。Rose T A[1]等人研究了不同材料防爆墙对爆炸冲击波的削弱作用，发现非永久性的防爆墙结构也可以起到很好的消波作用；张耀[2]等人对水体防爆墙与混凝土防爆墙的消波作用研究后发现两种防爆墙设置合理的情况下，消波作用基本相同；年鑫哲[3]等人对柔性防爆墙研究发现，当柔性防爆墙具备一定厚度后，墙后透射压力很小，绕射压力接近于刚性防爆墙。X Q Zhou[4]进行了800 多次数值模拟，在防爆墙墙体厚度保持不变的情况下，结合墙高、爆距等超压影响因素推导出了墙后建筑物的超压及冲量的伪公式；张志刚[5]在研究快速拼装防爆墙消波性能时，推导出了小当量炸药墙后超压计算的拟合公式。本文将结合所在境外中资企业机构安全防范系统建设的研究课题，使用LS DYNA 软件对拟设计的双层防爆墙下爆炸进行数值模拟，分析双层防爆墙的抗爆效果。

1 实验模型

1.1 实验相关说明

实验使用的TNT 当量按照美国联邦应急管理局第426 号文件FEMA426[6]的建议取为1800kg（接近于小货车汽车炸弹）与40kg（接近于大型箱包炸弹），第一组1800kg 的实验在第一堵防爆墙外2m，爆高1m 处进行，第二组40kg 在第一堵防爆墙后1m，爆高0m 处进行，防爆墙均选择为高3m，厚0.5m 并设为无限宽度。需要指出的是，两组实验的当量及布置，旨在模拟汽车炸弹以及人力输送炸药投掷过第一堵防爆墙爆炸的情况，贴合设计意图。

研究表明[1]，墙体的破坏、倒塌与否并不影响其消波性能，只与其惯性有关，因为冲击波传播速度要远大于墙体形变、倒塌的速度。并且只要惯性够大，不同材料的防爆墙都可以取得较好的消波效果。因此将实验用防爆墙设为刚体。实际上，墙体的破坏将会产生杀伤力较大的碎片，但这里并不考虑该方面影响，只考虑冲击波的传播情况。

1.2 实验建模

整体有限元模型采用等间距分网的网格划分方式，网格大小取250mm，最终单元个数为668093 个。模型由刚体、空气及炸药三部分组成，地面与防爆墙均设为刚体，其余为理想空气域，在自由边界面处添加非反射边界条件，在刚性地面区域添加完全反射边界条件，如图1 所示。在模型中：

（1）炸药通过LS-DYNA 提供的炸药材料模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 结合JWL 状态方程来描述，JWL 状态方程的P-V 关系如下：

所使用的TNT 炸药在g-cm-μs 单位制中，其参数分别为：密度为R0=1.654 g/cm3爆速为D=0.690 cm/μs；Champan-jouget 压力为PCJ=0.255×1011Pa；A=5.4094;B=0.093726；R1=4.5;R2=1.1;ω=0.35。

（2）空气材料模型使用*MAT_NULL（MAT9）材料模型结合多线性状态方程*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL 来描述。

图1 有限元模型及防爆墙放置示意图

1.3 模型验证

模型的验证主要是将实验结果与经验公式进行比较，为进行实验数据拟合，将网格大小设为250mm，取同等模型下不设立防爆墙的近地爆炸模拟数据进行拟合，印证模型可用性，考虑到经验公式的适用范围，同时使用Henerych J 与国防工程经验公式进行数据拟合，两个公式如下[7]：

图2 1800kg及40kg数值拟合结果

可以看出，1800kg 数据拟合分为两个阶段：

在Henerych J 经验公式适用阶段（约12m 内），监测点的超压明显大于Henerych J 经验公式结果，这与模型将空气假设为理想状态有关。随后由于网格大小的问题，导致没有精确捕捉到该位置的超压变化。但在大约5m 处捕捉到了近地爆炸时冲击波与地面发射后产生的马赫波。

