裝藥埋深對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道爆破效應(yīng)影響數(shù)值模擬*

梁 斌,錢立新,任時(shí)成

(中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所,四川綿陽 621900)

0 引言

機(jī)場(chǎng)跑道等分層介質(zhì)中爆炸破壞效應(yīng)的研究是一個(gè)非常復(fù)雜的問題,涉及沖擊波的傳播,土壤、卵石層和混凝土層在高溫、高壓、高應(yīng)變率條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為,以及氣態(tài)爆轟產(chǎn)物和固態(tài)介質(zhì)之間的、固態(tài)多層介質(zhì)之間的相互作用等問題[1]。影響跑道爆炸破壞效應(yīng)因素較多,文中主要分析裝藥埋深對(duì)爆炸破壞效應(yīng)的影響,采用數(shù)值模擬方法可減少代價(jià)昂貴的實(shí)驗(yàn)研究,解釋和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,有助于深入了解爆轟作用的機(jī)理。

文中采用AUTODYN程序模擬了裝藥在跑道不同埋深下爆炸產(chǎn)生破壞的過程,得到了裝藥埋深與跑道破壞參數(shù)之間的初步規(guī)律。模擬結(jié)果表明,對(duì)于一定結(jié)構(gòu)的裝藥,存在一個(gè)最佳爆炸深度使其爆炸能量利用率達(dá)到最高,對(duì)跑道的破環(huán)作用效果較好,其計(jì)算分析結(jié)果可為提高裝藥結(jié)構(gòu)威力設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。同時(shí)為進(jìn)一步探索跑道中爆炸機(jī)理和爆破規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。

1 初始條件和計(jì)算模型

1.1 初始條件

圖1 典型一級(jí)軍用機(jī)場(chǎng)跑道結(jié)構(gòu)

機(jī)場(chǎng)跑道由混凝土面層、卵石層和壓實(shí)土壤層組成(如圖1),對(duì)于一級(jí)軍用機(jī)場(chǎng)跑道[2],厚度分別為350mm、400mm和500mm,壓實(shí)土層下為當(dāng)?shù)刈匀坏刭|(zhì)材料,為便于分析,同樣取為壓實(shí)土。數(shù)值計(jì)算中,為減小土壤層厚度方向邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,根據(jù)裝藥埋深不同,取壓實(shí)土層厚度分別為2250mm和5250mm。

1.2 計(jì)算模型建立

跑道各層材料模型簡(jiǎn)化如下[2]:混凝土面層,采用RHT模型[4-5],抗壓強(qiáng)度50MPa,密度為2.44g/cm3;卵石層:卵石類離散介質(zhì),目前沒有合適的本構(gòu)模型來描述,針對(duì)卵石與砂漿組成的穩(wěn)定層,相比之下,采用 RHT混凝土類脆性材料模擬性能相對(duì)接近,暫時(shí)采用混凝土模型代替,采用RHT模型,抗壓強(qiáng)度取為10MPa,由于卵石之間用砂漿粘結(jié),其拉伸強(qiáng)度較低,抗拉強(qiáng)度取為1.5MPa,密度為 2.10g/cm3;壓實(shí)層:目前土壤在強(qiáng)動(dòng)載荷下的本構(gòu)模型研究還處在起步階段,還沒有合適的土壤動(dòng)態(tài)計(jì)算本構(gòu)模型,為簡(jiǎn)化問題,結(jié)合土壤動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果,初步采用HJC模型模擬[6],抗壓強(qiáng)度取 4MPa,密度為1.84g/cm3。

彈體裝填5kg含鋁炸藥,藥柱直徑為88mm,長(zhǎng)為480mm。炸藥采用High_Explosive_Burn模型,爆轟產(chǎn)物的等熵膨脹過程用JWL狀態(tài)方程描述[5,7]:

