空氣中爆炸沖擊波超壓峰值的預(yù)測(cè)

嚴(yán)國(guó)建,周明安,余 輪,周曉光

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 湖南長(zhǎng)沙 410072)

空氣中爆炸沖擊波超壓峰值的預(yù)測(cè)

嚴(yán)國(guó)建,周明安,余 輪,周曉光

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 湖南長(zhǎng)沙 410072)

選用 TNT炸藥,利用 ANSYS仿真軟件模擬和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測(cè)空氣中不同距離爆炸沖擊波超壓峰值,揭示其衰減變化規(guī)律,并與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果相互比對(duì)誤差,發(fā)現(xiàn)仿真模擬和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)論值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值更加接近。

爆炸沖擊波;超壓峰值;ANSYS;仿真模擬;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

沖擊波峰值超壓表示沖擊波瞬間作用的量,炸藥爆炸過程中沖擊波的傳播是一個(gè)極為復(fù)雜的問題,峰值超壓是描述空氣沖擊波強(qiáng)弱的參數(shù)之一,其變化規(guī)律也受沖擊波傳播影響表現(xiàn)得復(fù)雜[1]。簡(jiǎn)單的采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算超壓峰值不能較全面、真實(shí)反映爆炸過程的沖擊波變化規(guī)律,而且結(jié)果較真實(shí)情況仍有較大誤差。

仿真模擬是真實(shí)過程或系統(tǒng)在整個(gè)時(shí)間內(nèi)運(yùn)行的模仿,用數(shù)學(xué)公式或邏輯關(guān)系的假設(shè)構(gòu)造成模型,用這種模型試驗(yàn)以取得相應(yīng)系統(tǒng)行為的某些結(jié)果[2]。利用顯式算法快速求解短時(shí)間、大變形、動(dòng)態(tài)、大變形靜準(zhǔn)態(tài)問題和復(fù)雜的多重非線性接觸碰撞問題,并通過結(jié)果分析計(jì)算出爆炸沖擊波超壓峰值和水平距離的非線性關(guān)系。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模范動(dòng)物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征,進(jìn)行分布式并行信息處理的算法數(shù)學(xué)模型,具有自適應(yīng)、自組織和實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)的特點(diǎn)以及非線性、非局限性、非常定性和非凸性的特征[3]?；诖罅繕颖拘畔?利用計(jì)算機(jī)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值反復(fù)訓(xùn)練,減小網(wǎng)絡(luò)輸出誤差,映射爆炸沖擊波超壓峰值和水平距離的非線性關(guān)系,采用訓(xùn)練好的權(quán)值預(yù)測(cè)不同距離的沖擊波超壓峰值可以較為真實(shí)的反應(yīng)結(jié)果。

1 爆炸沖擊波超壓峰值預(yù)測(cè)和仿真模擬

1.1 空氣介質(zhì)中爆炸沖擊波的傳播規(guī)律和實(shí)驗(yàn)

爆炸沖擊波通常是球面?zhèn)鞑サ?沖擊波后面緊跟著膨脹的爆炸產(chǎn)物,當(dāng)爆炸產(chǎn)物膨脹到極限體積后,空氣沖擊波尾部與爆炸產(chǎn)物鄰接的界面處壓力降到大氣壓 P0,而爆炸產(chǎn)物由于慣性繼續(xù)膨脹,即過度膨脹,直到慣性消失,從而導(dǎo)致沖擊波尾部產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)。當(dāng)爆炸產(chǎn)物停止膨脹而往回運(yùn)動(dòng)時(shí),形成沖擊波脫離爆炸產(chǎn)物獨(dú)自向前運(yùn)動(dòng)的分界面。此時(shí)沖擊波得不到別的能量補(bǔ)給,同時(shí)自身能量不斷損耗,使沖擊波各種參數(shù)下降,這種下降是連續(xù)傳遞的[4],也就是空氣中爆炸沖擊波的傳播過程規(guī)律。

本文選用試驗(yàn)樣品為 TNT藥柱 7.5 kg,長(zhǎng)徑比為 (1～1.2):1。TNT藥柱為鑄裝,密度為 1.58 g/cm3,在 3.5,5,7,9.5和 12 m 5組不同水平距離處測(cè)量沖擊波超壓峰值 (△p),如表1所示[5]。

表1 沖擊波超壓峰值的測(cè)量值[5]

