鋁纖維炸藥土中擴(kuò)腔現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬*

萬曉智，馬宏昊，沈兆武，陳 偉

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系,安徽 合肥 230027)

鋁纖維炸藥土中擴(kuò)腔現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬*

萬曉智，馬宏昊，沈兆武，陳 偉

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系,安徽 合肥 230027)

為檢驗(yàn)鋁纖維炸藥的做功能力，對鋁纖維炸藥土中爆炸擴(kuò)腔現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并采用ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，得出鋁纖維炸藥爆腔半徑隨藥量變化的關(guān)系。結(jié)果表明，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬均能較好地表征鋁纖維炸藥土中爆炸擴(kuò)腔的規(guī)律，鋁纖維炸藥相對于工業(yè)乳化炸藥做功能力強(qiáng)，且由于其成型效果好等特點(diǎn)，應(yīng)用于一些復(fù)雜的環(huán)境能夠取得理想效果，可為類似工程提供參考。

爆炸力學(xué)；爆炸擴(kuò)腔；ANSYS/LS-DYNA軟件；鋁纖維炸藥

含鋁炸藥作為軍用混合炸藥，其性能優(yōu)良，已廣泛應(yīng)用于空中和水下兵器戰(zhàn)斗部中。鋁纖維炸藥是一種新型含鋁炸藥，具有高能量密度、高安全以及高力學(xué)強(qiáng)度的特點(diǎn)，廖學(xué)燕[1]通過系列實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證，但沒有對其進(jìn)行土中爆炸擴(kuò)腔實(shí)驗(yàn)。炸藥在土體封閉的情況下，爆轟產(chǎn)物保持較長時(shí)間的高溫高壓狀態(tài)，能量釋放更加完全，能全面地反應(yīng)炸藥的爆炸做功能力，且此法相對鉛壔法、威力擺、圓筒實(shí)驗(yàn)及水下實(shí)驗(yàn)等方法操作步驟簡便，成本低，無需專門儀器設(shè)備，且土體材料接近實(shí)際，具有工程參考價(jià)值。炸藥土中爆炸擴(kuò)腔是一種非常實(shí)用的爆破技術(shù)，具有成本低、耗時(shí)少、效率高等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)的主要原理在于藥包爆炸時(shí)，產(chǎn)生的沖擊波和爆轟氣體將周圍土介質(zhì)極度壓縮，從而形成一個(gè)空腔。很多學(xué)者對炸藥土中爆炸發(fā)展規(guī)律、爆腔特征等進(jìn)行了相關(guān)研究[2-5]。任曉亮等[6]、趙均海等[7]應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬了炸藥土中擴(kuò)腔的過程，王海亮等[8-9]進(jìn)行了大量現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，建立了爆腔半徑計(jì)算公式。但在實(shí)際應(yīng)用中，不同的場地環(huán)境和裝藥條件等對炸藥擴(kuò)腔效果影響顯著，準(zhǔn)確獲取公式中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)存在一定困難。李小雷等[10]應(yīng)用AUTODYN軟件模擬了含鋁炸藥在混凝土中的爆炸效應(yīng)，結(jié)果表明含鋁炸藥比理想炸藥做功能力強(qiáng)，且當(dāng)鋁含量為20%時(shí)爆腔半徑最大。

本文中通過炸藥土中爆炸擴(kuò)腔的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬方法檢驗(yàn)鋁纖維炸藥的做功能力，并與工業(yè)乳化炸藥做比較，通過結(jié)果分析對鋁纖維炸藥爆腔半徑隨藥量的關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，為一些復(fù)雜環(huán)境下(小范圍地下爆破、鉆孔難度大、裝藥條件差)等類似工程提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

為表征鋁纖維炸藥土中擴(kuò)腔規(guī)律，針對不同藥量的鋁纖維炸藥進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，并與工業(yè)乳化炸藥進(jìn)行對比。鋁纖維炸藥各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：w(RDX)=76%,w(WAX)=4%,w(鋁纖維)=20%。乳化炸藥為普通工業(yè)乳化炸藥。為減少地表面稀疏波對爆腔成形帶來的影響，參考王海亮等[8-9]不同炸藥在不同土壤中爆炸擴(kuò)腔的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，炸藥埋深分別設(shè)為40、50、60和60 cm，垂直地面鉆孔，炮孔上方用細(xì)砂填塞嚴(yán)實(shí)，所有炸藥采用飛片式無起爆藥雷管引爆?？涨恍纬梢院?，將攪拌好的混凝土填入，待固化后將混凝土模型取出，可直觀地分析各個(gè)爆腔的特征，如圖1所示。測量其各項(xiàng)參數(shù)，為減小實(shí)驗(yàn)誤差，測量橫向與縱向半徑時(shí)，實(shí)驗(yàn)假設(shè)爆腔呈橢球形，設(shè)爆腔橫向尺寸為a，縱向尺寸為b，并進(jìn)行多次測量取平均值，各參數(shù)見表1所示。

