水中鋼板爆破水介質(zhì)對裝藥量的影響

姜 濤,詹發(fā)民,周方毅,馬貴義

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 267011)

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水中鋼板爆破水介質(zhì)對裝藥量的影響

姜 濤,詹發(fā)民,周方毅,馬貴義

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 267011)

為分析水介質(zhì)對水中鋼板爆破裝藥量的影響，理論推導(dǎo)了鋼板背襯水介質(zhì)條件下，鋼板爆破最小裝藥量與空氣中鋼板爆破最小裝藥量的倍數(shù)關(guān)系：最小倍數(shù)關(guān)系為3.76。數(shù)值計算了鋼板背襯空氣介質(zhì)和背襯水介質(zhì)情形下鋼板爆破的最小裝藥量，其倍數(shù)關(guān)系在3.5左右，與理論結(jié)果相近，表明鋼板背襯水介質(zhì)或空氣介質(zhì)是決定裝藥量大小的關(guān)鍵因素。數(shù)值計算了裝藥在空氣介質(zhì)中及水介質(zhì)中鋼板爆破爆轟產(chǎn)物對鋼板的沖量大小，結(jié)果接近，表明水介質(zhì)對炸藥爆轟產(chǎn)物的約束作用是影響水中鋼板裝藥量的次要因素。

爆炸力學(xué)；水介質(zhì);水下爆破；裝藥量；接觸爆破

水中接觸爆破與空氣中接觸爆破有許多共同之處，例如，爆破對目標(biāo)的作用主要是爆轟產(chǎn)物的作用，對目標(biāo)的破壞屬于局部破壞等。水中接觸爆破與空氣中接觸爆破的不同之處在于空氣的密度小，對爆破的影響可以忽略不計，而水的密度比空氣大得多，水的密度與裝藥的密度和破壞目標(biāo)的密度屬于同一個數(shù)量級，對爆破影響較大，不能忽略。一般認(rèn)為，水介質(zhì)對爆破的影響是雙重的。一方面，水介質(zhì)阻礙爆轟產(chǎn)物飛散，延長了爆轟產(chǎn)物對目標(biāo)的作用時間，增大了對目標(biāo)的作用；另一方面，也阻礙目標(biāo)被破壞部分發(fā)生位移，增強(qiáng)了目標(biāo)對爆轟產(chǎn)物的抵抗力[1-3]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，水中爆破鋼板有時鋼板全在水中，有時鋼板一面在水中，一面在空氣中；裝藥也會根據(jù)需要布設(shè)在水中，或是布設(shè)在空氣介質(zhì)中。那么根據(jù)鋼板和炸藥所在介質(zhì)的不同，可以將鋼板爆破分為以下4種情形：

(1)炸藥與鋼板均在空氣中(記為：空氣/空氣)；

(2)炸藥與鋼板均在水中(記為：水/水)；

(3)鋼板一側(cè)在水中，一側(cè)在空氣中，炸藥在空氣中(記為：水/空氣)；

(4)鋼板一側(cè)在水中，一側(cè)在空氣中，炸藥在水中(記為：空氣/水)。

由于水介質(zhì)對爆轟產(chǎn)物的約束作用以及水介質(zhì)對鋼板運(yùn)動的阻礙作用，4種情形鋼板爆破需要的最小裝藥量應(yīng)該有所不同。已經(jīng)有相關(guān)研究理論上推導(dǎo)了上述4種情形鋼板爆破最小裝藥量之間的關(guān)系。隨著數(shù)值計算方法的發(fā)展和計算機(jī)性能的提升，有限元數(shù)值計算方法已經(jīng)成為研究水下爆破技術(shù)的重要手段。本文中應(yīng)用AutoDyn有限元數(shù)值計算軟件，主要計算鋼板背襯空氣介質(zhì)和水介質(zhì)條件下，爆破炸穿鋼板所需的最小裝藥量之間的關(guān)系。對鋼板背襯水介質(zhì)阻礙鋼板運(yùn)動對鋼板爆破最小裝藥量的影響進(jìn)行數(shù)值計算結(jié)果與理論推導(dǎo)結(jié)果的比較。

1 理論推導(dǎo)

鋼板背襯水介質(zhì)時，在爆炸造成對鋼板穿孔的過程中，與鋼板接觸的一定范圍內(nèi)的水一同與破壞部分參與了運(yùn)動，這就是與鋼板背襯空氣介質(zhì)爆破不一樣地方。

圖1 水獲得運(yùn)動速度的范圍Fig.1 Range of water movement

接觸爆破背襯水介質(zhì)時，鋼板后獲得運(yùn)動速度的水的范圍，約為鋼板爆破震落漏斗在水中擴(kuò)大到距離為hc的范圍，如圖1所示，根據(jù)實(shí)驗得出[1,4]，hc=20h(h為鋼板厚度)。也就是說，裝藥爆破鋼板不但要使鋼板震落漏斗獲得速度，還要使鋼板震落漏斗后范圍為hc的水介質(zhì)同樣獲得速度。那么接觸爆破背襯水介質(zhì)條件的鋼板，要獲得與背襯空氣介質(zhì)同樣大小的沖量，需要使鋼板連同水介質(zhì)一起獲得的沖量應(yīng)為鋼板背襯空氣介質(zhì)條件下的

