彈藥洞庫(kù)內(nèi)部防殉爆隔爆設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

蔡軍鋒

(中國(guó)人民解放軍軍械工程學(xué)院 彈藥工程系，石家莊　050003)

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【裝備理論與裝備技術(shù)】

彈藥洞庫(kù)內(nèi)部防殉爆隔爆設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

蔡軍鋒

(中國(guó)人民解放軍軍械工程學(xué)院 彈藥工程系，石家莊050003)

基于我軍現(xiàn)有彈藥洞庫(kù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以某典型彈藥洞庫(kù)為原型，對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行了防殉爆隔爆防護(hù)設(shè)計(jì)，并運(yùn)用數(shù)值計(jì)算分析了隔爆防護(hù)的隔爆效能。研究表明，所采用復(fù)合隔爆裝置可以使彈藥堆垛上所遭受的峰值壓力、振動(dòng)速度和最大加速度都得到極大降低；在彈藥洞庫(kù)內(nèi)部實(shí)施防殉爆隔爆設(shè)計(jì)，可以極大地衰減爆炸沖擊波峰值壓力，減小沖擊波對(duì)彈藥垛的毀傷作用，降低彈藥洞庫(kù)內(nèi)貯存彈藥的殉爆概率，防止庫(kù)存彈藥發(fā)生整體殉爆，最大限度地減小發(fā)生爆炸時(shí)的損失。

彈藥洞庫(kù)；爆炸沖擊波；隔爆；數(shù)值模擬

彈藥洞庫(kù)是我軍彈藥儲(chǔ)存與供應(yīng)的主體場(chǎng)所，具有重要的戰(zhàn)略軍事價(jià)值。隨著精確制導(dǎo)武器的命中精度和深鉆地武器系統(tǒng)的打擊強(qiáng)度不斷提高，彈藥洞庫(kù)的生存能力面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。彈藥洞庫(kù)一旦遭敵鉆地彈藥侵入內(nèi)部爆炸，庫(kù)存彈藥將極易可能引發(fā)連鎖殉爆，造成難以估量的重大損失。為了有效提高諸如洞庫(kù)等地下坑道的防護(hù)能力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用理論分析、爆炸試驗(yàn)與數(shù)值模擬等方法開(kāi)展了大量研究，取得了一系列研究成果[1-4]。本文在對(duì)彈藥洞庫(kù)內(nèi)爆毀傷特性數(shù)值分析的基礎(chǔ)上[5]，基于我軍彈藥洞庫(kù)的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，以某典型彈藥洞庫(kù)為原型，對(duì)彈藥洞庫(kù)內(nèi)部進(jìn)行了防殉爆隔爆設(shè)計(jì)，并運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法分析了隔爆防護(hù)的隔爆效能，為我軍彈藥洞庫(kù)的防護(hù)升級(jí)改造提供技術(shù)支持。

1　彈藥洞庫(kù)內(nèi)部防殉爆隔爆設(shè)計(jì)

1.1防殉爆設(shè)計(jì)要求與原則

與地上環(huán)境相比，洞庫(kù)的內(nèi)部環(huán)境是一個(gè)相對(duì)封閉的系統(tǒng)，有明顯的“封閉效應(yīng)”。洞庫(kù)內(nèi)部爆炸產(chǎn)生的爆炸沖擊波在結(jié)構(gòu)表面不斷反射，致使結(jié)構(gòu)承受的超壓明顯提高，作用時(shí)間也大為延長(zhǎng)，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部設(shè)施造成更為嚴(yán)重的破壞。

就洞庫(kù)內(nèi)部防殉爆設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，其基本要求與原則主要考慮3個(gè)方面：一是所設(shè)計(jì)的防殉爆結(jié)構(gòu)應(yīng)有很強(qiáng)的沖擊波吸收性能，以自身結(jié)構(gòu)吸收沖擊波，避免沖擊波在結(jié)構(gòu)表面發(fā)生嚴(yán)重的反射，對(duì)洞庫(kù)結(jié)構(gòu)造成更大的破壞。二是整個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度，能夠承受爆炸沖擊波的沖擊，避免在爆炸沖擊波的作用下產(chǎn)生飛散。三在進(jìn)行防殉爆改造時(shí)，隔爆結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置簡(jiǎn)便，工程實(shí)施方便可行，對(duì)洞庫(kù)環(huán)境影響較小。

