基于量綱分析的爆炸沖擊波效應(yīng)靶模型分析與實(shí)驗(yàn)研究

李麗萍， 孔德仁， 王　芳， 商　飛， 賈云飛

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院精儀系，南京　210094)

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基于量綱分析的爆炸沖擊波效應(yīng)靶模型分析與實(shí)驗(yàn)研究

李麗萍， 孔德仁， 王芳， 商飛， 賈云飛

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院精儀系，南京210094)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的沖擊波壓力電測(cè)法易受爆炸場(chǎng)寄生效應(yīng)干擾問題，提出基于效應(yīng)靶塑性變形的爆炸沖擊波壓力評(píng)定方法。由于效應(yīng)靶理論模型復(fù)雜、參數(shù)較多，利用量綱分析方法簡(jiǎn)化模型獲得爆炸沖擊波壓力作用的效應(yīng)靶最大撓度與炸藥TNT當(dāng)量、炸高及炸距之關(guān)系，并建立沖擊波壓力作用的效應(yīng)靶最大撓度計(jì)算模型；設(shè)計(jì)100 kg、60 kg、20 kg 三種標(biāo)準(zhǔn)TNT爆炸的立靶、平靶實(shí)驗(yàn)，用回歸分析法獲得二者經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖禂?shù)。結(jié)果表明，立靶與平靶兩種結(jié)構(gòu)效應(yīng)靶最大撓度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算結(jié)果誤差分別優(yōu)于3.59%及3.33%。該研究可指導(dǎo)戰(zhàn)斗部沖擊波壓力評(píng)估，進(jìn)而減少爆炸實(shí)驗(yàn)量。

關(guān)鍵詞：爆炸力學(xué)；效應(yīng)靶；塑性大變形；量綱分析；沖擊波壓力評(píng)定

沖擊波壓力作為云爆彈等高能毀傷武器主要?dú)猍1]對(duì)人員、軍用車輛及建筑物等毀傷取決于超壓與沖量大小。工程中主要通過電測(cè)所得爆炸沖擊波壓力曲線獲取沖擊波超壓及沖量，而火藥在爆炸、燃燒過程中伴隨較強(qiáng)高溫、機(jī)械沖擊、電磁場(chǎng)、強(qiáng)閃光等寄生效應(yīng)，使通過測(cè)試曲線讀取的沖擊波超壓及沖量存在嚴(yán)重誤差[2-3]。對(duì)此，本文提出基于塑性變形的效應(yīng)靶方法進(jìn)行爆炸場(chǎng)沖擊波壓力評(píng)定。

基于效應(yīng)靶塑性變形的沖擊波壓力評(píng)價(jià)方法據(jù)爆炸沖擊波壓力作用下效應(yīng)靶最大撓度定量評(píng)定沖擊波壓力的毀傷效能。效應(yīng)靶對(duì)爆炸場(chǎng)沖擊波壓力敏感，能反映沖擊波超壓、持時(shí)及比沖量等綜合效果，亦能有效避免寄生效應(yīng)干擾。針對(duì)特定載荷作用下效應(yīng)靶變形已有進(jìn)行仿真分析及小當(dāng)量實(shí)驗(yàn)研究。王芳等[4]用均布載荷等效爆炸沖擊波，據(jù)能量守恒原理計(jì)算理想條件下方形靶板撓度；Wright等[5]用有限元法研究復(fù)合靶板在脈沖載荷下的瞬態(tài)響應(yīng)，但未實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；Li等[6]針對(duì)復(fù)合靶板受動(dòng)態(tài)載荷損傷特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，證明使用復(fù)合靶板的可行性，但未建立靶板變形模型；張世臣等[7]分別采用有限元方法獲得靶板損傷及凹陷變形形式；呂勇等[8]利用LS-DYNA 3D軟件建立TNT爆炸沖擊波損壞天線等效靶板單元最大應(yīng)力與炸點(diǎn)位置關(guān)系曲線。然而，針對(duì)靶板在瞬態(tài)載荷下的響應(yīng)分析只限于小當(dāng)量實(shí)驗(yàn)及定性說明，有關(guān)定量計(jì)算較少，且未建立大當(dāng)量爆炸沖擊波壓力作用下效應(yīng)靶撓度的定量經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚9-11]。由于爆炸場(chǎng)影響效應(yīng)靶變形因素較復(fù)雜，且爆炸實(shí)驗(yàn)成本較高，無法對(duì)每種當(dāng)量炸藥分別進(jìn)行效應(yīng)靶實(shí)驗(yàn)，而進(jìn)行基于量綱分析的相似性研究即為解決工程問題模型化、節(jié)省實(shí)驗(yàn)量的有效方法[12-13]。

