中空橡胶帷幕的水下冲击波防护特性研究

张 涛，曹 杰，王 猛，胡坤伦



中空橡胶帷幕的水下冲击波防护特性研究

张 涛，曹 杰，王 猛，胡坤伦

（安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南，232001）

根据波阻抗理论，设计了一种含有空气隔层的水下冲击波防护装置，该装置能有效固定空气且在水下爆破工程中易于使用。利用数值模拟对该装置的冲击波防护特性进行研究，结果表明：该装置能显著减小保护区水域的压力波峰值，有效防止冲击波破坏。

水下爆破；冲击波；防护；数值模拟

随着经济建设的发展，海港码头和航道等水上水下建筑物日益增多，大吨位钻孔浮船的出现，使得航道疏浚工程量大大增加，这些都促进了水下爆破的发展[1]。由于水的可压缩性远小于空气，水中冲击波的作用范围也比空气中大得多，并且衰减慢，破坏强度较大，故水下冲击波为水下爆破最大的安全问题。目前，减小水中冲击波的技术方式有两种：一是微差起爆，减小单次起爆药量，以降低冲击波强度，但是一次起爆药量不可能无限制减少；二是设置气泡帷幕，阻隔冲击波传播[2]，但这种方法设备成本过高。本文根据冲击波衰减原理设计了一种由含有空气隔层的中空橡胶组成的水中冲击波防护装置，该装置可在水中形成防护帷幕，有效降低水中冲击波强度，同时利用数值模拟计算方法对该装置的冲击波防护特性进行了研究。

1 衰减原理

根据一维弹性波理论，当一维弹性波在水中垂直传入介质时，根据连续条件、牛顿第三定律以及波阵面动量守恒条件，可知入射压力σ、反射压力σ、透射压力σ之间的关系为[3]：

+=（2）

式（1）~（2）中：ρ为水的密度；c为水中的波速；ρ为介质的密度；c为介质中的波速。

由式（1）~（2）可得：

式（3）~（7）中：和分别为透射因数和反射因数；为波阻抗比。当水中的一维弹性波通过介质再透射到水中时，透射波的强度为：

由式（8）可以看出，透射压力仅与两种介质的波阻抗比值有关，介质与水的波阻抗相差越大，压力衰减效果越明显。以上分析以弹性波为例，而波在两种介质交界面上的透射、反射规律从定性的角度讲对任何类型的波(包括水下冲击波)都成立[4]。

2 模拟试验

空气容易获取且阻抗与水相差较大，是水下爆破施工中衰减水中冲击波的较佳材料。然而空气为流体，只有形成连续性较好的空气隔层才能有效阻挡和衰减水下冲击波，故必须采用某种容器将其固定于水中。结合实际施工情况，该容器材质除廉价易得外还需具有足够的密度和强度以保证帷幕能顺利置于水中，因此，选用橡胶聚合物作为帷幕的外层材料。

2.1 模型及算法

水下装药简化为球形药包，不考虑水下因复杂边界引起的杂乱反射，而球形药包在无限水域下的爆炸冲击波传播过程为一个球对称问题，故将炸药简化成为点爆源，水域简化为具有一定角度的圆弧楔形体，所有材料均采用Euler算法，有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型

为验证空气隔层在冲击波衰减中的重要性，数值计算分为3组，各组计算中水域及炸药参数相同，炸药直径2cm，水域半径取2m，仅改变防护结构，详情见表1。

表1 防护结构

Tab.1 Protective structure

2.2 材料模型及参数

本次模拟涉及到的材料有炸药(TNT)、水、空气、橡胶聚合物，TNT选用JWL方程描述爆轰产物状态，其形式为：

式（9）中：=ρe，为单位初始体积的内能；,,1,2,等是由实验确定的常数。各项参数均列于表2[5]。

表2 TNT材料参数

空气状态方程为：

式（10）中：0为空气初始密度；为绝热指数；0为气体比内能。

很多测量u和的动力实验表明，在很宽的压力范围内，多数固体和许多液体的这两个变量间存在一个经验线性关系式[6]，即：

=0+Su（11）

水和橡胶均采用Shock状态方程，该状态方程适用于描述材料在冲击作用下的响应。水和橡胶参数均列于表3。

表3 水、橡胶材料参数

3 计算结果及分析

图2所示为3组所设情况下的水下冲击波传播过程，炸药起爆后，冲击波在水中迅速传播，当水中未设置屏障(a组)，冲击波顺利传播至远端，根据距离药包0.5~1.4m所测冲击波压力峰分布曲线(图3)可知，冲击波峰值压力满足关系式（12）[7]：