1.2隔爆裝置

基于以上3方面防殉爆設(shè)計(jì)要求，本文將多孔材料與密實(shí)材料相結(jié)合，設(shè)計(jì)了適用于洞庫(kù)內(nèi)部防殉爆的隔爆裝置。

隔爆裝置采用復(fù)合隔爆結(jié)構(gòu)，其示意圖如圖1。復(fù)合隔爆結(jié)構(gòu)中心位置是一層支撐鋼板，將支撐鋼板通過(guò)支架固定到地面上，在防護(hù)結(jié)構(gòu)中起支撐作用，防止整個(gè)隔爆裝置在爆炸沖擊波的作用下飛散，同時(shí)支撐鋼板還可以衰減爆炸沖擊波，降低沖擊波峰值壓力，阻隔破片。支撐鋼板兩側(cè)是泡沫鋁材料，泡沫鋁具有優(yōu)異的吸能特性，在爆炸沖擊波的作用下被壓縮致密，在此過(guò)程中能夠吸收大量爆炸沖擊波能量，降低沖擊波峰值壓力。隔爆結(jié)構(gòu)的最外層是課題組研發(fā)的專利產(chǎn)品—復(fù)合隔爆模塊[6]，該產(chǎn)品具有質(zhì)量輕、衰減爆炸沖擊波能力強(qiáng)等特點(diǎn)，并且安裝簡(jiǎn)便，其在防護(hù)結(jié)構(gòu)中通過(guò)材料的變形飛散降低沖擊載荷的強(qiáng)度和吸收爆炸沖擊波的能量[7-8]。

圖1　隔爆裝置示意圖

整個(gè)隔爆裝置可以用“剛?cè)岵?jì)”來(lái)形容其隔爆能力，在隔爆裝置的作用下，沖擊波峰值壓力會(huì)得到極大降低，減小對(duì)后面防護(hù)目標(biāo)的毀傷。

1.3防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

就目前我軍的彈藥洞庫(kù)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，一旦攻擊武器侵入彈藥洞庫(kù)發(fā)生爆炸，爆炸沖擊波就會(huì)沿洞庫(kù)傳播，彈藥垛發(fā)生殉爆，重則引發(fā)整個(gè)洞庫(kù)儲(chǔ)存彈藥發(fā)生整體起爆，對(duì)周圍數(shù)百里環(huán)境造成破壞，后果不堪想象。因此，彈藥洞庫(kù)防殉爆設(shè)計(jì)基本構(gòu)想是采用隔爆結(jié)構(gòu)，將洞庫(kù)內(nèi)部隔離成相對(duì)獨(dú)立的彈藥儲(chǔ)存單元，鉆地武器侵入某一單元發(fā)生爆炸，由于隔爆裝置的防護(hù)作用，相臨儲(chǔ)存單元彈藥不會(huì)發(fā)生殉爆，以此最大限度增加庫(kù)存彈藥戰(zhàn)時(shí)安全。

如圖2所示，以某典型洞庫(kù)為例，洞庫(kù)長(zhǎng)約120m，截面寬度為6.0m，側(cè)墻高2.4m，拱高1.6m，根據(jù)洞庫(kù)尺寸，隔爆裝置尺寸寬×高為4.5m×3.0m。隔爆裝置中支撐鋼板厚度為20mm的結(jié)構(gòu)鋼，復(fù)合隔爆模塊分多層安裝固定在鋼板外側(cè)，厚度為500mm。采用5個(gè)隔爆裝置，將洞庫(kù)分成4個(gè)彈藥儲(chǔ)存單元。