圖1 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)爆腔效果圖Fig.1 Explosion cavities in experiment

表1 實(shí)驗(yàn)中爆腔特征參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of explosion cavities in experiment

2 數(shù)值模擬

圖2 計(jì)算模型 Fig.2 Calculation model

為了更加形象地觀察炸藥土中爆炸擴(kuò)腔的過程，對照現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)參數(shù)建立各個(gè)模型并進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型由土體、炸藥和空氣等3部分組成。炸藥分別采用RDX基含20%鋁纖維的混合炸藥與乳化炸藥，采用耦合裝藥，中心點(diǎn)起爆。藥柱的計(jì)算模型如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)為三維軸對稱問題，因此可只建立1/4模型，采用單層實(shí)體歐拉網(wǎng)格，多物質(zhì)ALE算法。模型底部和右側(cè)采用無反射邊界條件，其他采用固定邊界條件，求解終止時(shí)間設(shè)置為5 ms。

2.2 計(jì)算參數(shù)

2.2.1 炸藥

采用HIGH_EXPLOSIVE_BURE材料模型和JWL狀態(tài)方程進(jìn)行數(shù)值模擬[11]：

(1)

式中:p為爆轟產(chǎn)物壓力，E為單位體積炸藥的內(nèi)能，V為相對體積。鋁纖維炸藥與傳統(tǒng)含鋁炸藥水下爆炸性能相近[12]，因此鋁纖維炸藥材料參數(shù)參考傳統(tǒng)含鋁炸藥：ρ=1.65 g/cm3，D=0.78 cm/μs，pCJ=0.218 g·cm-1·μs2，A=7.52 g/(cm·μs2)，B=0.12 g/(cm·μs2)，R1=4.4，R2=1.3，ω=0.33，E=0.106 cm2/μs2。對于乳化炸藥[13]：ρ=1.19 g/cm3，D=0.45 cm/μs，pCJ=0.06 g·cm-1·μs2，A=2.144 g/(cm·μs2)，B=0.0018 g/(cm·μs2)，R1=4.2，R2=0.9，ω=0.15，E=0.042 cm2/μs2。鋁纖維炸藥分1、2、3號(hào)藥柱，模型尺寸分別為2 cm×2 cm×1.5 cm, 2 cm×2 cm×3 cm, 2 cm×2 cm×4.5 cm；乳化炸藥為4號(hào)藥柱，模型尺寸為2.4 cm×2.4 cm×4.2 cm。

2.2.2 土體

采用LS-DYNA中的MAT_SOIL_AND_FOAM材料模型，土介質(zhì)的各材料參數(shù)可見文獻(xiàn)[7]。

2.2.3 空氣

可用MAT_NULL材料模型和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程來描述空氣材料的本構(gòu)關(guān)系和狀態(tài)方程，其表達(dá)式為：

p=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E

(2)

式中：C0C6為系數(shù),E為內(nèi)能；空氣材料狀態(tài)方程各參數(shù)可見文獻(xiàn)[7]。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

炸藥中心起爆后，爆炸產(chǎn)生的高溫、高壓氣體沖擊藥包周圍土介質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)爆炸沖擊波在土介質(zhì)中傳播。在高溫、高壓氣體和沖擊波的聯(lián)合作用下，藥包周圍的土介質(zhì)發(fā)生劇烈的塑性變形，形成空腔破碎區(qū)。爆炸沖擊波波陣面隨時(shí)間向前移動(dòng)，超壓逐漸衰減；沖擊后，大量能量被消耗，爆炸氣體的壓力和溫度大大降低，在距藥包一定距離處，超壓低于土體的強(qiáng)度極限，土體保持原來的結(jié)構(gòu)形態(tài)。各個(gè)計(jì)算模型爆腔的形狀如圖3所示，數(shù)值模擬結(jié)果列于表2，設(shè)計(jì)算得到的乳化炸藥爆腔的體積為V0，爆熱為Q0，則計(jì)算出鋁纖維炸藥的爆腔體積和爆熱后即可得出相對體積V/V0和相對爆熱Q/Q0[14-15]。