式中:E、Q分別為 CJ面前、后釋放的比內(nèi)能;V 為 比 容;A、B、R1、R2、ω為常數(shù) ;λ為非理想成分的燃燒分?jǐn)?shù)。式(1)中,第一項(xiàng)在高壓段起主要作用,第二項(xiàng)在中壓段起主要作用,第三項(xiàng)代表低壓段。在爆轟產(chǎn)物膨脹的后期,方程式前兩項(xiàng)的作用可忽略,為加快求解速度,將炸藥從JWL狀態(tài)方程轉(zhuǎn)換為更為簡(jiǎn)單的理想氣體狀態(tài)方程(絕熱指數(shù)γ=ω+1)。

炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)[3,5,7]如表1所示。

表1 炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)

1.3 裝藥在混凝土及土壤中爆炸計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

通過數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證混凝土以及土壤材料模型及參數(shù)。為此,對(duì)美軍標(biāo)中提供的混凝土和土壤中靜爆破壞效應(yīng)試驗(yàn)分別進(jìn)行數(shù)值模擬,并將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。

混凝土采用 RHT模型,抗壓強(qiáng)度為50MPa,土壤采用HJC模型,抗壓強(qiáng)度為5MPa。炸藥產(chǎn)物采用JWL狀態(tài)方程描述。粒子直徑10mm。裝藥為5kg含鋁炸藥,埋深0.4m。

漏斗坑尺寸計(jì)算值與試驗(yàn)值比較如表2所示。從表中可以看出,爆破漏斗坑半徑與體積數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,說明本計(jì)算模型具有一定的合理性。

為分析裝藥埋深對(duì)靜爆破壞效應(yīng)的影響,建立了2D軸對(duì)稱模型,從上到下依次為面層、卵石層和基層,跑道徑向尺寸R=4.0m,在跑道中設(shè)置不同的測(cè)量點(diǎn),以便測(cè)取不同位置處爆炸響應(yīng)參數(shù),埋深為1250mm情況下靜爆計(jì)算模型如圖2,為獲得跑道中不同位置處爆炸參數(shù),設(shè)置了相應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)(Gauege點(diǎn))。采用SPH算法,粒子直徑均為 10mm。計(jì)算中,炸藥從爆轟到產(chǎn)物準(zhǔn)靜態(tài)膨脹做功的階段,自動(dòng)將爆轟產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為理想氣體。

表2 數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果[8-9]比較(5kg含鋁炸藥,埋深0.4m)

2 計(jì)算結(jié)果與討論

在裝藥和靶體不變的情況下,從裝藥中心距離跑道表面距離為0.3m開始計(jì)算,下一次計(jì)算將裝藥埋深逐漸增加 0.1m,直到跑道出現(xiàn)隱炸情況為止。圖3給出了埋深為0.3m時(shí)跑道損傷隨時(shí)間變化云紋圖。

從圖3可以看出,在爆炸初期,主要形成爆腔和壓碎區(qū),其毀傷主要是沖擊波的作用,跑道內(nèi)開始形成裂紋并逐漸擴(kuò)展;隨著爆炸產(chǎn)物的膨脹,損傷區(qū)域逐漸增大,靶體裂紋逐漸增多并且擴(kuò)展和連通,局部形成貫穿裂紋,靶體徑向邊界由于拉伸作用而形成局部層裂;在裝藥軸向,由于爆炸產(chǎn)物的膨脹,形成較大的拋擲碎塊,最終形成爆破漏斗坑。

圖4及圖5分別給出了裝藥在不同埋深情況下跑道損傷云紋圖和爆破漏斗坑與埋深關(guān)系曲線,從圖中可看出,隨著裝藥在跑道中埋深的增加,跑道損傷區(qū)域呈逐漸增大-最大-逐漸減小的趨勢(shì);裝藥軸向垂直于機(jī)場(chǎng)跑道道面靜爆時(shí),裝藥中心位于壓實(shí)土層-地基層(自然土層)附近爆炸時(shí),爆炸漏斗坑半徑最大,此時(shí)爆炸產(chǎn)生的損傷區(qū)域最大,貫穿裂紋分布較密,毀傷效果相對(duì)較好;隨著裝藥中心距離道面距離減小,跑道損傷范圍逐漸減小,在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)“空炮”現(xiàn)象。

圖2 計(jì)算模型(埋深1250mm)