圖2　某彈藥洞庫(kù)隔爆防護(hù)設(shè)計(jì)示意圖

2　彈藥洞庫(kù)內(nèi)部隔爆防護(hù)數(shù)值模擬

2.1計(jì)算方法

本研究采用AUTODYN軟件計(jì)算，在AUTODYN算法選擇上，采用多物質(zhì)EulerGodunov與流固耦合算法。其中洞庫(kù)壁與彈藥垛采用Lagrange單元，將整個(gè)洞庫(kù)模型覆蓋空氣，空氣與炸藥采用EulerGodunov單元，空氣與洞庫(kù)壁和彈藥垛之間的耦合方式采用完全耦合(FullyCoupled)，并且在歐拉-FCT子循環(huán)(EulerFCTsubcycling)選項(xiàng)中選擇使用歐拉子循環(huán)。在洞庫(kù)壁與彈藥垛之間進(jìn)行Lagrange/Lagrange耦合，在耦合類型上選用外部間隙(ExternalGap)耦合方式。計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)采用AUTODYN缺省設(shè)置。

2.2計(jì)算模型建立

在模型構(gòu)建上，選取彈藥洞庫(kù)口部以內(nèi)30.0m進(jìn)行建模，彈藥垛前端面距離洞口為20.0m，彈藥垛側(cè)面端距離洞庫(kù)側(cè)墻距離為1.0m。設(shè)定爆源距離洞庫(kù)口部為6.0m。將隔爆裝置固定在距洞庫(kù)口部12m處，距離爆炸點(diǎn)為6m。為了提高計(jì)算效率，在建模時(shí)略去隔爆裝置的底部支撐與三角支撐鋼板，假定所設(shè)置的復(fù)合隔爆裝置支撐鋼板在隔爆防護(hù)過(guò)程中不發(fā)生大的移動(dòng)。在模型邊界的處理上，空氣單元非對(duì)稱面采用flow_out邊界類型，對(duì)稱面采用對(duì)稱邊界類型；洞庫(kù)壁非對(duì)稱面采用Transmit邊界，對(duì)稱面采用對(duì)稱邊界類型；彈藥垛與地面接觸面定義Ground邊界，定義此面z方向速度為零。最終隔爆裝置結(jié)構(gòu)組成及安放位置如圖3所示。

在材料模型上，炸藥的爆轟產(chǎn)物采用JWL狀態(tài)方程，空氣簡(jiǎn)化為非黏性理想氣體，采用理想氣體狀態(tài)方程[9]； 硐室圍巖材料采用Riedel-Hiermaier-Thoma(RHT)模型[9-11]；由于復(fù)合隔爆裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，沒(méi)有相應(yīng)的材料模型，本研究在數(shù)值計(jì)算中將隔爆裝置復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，應(yīng)用AUTODYN中層狀復(fù)合材料定義，將聚氨酯泡沫材料、泡沫鋁材料以及結(jié)構(gòu)鋼材簡(jiǎn)化為AUTODYN中的“GROUP”來(lái)處理[9]。

圖3　隔爆防護(hù)計(jì)算模型

2.3數(shù)值計(jì)算結(jié)果

洞庫(kù)內(nèi)部隔爆的主要目的是防止彈藥洞庫(kù)發(fā)生內(nèi)爆的情況下彈藥垛產(chǎn)生殉爆，防止連鎖殉爆的發(fā)生，最大限度地減小損失。因此，在隔爆防護(hù)數(shù)值計(jì)算中，主要關(guān)注彈藥垛附近空氣峰值壓力以及分布情況和彈藥垛的振動(dòng)速度，加速度的大小。在計(jì)算結(jié)果分析中，取距洞庫(kù)口部19m、21m、23m、25m、27m5個(gè)截面，在每個(gè)截面上取256個(gè)測(cè)點(diǎn)，計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)所在位置的壓力峰值，從而研究不同平面沖擊波的峰值壓力分布規(guī)律。同時(shí)，在彈藥垛內(nèi)部中心位置取測(cè)點(diǎn)A，考察測(cè)點(diǎn)位置速度、加速度情況。所取觀測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示。

2.3.1彈藥垛周圍空氣峰值壓力分析

如表1所示為無(wú)隔爆與有隔爆兩種情況下所選取的不同截面中爆炸沖擊波的最高峰值壓力與平均峰值壓力。從表1可以看出，在有隔爆情況下，所選截面測(cè)點(diǎn)最高峰值壓力是無(wú)隔爆情況下最高峰值壓力的33.8%-39.8%；隔爆情況下所選截面所有測(cè)點(diǎn)的平均峰值壓力是無(wú)隔爆情況下平均壓力的34.4%-39.6%。因此，在進(jìn)行隔爆情況下，彈藥垛發(fā)生殉爆的幾率大大降低。