(1)

式中:ρ為鋼板密度，ρc為水的密度。這表明：鋼板背襯水介質(zhì)時，爆破所需要的裝藥量是鋼板背襯空氣介質(zhì)爆破所需裝藥量的3.56倍。

圖2 有限元模型及測試點(diǎn)設(shè)置Fig.2 FEM model and gauge position

2 數(shù)值計算

2.1 有限元模型

有限元模型包括水、空氣、TNT炸藥以及鋼板，如圖2所示。根據(jù)鋼板背襯水介質(zhì)及空氣介質(zhì)的不同，分別建立鋼板背襯水介質(zhì)和空氣介質(zhì)的有限元模型。炸藥布設(shè)于空氣介質(zhì)中?；谀Ｐ偷膶ΨQ性，建立1/4模型。模型中的水、空氣、炸藥采用歐拉網(wǎng)格劃分，鋼板為shell單元網(wǎng)格。單元網(wǎng)格劃分大小為：歐拉網(wǎng)格大小為邊長1 cm的六面體，shell網(wǎng)格大小為邊長2 cm的四邊形，shell單元的厚度為1 cm。模型中的水、空氣、炸藥、鋼板(S4340鋼)的材料模型和狀態(tài)方程參數(shù)均采用AutoDyn軟件自帶材料模型參數(shù)[5-7]。

圖3 空氣介質(zhì)中爆破鋼板實(shí)驗及爆破效果Fig.3 Setup and result of demolish steel plate experiment

為了檢驗有限元模型，首先應(yīng)用200 g TNT藥塊爆破背襯空氣介質(zhì)條件下的鋼板，并與數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行了比較，以驗證模型中的材料參數(shù)。實(shí)驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果較為吻合。圖3為200 g TNT藥塊在空氣介質(zhì)中爆破時鋼板實(shí)驗設(shè)置及爆破效果圖，圖4為應(yīng)用AutoDyn軟件的數(shù)值計算結(jié)果。

圖4 空氣介質(zhì)中鋼板爆破數(shù)值模擬結(jié)果Fig.4 Numerical simulation result of demolish steel plate

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

主要分析鋼板背襯水介質(zhì)對鋼板爆破裝藥量的影響。為便于比較，炸藥的橫截面為正方形，邊長為12 cm。鋼板背襯水介質(zhì)和背襯空氣介質(zhì)2種情形中，炸藥高度均從2 cm開始逐漸增加，直至鋼板炸穿。得到炸穿背襯水介質(zhì)和背襯空氣介質(zhì)鋼板所需的最小裝藥量。鋼板背襯空氣介質(zhì)鋼板爆破所需最小裝藥量的數(shù)值模擬結(jié)果如圖5(a)所示，鋼板背襯水介質(zhì)鋼板爆破所需最小裝藥量的數(shù)值模擬結(jié)果如圖5(b)所示。

圖5 鋼板背襯水介質(zhì)和背襯空氣介質(zhì)最小裝藥量及鋼板爆破結(jié)果Fig.5 Results from FEM simulation for two models with steals backing water and air respectively

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬結(jié)果表明，鋼板背襯水介質(zhì)與鋼板背襯空氣介質(zhì)炸穿鋼板所需最小裝藥量的倍數(shù)關(guān)系為3.5倍(7∶2)，與理論分析的結(jié)果3.76倍接近。鋼板背襯介質(zhì)為水時，水介質(zhì)對鋼板的阻礙作用對裝藥量的影響，理論分析的結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致。為進(jìn)一步說明水介質(zhì)對鋼板運(yùn)動的阻礙作用，分析同等裝藥量(裝藥高度14 cm)炸穿鋼板后，鋼板破片在水介質(zhì)中和空氣水介質(zhì)中的初始飛行速度。鋼板背襯水介質(zhì)，鋼板破片的運(yùn)動速度為200 m/s,如圖6所示；而鋼板背襯空氣介質(zhì)，鋼板破片的運(yùn)動速度為600 m/s，如圖7所示?？梢?，水介質(zhì)對鋼板運(yùn)動起到的阻礙作用是不容忽視的。