圖3 計(jì)算得到的爆腔效果圖Fig.3 Explosion cavities by calculation

表2 計(jì)算得到的爆腔特征參數(shù)Table 2 Characteristic parameters of explosion cavities by calculation

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)

1號(hào)與3號(hào)藥柱爆炸形成的腔體縱向半徑略大于橫向半徑，符合集中裝藥在土中爆炸擴(kuò)腔的基本規(guī)律；2號(hào)與4號(hào)藥柱爆炸形成的腔體縱向半徑略小于橫向半徑，主要原因有地下建筑垃圾引起土壤環(huán)境復(fù)雜，對爆腔的形成產(chǎn)生一定影響。在等藥量條件下，鋁纖維炸藥相對于乳化炸藥爆腔橫向半徑增大了15.6%，縱向半徑增大了21.6%，體積增大了54.1%。

3.2 數(shù)值模擬

從圖3中可以看出，爆腔呈橢球形，主要原因有爆腔在發(fā)展過程中受到地表自由面稀疏波的影響，使得后期爆腔上表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度大于下表面質(zhì)點(diǎn)。1、2、3號(hào)藥柱爆腔半徑與體積隨藥量的增加逐漸增大，4號(hào)藥柱爆腔較小，乳化炸藥的做功能力明顯不如鋁纖維炸藥，主要原因有鋁纖維炸藥的沖擊波壓力高于乳化炸藥，且鋁纖維與爆炸產(chǎn)物的二次反應(yīng)延緩了沖擊波壓力的衰減，有利于炸藥土中爆炸做功。鋁纖維炸藥相對乳化炸藥做功能力(相對體積)與相對爆熱值接近，說明該方法評(píng)價(jià)炸藥做功能力的合理可靠性。

圖4 鋁纖維炸藥爆腔半徑與藥量關(guān)系Fig.4 Relation between the radius of explosion cavity and the weight of aluminum fiber explosive

3.3 曲線擬合

現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬均能較好地反映炸藥土中擴(kuò)腔的特征規(guī)律，由于模型參數(shù)、現(xiàn)場條件的選取，以及引爆炸藥所用的雷管相當(dāng)于1 g RDX的藥量等，這些條件都會(huì)對爆腔產(chǎn)生一定影響，所以現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)爆腔與數(shù)值模擬爆腔的實(shí)際大小有所差異。將現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，對于集中裝藥，擬合公式可根據(jù)爆炸相似理論推導(dǎo)如下[8-9]：

R=k′W1/3

(3)

式中:R為爆腔半徑，m，由于假設(shè)爆腔呈橢球形，爆腔橫向尺寸為a，縱向尺寸為b，在實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算中，用a、b代替R；W為藥柱質(zhì)量，kg。對鋁纖維炸藥爆腔橫、縱向半徑進(jìn)行線性擬合，得到經(jīng)驗(yàn)系數(shù)k′，如圖4所示。

從圖4中可以看出，數(shù)值模擬爆腔半徑曲線擬合效果較好，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中爆腔橫向半徑擬合效果不如縱向半徑擬合效果好，主要原因與地下建筑垃圾造成土壤環(huán)境復(fù)雜有關(guān)。將鋁纖維炸藥爆腔半徑擬合得到的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)k′值與乳化炸藥爆腔半徑計(jì)算得到的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)k′值列于表3。王海亮等[8-9]在研究乳化炸藥在不同土壤爆炸擴(kuò)腔規(guī)律時(shí)得到的k′約為0.24～0.65 m/kg1/3，本文中實(shí)驗(yàn)結(jié)果在其范圍之內(nèi)，因此可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)方法可靠，結(jié)果有效。

表3 不同炸藥爆腔半徑公式經(jīng)驗(yàn)系數(shù)Table 3 Empirical coefficients of the explosion cavity radius formulas for different explosives