2.3.2彈藥垛損傷分析

如表2所示為無(wú)隔爆與有隔爆兩種情況下測(cè)點(diǎn)A的最大振動(dòng)速度、加速度對(duì)比數(shù)據(jù)。對(duì)比有無(wú)隔爆條件下所選測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度里程曲線，發(fā)現(xiàn)最大振動(dòng)速度和最大振動(dòng)加速度有所滯后[5]，并且隔爆情況下所取測(cè)點(diǎn)的最大振動(dòng)速度是無(wú)隔爆時(shí)的24.5%～46.2%，隔爆最大加速度是無(wú)隔爆時(shí)的48.9%～72%。

圖4　測(cè)點(diǎn)位置示意圖

測(cè)點(diǎn)所在截面無(wú)隔爆數(shù)值模擬平均峰值壓力/kPa最高峰值壓力/kPa有隔爆數(shù)值模擬平均峰值壓力/kPa最高峰值壓力/kPaP有隔爆/P無(wú)隔爆平均壓力/%最高壓力/%19m957.591468.63329.32521.1234.435.521m729.021450.43267.89576.9536.739.823m632.211192.32240.02349.9837.929.425m578.89828.69229.51302.3739.636.427m469.48752.98184.68255.3439.433.8

表2　有無(wú)隔爆情況下測(cè)點(diǎn)A的速度、加速度極值對(duì)比

3　結(jié)論

基于我軍現(xiàn)有彈藥洞庫(kù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)彈藥洞庫(kù)內(nèi)部隔爆防護(hù)進(jìn)行了初步工程設(shè)計(jì)，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算的方法，對(duì)有隔爆防護(hù)情況下洞庫(kù)內(nèi)爆進(jìn)行了研究。研究表明，在有隔爆情況下，彈藥堆垛上所遭受的峰值壓力、振動(dòng)速度和最大加速度都得到極大降低，采用復(fù)合隔爆裝置應(yīng)用于彈藥洞庫(kù)內(nèi)爆防護(hù)，可以極大地衰減爆炸沖擊波峰值壓力，減小沖擊波對(duì)彈藥垛的毀傷作用，降低彈藥洞庫(kù)內(nèi)貯存彈藥的殉爆概率，防止庫(kù)存彈藥發(fā)生整體殉爆，最大限度地減小發(fā)生爆炸時(shí)的損失。

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(責(zé)任編輯周江川)

StudyofAnti-SympatheticDetonationDesignandNumericalSimulationinAmmunitionCavityDepot

CAIJun-feng

(DepartmentofAmmunitionEngineering,OrdnanceEngineeringCollegeofPLA,Shijiazhuang050003,China)

Basedonstructurecharacteristicsofourarmyammunitioncavitydepotandtakingthetypicalammunitioncavitydepotastheprototype,theanti-sympatheticdetonationexplosionprotectiondesignwasstudiedandtheexplosioneffectofexplosion-proofisolationwasanalyzedbynumericalcalculation.Theresearchshowsthattheanti-sympatheticdetonationcompoundisolationdevicecanmakethepeakpressure,vibrationvelocityandaccelerationoftheammunitionstoragebegreatlyreduced.Theexplosionproofdesigninammunitioncavitydepotcangreatlydecreasethepeakpressureofshockwaveandreducetheammunitionstackdamage,anddecreasesympatheticdetonationprobabilityofstorageammunitionandpreventtheentiretysympatheticdetonationinammunitioncavitydepotandminimizethelosswhentheexplosionoccurred.

ammunitioncavitydepot;shockwave;explosion-proof;numericalsimulation

2016-04-24；

2016-05-15

蔡軍鋒(1979—)，男，主要從事裝備運(yùn)用環(huán)境與防護(hù)技術(shù)方面的研究。

10.11809/scbgxb2016.09.016

format:CAIJun-feng.StudyofAnti-SympatheticDetonationDesignandNumericalSimulationinAmmunitionCavityDepot[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(9):67-70.

O383.2

A

2096-2304(2016)09-0067-04

本文引用格式：蔡軍鋒.彈藥洞庫(kù)內(nèi)部防殉爆隔爆設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(9):67-70.