本文提出采用量綱分析方法研究爆炸沖擊波作用的效應(yīng)靶最大撓度計(jì)算模型，分析爆炸沖擊波作用下效應(yīng)靶變形響應(yīng)過程，確立效應(yīng)靶最大撓度；采用量綱分析方法獲得不同力學(xué)性能、空間幾何條件下效應(yīng)靶的最大變形撓度與爆炸當(dāng)量、炸距、炸高間經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型。通過典型的立靶、平靶兩種效應(yīng)靶在三種標(biāo)準(zhǔn)TNT爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定模型系數(shù)，并對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)與模型計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證效應(yīng)靶最大撓度模型的有效性及可靠性。

1爆炸場(chǎng)效應(yīng)靶變形量綱分析

1.1效應(yīng)靶評(píng)價(jià)爆炸沖擊波壓力原理

效應(yīng)靶在一定約束條件下具有敏感性，并在一定沖擊波壓力下會(huì)產(chǎn)生形變，通常選爆炸后效應(yīng)靶最大殘余塑性變形(即最大撓度)作為評(píng)估炸藥沖擊波壓力的特征參量。效應(yīng)靶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料來源廣泛、參數(shù)與實(shí)驗(yàn)條件易控制，能較科學(xué)、有效、經(jīng)濟(jì)的評(píng)價(jià)爆炸沖擊波壓力。

據(jù)垂直、水平安裝方式不同，將效應(yīng)靶分為立靶、平靶，立靶與水平面垂直安裝，平靶與水平面齊平安裝。效應(yīng)靶變形原理見圖1，直徑為d的效應(yīng)靶在均布?jí)毫d荷P作用下發(fā)生彎曲，最大撓度wmax發(fā)生在靶板中心，可通過wmax與爆炸參數(shù)關(guān)系模型定量評(píng)定沖擊波壓力。而影響爆炸效應(yīng)靶最大撓度因素較復(fù)雜，模型難以建立，因此提出采用量綱分析方法建立效應(yīng)靶最大撓度計(jì)算模型。

圖1　效應(yīng)靶原理示意圖Fig.1 Structure chart of reactant plate

1.2量綱分析

爆炸載荷作用的效應(yīng)靶結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)為集合爆炸載荷邊界條件、材料非線性、空間幾何條件問題，由于炸藥爆炸服從相似律，用量綱分析方法可簡(jiǎn)化分析過程?？紤]標(biāo)準(zhǔn)TNT爆炸下效應(yīng)靶變形情況，設(shè)在一定空間中安裝TNT當(dāng)量為Q的爆炸源，炸藥安裝高度(炸高)為H；在爆心及效應(yīng)靶中心垂直地面點(diǎn)距離(炸距)為R處安裝直徑為d、厚度h的周邊固支效應(yīng)靶，見圖2。因此，決定爆炸過程中效應(yīng)靶結(jié)構(gòu)響應(yīng)的主要控制參數(shù)源自：①炸藥參數(shù)，即TNT當(dāng)量Q，炸藥裝填密度ρe，單位質(zhì)量炸藥釋放能量Ee及爆炸產(chǎn)物膨脹指數(shù)γe；②空氣參數(shù)，即初始?jí)毫0，初始密度ρa(bǔ)，絕熱指數(shù)γa；③效應(yīng)靶幾何參數(shù)，即直徑d，厚度h；④效應(yīng)靶材料參數(shù)，即密度ρ，剪切模量G，屈服應(yīng)力Y；⑤空間幾何參數(shù)，即炸距R，炸高H。

圖2　效應(yīng)靶受到爆炸載荷作用的示意圖Fig.2 Sketch for the reactant plate subjected to explosion

分析中忽略重力、材料強(qiáng)化及應(yīng)變率等因素影響，則效應(yīng)靶中心最大撓度wmax與主要控制參數(shù)關(guān)系表示為

f(wmax,Q,G,ρe,Ee,γe,p0,ρa(bǔ),

γa,d,h,ρ,Y,R,H)=0

(1)

