基于數(shù)值模擬的雙層防爆墻抗爆效果研究

秦世英，陳文靜

（中國人民公安大學信息技術與網(wǎng)絡安全學院，北京102600）

0 引言

大量的研究和實驗結果表明，在被保護建筑前設立防爆墻可以有效降低被保護建筑受到的爆炸載荷，并且可以阻擋爆炸碎片，從而降低建筑破壞程度和減少人員傷亡。相比于與建筑物自身抗爆加固，防爆墻構建費用低，設置速度快且防護效果明顯，是應對爆炸性恐怖襲擊的一種重要防護措施。

目前。國內(nèi)外學者對防爆墻的性能及墻后超壓做了大量研究。Rose T A[1]等人研究了不同材料防爆墻對爆炸沖擊波的削弱作用，發(fā)現(xiàn)非永久性的防爆墻結構也可以起到很好的消波作用；張耀[2]等人對水體防爆墻與混凝土防爆墻的消波作用研究后發(fā)現(xiàn)兩種防爆墻設置合理的情況下，消波作用基本相同；年鑫哲[3]等人對柔性防爆墻研究發(fā)現(xiàn)，當柔性防爆墻具備一定厚度后，墻后透射壓力很小，繞射壓力接近于剛性防爆墻。X Q Zhou[4]進行了800 多次數(shù)值模擬，在防爆墻墻體厚度保持不變的情況下，結合墻高、爆距等超壓影響因素推導出了墻后建筑物的超壓及沖量的偽公式；張志剛[5]在研究快速拼裝防爆墻消波性能時，推導出了小當量炸藥墻后超壓計算的擬合公式。本文將結合所在境外中資企業(yè)機構安全防范系統(tǒng)建設的研究課題，使用LS DYNA 軟件對擬設計的雙層防爆墻下爆炸進行數(shù)值模擬，分析雙層防爆墻的抗爆效果。

1 實驗模型

1.1 實驗相關說明

實驗使用的TNT 當量按照美國聯(lián)邦應急管理局第426 號文件FEMA426[6]的建議取為1800kg（接近于小貨車汽車炸彈）與40kg（接近于大型箱包炸彈），第一組1800kg 的實驗在第一堵防爆墻外2m，爆高1m 處進行，第二組40kg 在第一堵防爆墻后1m，爆高0m 處進行，防爆墻均選擇為高3m，厚0.5m 并設為無限寬度。需要指出的是，兩組實驗的當量及布置，旨在模擬汽車炸彈以及人力輸送炸藥投擲過第一堵防爆墻爆炸的情況，貼合設計意圖。

研究表明[1]，墻體的破壞、倒塌與否并不影響其消波性能，只與其慣性有關，因為沖擊波傳播速度要遠大于墻體形變、倒塌的速度。并且只要慣性夠大，不同材料的防爆墻都可以取得較好的消波效果。因此將實驗用防爆墻設為剛體。實際上，墻體的破壞將會產(chǎn)生殺傷力較大的碎片，但這里并不考慮該方面影響，只考慮沖擊波的傳播情況。

1.2 實驗建模

整體有限元模型采用等間距分網(wǎng)的網(wǎng)格劃分方式，網(wǎng)格大小取250mm，最終單元個數(shù)為668093 個。模型由剛體、空氣及炸藥三部分組成，地面與防爆墻均設為剛體，其余為理想空氣域，在自由邊界面處添加非反射邊界條件，在剛性地面區(qū)域添加完全反射邊界條件，如圖1 所示。在模型中：

（1）炸藥通過LS-DYNA 提供的炸藥材料模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 結合JWL 狀態(tài)方程來描述，JWL 狀態(tài)方程的P-V 關系如下：

所使用的TNT 炸藥在g-cm-μs 單位制中，其參數(shù)分別為：密度為R0=1.654 g/cm3爆速為D=0.690 cm/μs；Champan-jouget 壓力為PCJ=0.255×1011Pa；A=5.4094;B=0.093726；R1=4.5;R2=1.1;ω=0.35。

（2）空氣材料模型使用*MAT_NULL（MAT9）材料模型結合多線性狀態(tài)方程*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL 來描述。

圖1 有限元模型及防爆墻放置示意圖

1.3 模型驗證

模型的驗證主要是將實驗結果與經(jīng)驗公式進行比較，為進行實驗數(shù)據(jù)擬合，將網(wǎng)格大小設為250mm，取同等模型下不設立防爆墻的近地爆炸模擬數(shù)據(jù)進行擬合，印證模型可用性，考慮到經(jīng)驗公式的適用范圍，同時使用Henerych J 與國防工程經(jīng)驗公式進行數(shù)據(jù)擬合，兩個公式如下[7]：