1.2 仿真模擬

數(shù)值模型由炸藥和空氣兩部分組成,均采用歐拉網(wǎng)格建模,單元使用多物質(zhì) ALE算法,炸藥空氣和材料間耦合算法。由于是條形裝藥,在中心線起爆條件下,不考慮端部效應(yīng)時(shí),可以將模型簡(jiǎn)化成平面對(duì)稱問題。數(shù)值模型采用 cm-g-us單位制。本算例采用 ANSYS/LS-DYNA8.1進(jìn)行模擬,通過選取模型節(jié)點(diǎn),分別確定距離模型 3.5,5,7,9.5和 12 m 5個(gè)點(diǎn)的位置,輸出 5點(diǎn)的壓力時(shí)程曲線。

根據(jù)超壓曲線,不同距離的超壓峰值見表2。

1.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)

本文采用 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),構(gòu)建三層網(wǎng)絡(luò),雖然爆炸沖擊波超壓峰值影響受裝藥量的大小、形狀和水平距離等因素變化,但是在本文的實(shí)驗(yàn)中,試驗(yàn)樣品除測(cè)量點(diǎn)的水平距離不同外,其它因素均不變,所以可以將輸入層設(shè)為一層,即為測(cè)量點(diǎn)到 TNT炸藥水平距離。輸出層是超壓峰值,所以輸出層也設(shè)為一層,即為爆炸沖擊波的超壓峰值。根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式[3],設(shè)計(jì)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為 3個(gè)。綜合以上設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),采用優(yōu)化的 BP算法[3],利用Visual Basic 6.0編程軟件編程對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值進(jìn)行訓(xùn)練,如圖1所示,最終利用訓(xùn)練好的權(quán)值預(yù)測(cè)3.5,5,7,9.5和 12 m 5種情況下的超壓峰值。

表2 仿真模擬超壓峰值結(jié)果

通過 10000次運(yùn)算后的到得權(quán)值見圖2,并利用權(quán)值預(yù)測(cè)不同條件的超壓峰值,如表3所示。

2 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算超壓峰值

目前,研究者主要用沖擊波壓力、超壓峰值、沖量、持續(xù)時(shí)間等沖擊波參數(shù)來描述 TNT爆炸產(chǎn)生的入射沖擊波的傳播規(guī)律,本文主要研究超壓峰值,并采用 Henrych給出的空氣中沖擊波峰值超壓計(jì)算方法和Brode的 TNT爆炸沖擊波峰值超壓計(jì)算方法計(jì)算獲得不同距離的超壓峰值。沖擊波的各種參數(shù)常通過比例距離來表達(dá),比例距離的定義方法為:

式中,R為測(cè)點(diǎn)與爆心之間的距離,m;W為等效TNT藥量 ,kg。

圖1 權(quán)值訓(xùn)練軟件

圖2 調(diào)整后權(quán)值

表3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)超壓峰值結(jié)果

Henrych(1979)給出的空氣中沖擊波峰值超壓的表達(dá)式為[6]:

Brode(1955)認(rèn)為 TNT爆炸沖擊波峰值超壓可用下式確定:

由式 (2)、式 (3),5組條件的計(jì)算結(jié)果見表4。

3 結(jié) 論

本文采用 ANSYS/LS-DYNA8.1仿真模擬爆炸過程的沖擊波變化和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (BP算法)預(yù)測(cè)分別在 3.5,5,7,9.5和 12 m距離上的超壓峰值;此外,

表4 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得超壓峰值結(jié)果

還利用 2種經(jīng)驗(yàn)公式分別計(jì)算獲得這 5個(gè)距離的超壓峰值,其計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)量的平均值見表5。

表5 不同方法計(jì)算結(jié)果

通過結(jié)果對(duì)比,發(fā)現(xiàn)仿真模擬和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)論值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值更加接近,而仿真模擬的結(jié)論值較試驗(yàn)測(cè)量偏大,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值較試驗(yàn)測(cè)量值偏小;在 7 m時(shí)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與仿真模擬結(jié)論值接近,其它距離上的試驗(yàn)測(cè)量值與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值接近。可以得出利用仿真模擬和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 2種方法較傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得的空氣中爆炸沖擊波超壓峰更接近真實(shí)情況,如果利用仿真模擬和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)論數(shù)據(jù)重新融合,可以得到更加符合真實(shí)情況的結(jié)論。

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2011-07-06)

嚴(yán)國(guó)建 (1988-),男,學(xué)士,主要從事軍事爆破及爆破工程方面的研究。