考慮仿真計(jì)算及實(shí)驗(yàn)所用炸藥種類相同、當(dāng)量不同，且爆炸發(fā)生在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓環(huán)境，即

(ρe,Ee,γe,p0,ρa(bǔ),γa)=const

(2)

則式(1)函數(shù)可簡(jiǎn)化為

f(wmax,Q,G,d,h,ρ,Y,R,H)=0

(3)

據(jù)π定理，將式(3)表示成無量綱方程形式

f(π1,π2,π3,…,πn)=0

(4)

式(4)中π1，π2，π3，…，πn各項(xiàng)符合諸相似準(zhǔn)則，且含3個(gè)基本變量、6個(gè)獨(dú)立無量綱變量。據(jù)π定理，也可將式(3)變換成無量綱組合量關(guān)系式，即

π=wmaxx1Qx2Gx3dx4hx5ρx6Yx7Rx8Hx9

(5)

式中：x1～x9分別為各物理量指數(shù)，各量綱見表1。

據(jù)量綱齊次性原則得各指數(shù)聯(lián)立方程組為

(6)

式(6)中含9個(gè)未知數(shù)，需指定6個(gè)才能獲得無量綱組合量，用x4～x9表示x1、x2、x3，有

(7)

若指定一組x4～x9，由式(7)求出x1、x2、x3，即可獲得所需6個(gè)物理量。π矩陣見表2。

表1　物理量量綱矩陣

表2　量綱分析π矩陣

(8)

式(8)為通用的效應(yīng)靶最大撓度計(jì)算模型，適用同種炸藥狀態(tài)下不同當(dāng)量條件、不同空間幾何參數(shù)及不同效應(yīng)靶材料的模型建立。

wmax=b0Qb1Rb2Hb3

(9)

由分析知，該工況沖擊波壓力作用的效應(yīng)靶撓度主要由炸藥當(dāng)量、炸距及炸高決定，通過實(shí)驗(yàn)確定式(9)中系數(shù)b0～b3即可獲得該工況的效應(yīng)靶撓度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及參數(shù)獲取

2.1效應(yīng)靶實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為獲取特定工況的效應(yīng)靶最大撓度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖禂?shù)、驗(yàn)證該模型的有效性，設(shè)計(jì)100 kg、60 kg、20 kg三種標(biāo)準(zhǔn)TNT爆炸的效應(yīng)靶實(shí)驗(yàn)。選2A12型鋁合金設(shè)計(jì)圓形效應(yīng)靶：直徑d=300 mm、厚h=2 mm。效應(yīng)靶實(shí)驗(yàn)布設(shè)見圖3，三種標(biāo)準(zhǔn)TNT試驗(yàn)炸藥炸高分別為1.915 m、1.12 m、0.543 m。采用端部垂直起爆方式，炸距見表3、表4，立靶、平靶實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置見圖4。

圖3　效應(yīng)靶布設(shè)示意圖Fig.3 Installation chart of reactant plate

圖4　效應(yīng)靶安裝圖Fig.4 Installation chart of reactant plate

由于炸距遠(yuǎn)大于效應(yīng)靶直徑，因此分析時(shí)假設(shè)爆炸載荷均勻作用于立靶、平靶的整個(gè)靶面。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)后通過深度尺測(cè)量效應(yīng)靶最大撓度，三種標(biāo)準(zhǔn)TNT共得14組有效數(shù)據(jù)，見表3、表4。其中100 kg標(biāo)準(zhǔn)TNT爆炸后12 m處立靶(工況2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。由圖5看出，效應(yīng)靶中心區(qū)域變形較明顯，取最大變形值作為效應(yīng)靶有效最大撓度。

表3　立靶撓度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

表4　平靶撓度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

圖5　100 kg標(biāo)準(zhǔn)TNT實(shí)驗(yàn)后12 m處立靶變形圖Fig.5 Installation chart of reactant plate on 100 kg standard TNT explosion at a distance of 12 m

對(duì)表3、表4中炸藥TNT當(dāng)量、炸距、炸高及所測(cè)效應(yīng)靶最大撓度值，用多元線性回歸方法獲得式(9)中b0、b1、b2、b34個(gè)系數(shù)，并建立該工況的立靶、平靶最大撓度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?/p>

(10)