圖5(a)和圖5(b)中可以看出,在裝藥埋深較小時(shí),爆炸產(chǎn)生漏斗坑半徑及其相應(yīng)體積均較小,順著裝藥埋深的逐漸增加,爆破漏斗坑半徑和體積逐漸增大,對(duì)于5kg含鋁炸藥,在裝藥埋深為 0.9m時(shí),產(chǎn)生的爆破漏斗坑體積達(dá)到最大,此時(shí)裝藥埋深稱為最佳埋深,因此本研究裝藥的最佳埋深為0.9m;裝藥埋深繼續(xù)增大到0.95m時(shí),爆炸產(chǎn)生的漏斗坑半徑達(dá)到最大值。隨著埋深的繼續(xù)增加,爆破漏斗坑半徑和漏斗坑體積均減小,在埋深為2.3m時(shí),幾乎在跑道道面不產(chǎn)生漏斗坑,對(duì)于本研究所用裝藥結(jié)構(gòu),在埋深大于2.3m后爆炸只在跑道中產(chǎn)生隱爆空腔。

從圖5(c)可以看出,隨著埋深的增大爆炸空腔深度逐漸增大,但在埋深超過1.0m時(shí),爆腔深度增加速度變緩;從圖5(d)和圖5(e)可以看出,在埋深為0.95m時(shí),跑道面層和卵石層損傷區(qū)域達(dá)到最大值。而從圖5(f)可以看出,基層損傷區(qū)域隨埋深的增加呈平緩增大的趨勢(shì)。

上述計(jì)算結(jié)果分析并結(jié)合以往試驗(yàn)結(jié)果可以得到:彈坑深度通常在比最佳爆深稍小的爆深處達(dá)到最大值,而最大的可見彈坑直徑發(fā)生在比最佳爆深稍大的爆深處。

圖5 爆破漏斗坑參數(shù)與裝藥埋深之間的關(guān)系

根據(jù)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的分析,并結(jié)合已有巖土介質(zhì)中爆破效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果[8-9],對(duì)跑道中爆破效應(yīng)分析認(rèn)為,對(duì)于一定當(dāng)量的裝藥來說,隨著裝藥中心距離道面距離減小,消耗在道面外空氣域中的爆炸波和爆炸產(chǎn)物的能量逐漸增多,跑道損傷范圍逐漸減小,在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)“空炮”現(xiàn)象;而隨著裝藥埋深的增加,用于破壞跑道的爆炸能量逐漸增大,彈坑半徑和體積隨爆炸深度的增加而增大,在某一稱之為“最佳”爆深處,彈坑體積達(dá)到最大。如果進(jìn)一步增大爆深,位于爆心上方的介質(zhì)材料會(huì)限制形成彈坑,同時(shí)耦合到大地中的爆炸能量逐漸增多,爆炸產(chǎn)生的能量不足以將拋擲物散落在爆坑邊緣外時(shí),更多的拋擲物將回落在彈坑的邊界內(nèi),可見彈坑半徑將有所減小,直至彈坑完全消失致使跑道表面隆起。繼續(xù)增加裝藥埋深,爆后跑道表面基本無擾動(dòng)或較小擾動(dòng),爆炸只形成一個(gè)地下洞穴,此時(shí)為爆破工程中所稱的“封閉爆炸”或“隱爆”。

3 結(jié)論

通過對(duì)裝藥在跑道中不同埋深情況下爆炸數(shù)值計(jì)算,得到以下初步結(jié)論:

對(duì)于一定當(dāng)量的裝藥來說,存在一個(gè)最佳埋深,使得爆破漏斗坑體積達(dá)到最大;裝藥埋深大于一定值時(shí),道面中將出現(xiàn)隱炸現(xiàn)象,對(duì)于本研究中裝填5kg含鋁炸藥,最佳埋深約為0.9m,出現(xiàn)隱炸的臨界裝藥埋深在2.3m附近。

彈坑深度通常在比最佳爆深稍小的爆深處達(dá)到最大值,而最大的可見彈坑直徑發(fā)生在比最佳爆深稍大的爆深處。制約動(dòng)能侵徹彈藥威力的首要因素是炸點(diǎn)位置。

[1]隋樹元,王樹山.終點(diǎn)效應(yīng)學(xué)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2000.

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