4 工程實(shí)例

為體現(xiàn)鋁纖維炸藥爆炸擴(kuò)腔的實(shí)際效果，將其用于實(shí)驗(yàn)室水下爆炸塔糾偏工程，如圖5所示。

圖5 爆炸塔糾偏實(shí)驗(yàn)Fig.5 Rectification of explosion tower

水下爆炸塔為直徑5 m、高度5 m的圓柱形水塔，由3 cm厚度鋼板焊接而成，塔底為12個(gè)64 cm×24 cm×2 cm的矩形鋼板環(huán)繞支撐結(jié)構(gòu)。該塔在長時(shí)間用于炸藥水下爆炸性能測實(shí)后發(fā)生了一定的傾斜，東西側(cè)支撐鋼板高低相差30 cm。水塔地基多為壓實(shí)的建筑垃圾，在布置炮孔時(shí)手動(dòng)鉆孔具有較大難度，應(yīng)做到藥量、孔徑及孔深越小越好，本次選用鋁纖維炸藥，并參考炸藥縱向爆腔半徑公式計(jì)算取藥量15 g，利用現(xiàn)有模具將其壓制成圓柱形藥柱，炸藥在支撐鋼板地基土中爆炸形成一系列空腔，經(jīng)測量，腔體橫向直徑在25～33 cm范圍內(nèi)，縱向直徑在29～31 cm范圍內(nèi)。在后續(xù)的水下爆炸實(shí)驗(yàn)過程中，水下爆炸引起塔的振動(dòng)，導(dǎo)致塔在振動(dòng)與其自身重力的作用下重新將地基土壓實(shí)，爆炸塔得以糾偏。

5 結(jié) 論

(1)鋁纖維炸藥作為一種新型含鋁炸藥，其土中爆炸擴(kuò)腔能力明顯優(yōu)于工業(yè)乳化炸藥，鋁纖維與爆炸產(chǎn)物的二次反應(yīng)延緩了沖擊波壓力的衰減，顯著增強(qiáng)了炸藥對土介質(zhì)的做功能力。并且由于其成型效果好、力學(xué)強(qiáng)度高，相對于乳化炸藥降低了工程實(shí)際中裝藥難度。

(2)采用現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法均能較好地反映鋁纖維炸藥土中爆炸擴(kuò)腔的基本規(guī)律，炸藥爆腔隨藥量的增加逐漸增大，受地表自由面稀疏波影響，爆腔縱向半徑略大于橫向半徑，爆腔呈橢球形。地下建筑垃圾引起土壤環(huán)境復(fù)雜，對爆腔的發(fā)展產(chǎn)生了一定影響。

(3)鋁纖維炸藥相對乳化炸藥做功能力與相對爆熱值接近，且乳化炸藥爆腔半徑的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)k′值與文獻(xiàn)[8-9]中k′值相吻合，說明通過炸藥土中爆炸擴(kuò)腔來評(píng)價(jià)其做功能力的方法合理可靠。鋁纖維炸藥爆腔半徑隨藥量的變化關(guān)系，可為一些復(fù)雜環(huán)境下(小范圍地下爆破、鉆孔難度大、裝藥條件差)等類似工程提供參考。

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(責(zé)任編輯 王易難)

Experiment and numerical simulation of explosion cavity in soil by aluminum fiber explosive

Wan Xiaozhi, Ma Honghao, Shen Zhaowu, Chen Wei

(DepartmentofModernMechanics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230027,Anhui,China)

To evaluate the work capability of the aluminum fiber explosive, the field test of explosion cavity expansion in soil by aluminum fiber explosive was performed, and the numerical simulation analysis using the software of ANSYS/LS-DYNA was carried out for further investigation. The relationship between the radius of the explosion cavity and the explosive charge was obtained. Our results reveal that both of the two methods provide a fairly good characterization of the law of expansion during the explosion cavity process in soil of aluminum fiber explosive, and the characteristics the aluminum fiber explosive exhibit are better than those of the emulsion explosive in modelling and work ability, which offers a promising application when used in complicated environments and provides a reference for similar engineering projects.

mechanics of explosion; explosion cavity; ANSYS/LS-DYNA; aluminum fiber explosive

10.11883/1001-1455(2016)02-0236-06

2014-09-02；

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51134012,51174183)

萬曉智(1986— )，男，碩士研究生;

馬宏昊，hhma@ustc.edu.cn。

O383.1 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

A

修回日期： 2015-03-03