国防工程经验公式适用距离（约12m 外），实验结果与经验公式呈现出较好的拟合情况，与这一公式的差压程度显然证明了模型在中远距离测量超压的可用性。另外，X Q Zhou 使用网格大小采用250mm 划分方法与TM5-1300 经验公式的超压到达时间基本一致，也说明了网格划分的合理性。

40kg 的模拟结果虽然呈现出了较好的契合度，但由于网格大小的问题，数据结果并不够精确，因为第一堵防爆墙的反射加强效应，测点的超压值应高于经验式，但对于评估其防爆效果而言，仍具有可用性。

图3 测点超压变化

1.41800 kg 下单层与双层防爆墙防爆结果分析

（1）单层结果分析

实验的结果如图所示，爆炸的过程主要以下几个明显的阶段：第一阶段，冲击波在接触到防爆墙后发生反射，反射压力增加，局部形成高压区；第二阶段，冲击波与防爆墙作用产生绕射效应，冲击波迅速绕过防爆墙到达防爆墙背面底部，又一次出现局部高压区；第三阶段，绕射波经地面反射后继续向前传播，与其他方向的冲击波合流形成马赫波。在整个过程中，冲击波压力分布持续受防爆墙的扰动作用。

图4 单层防爆墙效果展示

（2）单层防爆墙超压分布

实际上，由于模型网格尺寸的关系，无法做到精确取点（无法精确到m），不能直接用经验公式来做模型的参照。因此选择验证模型时建立的参照模型进行比对。在防爆墙后每隔1m，分别取离地高度为0、1、2、3、4、5、6 米处两个模型对应点的超压进行记录并分析得到结果如图5。

图5 单层防爆墙不同高度超压分布情况

从图5 可以明显看出，防爆墙的消波作用在10 米左右内是最好的。并且所有高度测点的超压分布并且在后续传播时都出现了一个小波峰，是由于绕射波经过防爆墙后，与地面形成的马赫波。

（3）消波能力评估

图6 单层防爆墙消波性能评估

（4）双层防爆墙防爆效果分析

在第二道防爆墙后进行测点，分别取0、1、2、3m 的点与只有一层防爆墙的点进行比对，得到结果如图7。

图7 双层防爆墙与单层防爆墙性能对比

可以看出，第二堵防爆墙对也对冲击波起到了消波作用，在高度为2m 与3m 时测点的消波程度要大于高度0m 和3m 的测点。实际上，这样的消波作用，对于整体爆炸结果来看，是微乎其微的。因为大量实验表明，随着爆源与防爆墙距离的增加，防爆墙的防护效果将会变差，并且这组实验也是在第一堵防爆墙已经改变了冲击波流场形状的前提下进行。因此防爆效果并不理想。

1.540 kg 下双层防爆墙抗爆效果分析

实验结果表明，在面对40kg 炸药在第一堵防爆墙后爆炸时，第二堵防爆墙对冲击波的传播起到了较好的阻挡作用，如图8 所示。

图8 双层防爆墙效果展示

另外，与经验公式进行比对后也发现，第二堵防爆墙在面对40kg 炸药爆炸时起到了较好的防护效果，墙后测点的超压峰值明显下降。

图9 双层防爆墙消波能力对比

2 结语

本文对双层防爆墙的消波性能进行了探讨，结论主要有：

（1）随着高度的增加（大于防爆墙墙体高度（3m），消波能力逐渐下降，低于防爆墙高度的点受防爆墙的保护作用较好，高于防爆墙的消波作用较差。

（2）第二堵防爆墙的也具有一定的消波作用但对整体影响并不明显。但对40kg 炸药具有一定防护效果。

从整个实验来看，双层防爆墙的消波作用与单层防爆墙的效果几乎相同，但并不意味着它的效果并不好，因为本文的研究是在假设防爆墙为刚体的情况下进行实验，但实际情况下，近距离的爆炸将会造成防爆墙的破坏，形成爆炸碎片，因此第二堵防爆墙抵抗碎片的作用将体现出来，这也是下一阶段的研究目标。