圖2 1800kg及40kg數(shù)值擬合結果

可以看出，1800kg 數(shù)據(jù)擬合分為兩個階段：

在Henerych J 經(jīng)驗公式適用階段（約12m 內(nèi)），監(jiān)測點的超壓明顯大于Henerych J 經(jīng)驗公式結果，這與模型將空氣假設為理想狀態(tài)有關。隨后由于網(wǎng)格大小的問題，導致沒有精確捕捉到該位置的超壓變化。但在大約5m 處捕捉到了近地爆炸時沖擊波與地面發(fā)射后產(chǎn)生的馬赫波。

國防工程經(jīng)驗公式適用距離（約12m 外），實驗結果與經(jīng)驗公式呈現(xiàn)出較好的擬合情況，與這一公式的差壓程度顯然證明了模型在中遠距離測量超壓的可用性。另外，X Q Zhou 使用網(wǎng)格大小采用250mm 劃分方法與TM5-1300 經(jīng)驗公式的超壓到達時間基本一致，也說明了網(wǎng)格劃分的合理性。

40kg 的模擬結果雖然呈現(xiàn)出了較好的契合度，但由于網(wǎng)格大小的問題，數(shù)據(jù)結果并不夠精確，因為第一堵防爆墻的反射加強效應，測點的超壓值應高于經(jīng)驗式，但對于評估其防爆效果而言，仍具有可用性。

圖3 測點超壓變化

1.41800 kg 下單層與雙層防爆墻防爆結果分析

（1）單層結果分析

實驗的結果如圖所示，爆炸的過程主要以下幾個明顯的階段：第一階段，沖擊波在接觸到防爆墻后發(fā)生反射，反射壓力增加，局部形成高壓區(qū)；第二階段，沖擊波與防爆墻作用產(chǎn)生繞射效應，沖擊波迅速繞過防爆墻到達防爆墻背面底部，又一次出現(xiàn)局部高壓區(qū)；第三階段，繞射波經(jīng)地面反射后繼續(xù)向前傳播，與其他方向的沖擊波合流形成馬赫波。在整個過程中，沖擊波壓力分布持續(xù)受防爆墻的擾動作用。

圖4 單層防爆墻效果展示

（2）單層防爆墻超壓分布

實際上，由于模型網(wǎng)格尺寸的關系，無法做到精確取點（無法精確到m），不能直接用經(jīng)驗公式來做模型的參照。因此選擇驗證模型時建立的參照模型進行比對。在防爆墻后每隔1m，分別取離地高度為0、1、2、3、4、5、6 米處兩個模型對應點的超壓進行記錄并分析得到結果如圖5。

圖5 單層防爆墻不同高度超壓分布情況

從圖5 可以明顯看出，防爆墻的消波作用在10 米左右內(nèi)是最好的。并且所有高度測點的超壓分布并且在后續(xù)傳播時都出現(xiàn)了一個小波峰，是由于繞射波經(jīng)過防爆墻后，與地面形成的馬赫波。

（3）消波能力評估

圖6 單層防爆墻消波性能評估

（4）雙層防爆墻防爆效果分析

在第二道防爆墻后進行測點，分別取0、1、2、3m 的點與只有一層防爆墻的點進行比對，得到結果如圖7。

圖7 雙層防爆墻與單層防爆墻性能對比

可以看出，第二堵防爆墻對也對沖擊波起到了消波作用，在高度為2m 與3m 時測點的消波程度要大于高度0m 和3m 的測點。實際上，這樣的消波作用，對于整體爆炸結果來看，是微乎其微的。因為大量實驗表明，隨著爆源與防爆墻距離的增加，防爆墻的防護效果將會變差，并且這組實驗也是在第一堵防爆墻已經(jīng)改變了沖擊波流場形狀的前提下進行。因此防爆效果并不理想。

1.540 kg 下雙層防爆墻抗爆效果分析

實驗結果表明，在面對40kg 炸藥在第一堵防爆墻后爆炸時，第二堵防爆墻對沖擊波的傳播起到了較好的阻擋作用，如圖8 所示。

圖8 雙層防爆墻效果展示

另外，與經(jīng)驗公式進行比對后也發(fā)現(xiàn)，第二堵防爆墻在面對40kg 炸藥爆炸時起到了較好的防護效果，墻后測點的超壓峰值明顯下降。

圖9 雙層防爆墻消波能力對比

2 結語

本文對雙層防爆墻的消波性能進行了探討，結論主要有：

（1）隨著高度的增加（大于防爆墻墻體高度（3m），消波能力逐漸下降，低于防爆墻高度的點受防爆墻的保護作用較好，高于防爆墻的消波作用較差。

（2）第二堵防爆墻的也具有一定的消波作用但對整體影響并不明顯。但對40kg 炸藥具有一定防護效果。

從整個實驗來看，雙層防爆墻的消波作用與單層防爆墻的效果幾乎相同，但并不意味著它的效果并不好，因為本文的研究是在假設防爆墻為剛體的情況下進行實驗，但實際情況下，近距離的爆炸將會造成防爆墻的破壞，形成爆炸碎片，因此第二堵防爆墻抵抗碎片的作用將體現(xiàn)出來，這也是下一階段的研究目標。