图2 冲击波传播过程

式（12）中：P为压力峰值；为装药量；为测点距爆心的距离；为试验系数；为压力衰减系数。

图3 a组压力分布图

Fig. 3 Pressure distribution of group a

若水中设置橡胶屏障(b组)，由于橡胶与水具有一定阻抗差距，当冲击波传至水-橡胶界面时会发生反射和透射现象，透射冲击波继续沿入射波的初始方向向远处传播，反射冲击波则反向传至装药方向，随后反射继续向远处传播，再次传播至屏障后，会向屏障外透射一个二次冲击波；c组中设置了含空气夹层的橡胶屏障，由于空气阻抗远小于水介质，故冲击波传至屏障时主要发生反射现象，图2(c)中能明显看出冲击波在装药区域与屏障间来回反射的过程，严格意义上说，仍会有一部分能量透射至远离炸药的水域，但能量过小，透射波并不能形成冲击波。

图4给出了a、b、c 3组位于炸药远端且与屏障相隔0.1m处水域的压力——时间曲线。

图4 距屏障0.1m处压力曲线

由图4可以看出，虽然b组压力峰值较无防护屏障时有所减小，但峰值仍接近12MPa，且最大冲击波峰值出现后会有1个压力峰接近4MPa的二次冲击波，故单层橡胶屏障不仅难以减弱水下冲击波的破坏效应，还会产生二次破坏；c组中防护屏障增加了空气夹层，冲击波经过屏障后，在距离屏障0.1m处仅能引起最大峰值与大气压同一量级的压力突跃，防护效果大大提升，距离屏障1m时压力峰值仅为0.223 7MPa。3组试验所测压力峰值列于表4。

表4 压力峰值实测值 （MPa）

4 结论

通过波阻抗理论说明了水下爆破防护装置的冲击波衰减原理，中空橡胶隔层密度大于水，材料廉价易得，可保证充入空气后整体密度大于水，布设简单容易，适用于水下爆破施工。设计的水下爆破防护装置能大大降低保护区水域的压力波峰值，降低水下冲击波的破坏。但如不含空气夹层，该装置还有可能产生由波反射生成的二次破坏，因此，实际施工中应避免夹层空气流失。

[1] 颜事龙,胡坤伦.现代工程爆破理论与技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2007.

[2] 张志波,李春军,李红勇,等.气泡帷幕在水下爆破减震工程中的应用[J].爆破,2003,20(2):75-76.

[3] 王礼立.应力波基础[M].北京:国防工业出版社,2005.

[4] 贾虎,沈兆武.空气隔层对水中冲击波的衰减特性[J].爆炸与冲击,2012,32(1):61-65.

[5] ANSYS Inc.AUTODYN theory manual R4.3[M].USA: Century Dynamics Inc,2005.

[6] 门建兵,蒋建伟,王树有.爆炸冲击数值模拟技术基础[M].北京:北京理工大学出版社,2015.

[7] 库尔 P.水下爆炸[M].罗耀杰,译.北京:国防工业出版社, 1960.

Underwater Blast Protection Feature of Hollow Rubber Curtain

ZHANG Tao，CAO Jie，WANG Meng，HU Kun-lun

（School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan, 232001）

Based on the wave impedance theory，a kind of underwater shock wave protection device containing the air layer was designed，this device can fix air effectively and is easily used in the underwater blasting engineering. Shock protective characteristics of this device were researched by using numerical, the results show that the device could significantly reduce the pressure peak value of the protected water area and effectively prevent the shock wave damage.

Underwater blasting；Shock wave；Protection；Numerical simulation

1003-1480（2019）02-0043-03

TQ560.7

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.02.011

2018-11-12

张涛(1963-)，男，实验师，从事民用爆破器材技术研究。