圖6 背襯水介質(zhì)鋼板破片速度Fig.6 Velocities of steel fragment backing on water

圖7 背襯空氣介質(zhì)鋼板破片速度Fig.7 Velocities of steel fragment backing on air

水介質(zhì)除阻礙鋼板運(yùn)動外，還對爆轟產(chǎn)物具有約束作用。水介質(zhì)的存在限制了徑向稀疏波向裝藥內(nèi)部的擴(kuò)展，使裝藥端面單位面積沖量增加。沖量的增加體現(xiàn)在哪個表面受到約束，哪個表面的單位面積沖量就增加，而對其他表面沖量的增加影響不大。所以，水對爆轟產(chǎn)物的約束作用對于作用于鋼板上的沖量影響不大。而對作用于鋼板上沖量的影響主要是鋼板自身的約束，所以裝藥在水中和空氣中爆炸，對作用于鋼板上的沖量影響很小。這一結(jié)論通過炸藥分別在水中和空氣介質(zhì)中爆炸時測點(diǎn)1～3(圖2)的沖量時間歷程曲線可以驗證。炸藥在空氣中爆炸(見圖8(a))與炸藥在水中爆炸(見圖8(b))時測點(diǎn)1(貼近鋼板的測點(diǎn))的沖量大小基本相等；炸藥在水介質(zhì)中爆炸時測點(diǎn)2～3的沖量大于炸藥在空氣介質(zhì)中爆炸時測點(diǎn)2～3的沖量。 可見，水介質(zhì)對爆轟產(chǎn)物的約束作用對鋼板爆破裝藥量計算影響不大。

圖8 測試點(diǎn)沖量時間歷程曲線Fig.8 Impulse curves at different measuring points

3 結(jié) 論

理論分析得到鋼板背襯水介質(zhì)和背襯空氣介質(zhì)條件下，爆破鋼板最小裝藥量的倍數(shù)關(guān)系為3.76倍。應(yīng)用有限元數(shù)值計算方法，計算得到鋼板背襯水介質(zhì)和背襯空氣介質(zhì)條件下爆破鋼板最小裝藥量的倍數(shù)關(guān)系為3.5倍，理論分析與數(shù)值計算結(jié)論較為接近，驗證了水介質(zhì)的存在對鋼板爆破最小裝藥量的影響。在水下鋼板爆破裝藥量計算時，應(yīng)充分考慮鋼板背襯介質(zhì)的影響，鋼板背襯水介質(zhì)時，裝藥量應(yīng)為鋼板背襯空氣介質(zhì)的3.5倍左右。鋼板背襯水介質(zhì)對鋼板運(yùn)動的阻礙作用是影響鋼板爆破裝藥量計算的首要因素。同時數(shù)值計算了水介質(zhì)對爆轟產(chǎn)物約束作用對鋼板獲得沖量大小的影響，結(jié)果表明，水介質(zhì)對爆轟產(chǎn)物的約束作用對鋼板獲得沖量大小影響不大。

[1] 齊世福．炸藥及爆炸作用[M]．南京：解放軍理工大學(xué)出版社，2004． [2] 葉序雙．爆炸作用基礎(chǔ)[M]．南京：解放軍理工大學(xué)出版社，2001． [3] 陳刊，齊世福，馮偉濤．沉船清障中矩形截面直列裝藥作用研究[J]．中國水運(yùn)，2011，11(2)：133-134． [4] Wood S L. Cavitation effects on a ship-like box structure subjected to an underwater explosion[D]. USA: Naval Postgraduate School，1998． [5] 姜濤，由文立，張可玉,等．水中爆炸表面空穴的理論研究[J]．爆炸與沖擊，2011，31(1)：19-24． Jiang Tao, You Wen-li, Zhang Ke-yu, et al. Study on the thoery of bulk cavitation from underwater explosion[J]. Explosion and Shock Waves, 2011,31(1):19-24.

[6] Autodyn Theory Manual Version4.3[Z]. Century Dynamic Corporation. USA, 2005． [7] Ansys AutoDyn help Manual[Z]. Century Dynamic Corporation. USA, 2005．

(責(zé)任編輯 曾月蓉)

Effects of water medium on charge mass for demolishing steel plate underwater explosion

Jiang Tao, Zhan Fa-min, Zhou Fang-yi, Ma Gui-yi

(NavySubmarineAcademy,Qingdao267011,Shandong,China)

To study the effect of water on charge mass for demolishing steel plate, the relationship of charge mass between steel plate backing on air and backing on water is analyzed. The results show that the charge mass for backing on water is 3.68 times the charge mass for backing on air. The charge mass is calculated with FEM method for explosions with steel plate backing on air and water. The results show that the charge mass for steel plate backing on air is 3.5 times the charge mass for steel plate backing on water, which is accordant with theoretical analysis. So the medium that steel plate backs on is the key factor for determing charge mass of cutting steel plate. The impulses on steel plate are almost equal for backing on air and backing on water, which indicates that the water constraining force on the detonation products can not afeect the charge mass much.

mechanics of explosion; water medium; underwater explosion; charge mass; contact explosion

10.11883/1001-1455(2015)01-0089-05

2013-06-28；

2013-11-27

姜 濤(1979— )，男，博士,講師,374375340@qq.com。

O382.1 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

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