式中：wmax立靶，Q1，R1，H1為立靶實(shí)驗(yàn)中效應(yīng)靶最大撓度、炸藥TNT當(dāng)量、炸距及炸高；wmax平靶，Q2，R2，H2為平靶實(shí)驗(yàn)中效應(yīng)靶最大撓度、炸藥TNT當(dāng)量、炸距及炸高。

由式(10)看出，隨炸藥當(dāng)量增加效應(yīng)靶撓度不斷增大；隨炸距、炸高增加效應(yīng)靶撓度減小，與理論分析結(jié)果一致。

表3為立靶實(shí)驗(yàn)最大撓度值及模型計(jì)算撓度值對(duì)比，可見立靶最大撓度隨TNT當(dāng)量增加而增加，隨爆心距、炸高增加而減小。二者相對(duì)誤差在3.59%之內(nèi)，說明所建立靶模型可取，可用于對(duì)爆炸沖擊波壓力進(jìn)行定量評(píng)定。

表4為平靶實(shí)驗(yàn)最大撓度值及模型計(jì)算撓度值對(duì)比。由測(cè)試結(jié)果看出，平靶最大撓度隨TNT當(dāng)量增加而增加，隨爆心距、炸高增加而減小。二者相對(duì)誤差在3.33%之內(nèi)，說明模型可靠，可用于爆炸場(chǎng)沖擊波壓力的定量評(píng)定。

需要說明的是，由于獲取式(10)中系數(shù)的實(shí)驗(yàn)樣本有限，因此目前認(rèn)為其僅用于2A12型鋁合金材料圓形效應(yīng)靶的標(biāo)準(zhǔn)TNT端部垂直起爆實(shí)驗(yàn)，效應(yīng)靶安裝于平坦地面。其它類型爆炸條件及效應(yīng)靶材料最大撓度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ托柽M(jìn)一步驗(yàn)證。

3結(jié)論

(1)提出采用效應(yīng)靶最大撓度評(píng)價(jià)爆炸場(chǎng)沖擊波壓力?；趯?duì)影響效應(yīng)靶變形的各因素分析，通過量綱分析方法并考慮炸藥量、炸距、炸高對(duì)效應(yīng)靶撓度影響建立標(biāo)準(zhǔn)TNT爆炸的效應(yīng)靶最大撓度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用三種標(biāo)準(zhǔn)TNT爆炸效應(yīng)靶實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定該工況的模型系數(shù)，效應(yīng)靶實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果吻合較好。

(2)所建模型不僅對(duì)效應(yīng)靶用于評(píng)價(jià)爆炸沖擊波壓力提供理論支撐，也為戰(zhàn)斗部毀傷能效評(píng)估提供新思路。未來研究可針對(duì)特殊戰(zhàn)斗部爆炸的效應(yīng)靶變形進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、仿真計(jì)算，使基于效應(yīng)靶的爆炸場(chǎng)沖擊波壓力評(píng)估體系更全面、更準(zhǔn)確。

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Modeling of reactant plate subjected to explosion shock wave based on dimensional analysis and its experiment verification

LILi-ping,KONGDe-ren,WANGFang,SHANGFei,JIAYun-fei

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:In order to eliminate the interference in traditional electric measurement of shock wave pressure, a method to evaluate the shock wave pressure based on reactant plate plastic deformation was proposed. Considering the complexity of the theoretical reactant plate model with multiple parameters, the dimensional analysis was introduced to simplify the model, by which the relations between the deformation of reactant plate and TNT equivalent, mounting height and explosion distance wave obtained. Then, a calculation model of reactant plate deformation under standard TNT explosive shock wave was established. Three groups of experiments were designed to measure the reactant plate deformation under explosion shock wave of three TNT equivalents of 100 kg, 60 kg and 20 kg. A regression analysis method was applied to calculate the coefficients of the empirical models for vertical and horizontal reactant plates. Through comparison of the deformations by experiments empirical models, the errors of vertical reactant plate are less than 3.59% and 3.33% respectively. The analysis provides new ideas for shock wave damage effectiveness assessment and can greatly reduce the amount of explosive experiments.

Key words:explosion mechanics; reactant plate; large plastic deformation; dimensional analysis; shock wave damage effectiveness assessment

中圖分類號(hào):O383

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.06.018

通信作者孔德仁 男，教授，博士生導(dǎo)師，1964年生

收稿日期：2015-01-16修改稿收到日期：2015-04-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(11372143)；國(guó)防計(jì)量(J092013B003)

第一作者 李麗萍 女，博士生，1987年生