數(shù)值模擬在港口安全評價中的應(yīng)用

顧國強 黃文棟 楊偉明 孫華文 彭修乾

摘要：本文利用數(shù)值模擬手段對油罐車爆炸引起的儲油罐破裂隱患進(jìn)行研究，通過有限元軟件LS-DYNA，采用目前比較通用的炸藥模型參數(shù)和計算方法，對空氣中TNT爆炸沖擊波傳播進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析典型場景的爆炸影響范圍和油罐車集中停放數(shù)量限值，為油罐車停車場的布置和停放提供可量化的建議，提高了油罐車停車場的設(shè)計科學(xué)性。研究表明在實際行車布置中應(yīng)重點避免超過十倍特別是二十倍以上單體油罐車的集中爆炸，控制車輛的行駛間距，減少多輛隱患車同時存在一個區(qū)域的可能性，并盡量避免具有重大爆炸隱患的車輛停放在儲油罐臨近位置。

Abstract： This paper uses numerical simulation to study the hidden danger of oil tank rupture caused by oil tanker explosion. Through the finite element software LS-DYNA， the current common explosive model parameters and calculation methods are used to carry out TNT explosion shock wave propagation in air. The numerical simulation is carried out to analyze the explosion impact range of typical scenes and the limit number of tank trucks parked， which provides quantifiable suggestions for the layout and parking of tanker parking lots， and improves the scientific design of tanker parking lot. Studies have shown that in the actual driving arrangement， it is important to avoid more than ten times， especially more than twenty times， of concentrated explosion of single tanker trucks， control the driving distance of vehicles， reduce the possibility of multiple vehicles in one area at the same time， and try to avoid Vehicles with major explosion hazards are parked in close proximity to the storage tank.

關(guān)鍵詞：爆炸;仿真分析;數(shù)值模擬

Key words： explosion;simulation analysis;numerical simulation

中圖分類號：O643.2+21? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）25-0285-04

0? 引言

由于爆炸破壞本身的特點，一旦引發(fā)爆炸將會造成人員和物體的重大傷害。國內(nèi)外對于爆炸造成的人員傷害、工程破壞和安全防護(hù)方面都進(jìn)行了相關(guān)的探索[1]。

在人員傷害方面，主要是兩個方面：一方面，統(tǒng)計分析爆炸事故中的人員傷亡數(shù)據(jù);另一方面，利用動物實驗來等效確定人員傷害。大致研究方向為人員傷害的沖擊波壓強閾值和人員安全距離分級[3]等方面。

在結(jié)構(gòu)破壞方面，一方面利用爆炸實驗進(jìn)行有限數(shù)據(jù)的測試，另一方面，針對爆炸實驗條件控制復(fù)雜、影響參數(shù)眾多等缺點，通過理論分析、有限元、光滑粒子等計算方法來分析爆炸對工程結(jié)構(gòu)的影響。

我國在爆炸對人員傷害和工程結(jié)構(gòu)影響方面，主要以人防結(jié)構(gòu)為研究對象，分析遭受武器打擊時的人員傷害和結(jié)構(gòu)安全抗爆能力，但少有普通民用建筑方面的研究，因此進(jìn)行民用建筑內(nèi)的人員安全和結(jié)構(gòu)防爆性能分析具有重大的意義。近年來隨著爆炸事故的增多和安全生產(chǎn)意識的增強，國內(nèi)相關(guān)機構(gòu)增加了此方面的技術(shù)研究投入，但是距離實際應(yīng)用仍用不足。

目前的不足主要是以下方面：一是分析過于簡化，當(dāng)量較小，參數(shù)變量較少，無法準(zhǔn)確分析復(fù)雜因素下的爆炸影響;另一方面，受限于分析計算處理設(shè)備，大范圍的數(shù)值模擬工具無法應(yīng)用，因而無法開展城市或者大區(qū)域級別的爆炸分析。

本文通過理論經(jīng)驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，針對油罐車爆炸對既有儲油罐體的影響距離進(jìn)行分析，為油罐車行車路徑和停車位置的爆炸影響進(jìn)行量化分析，以期能夠減小油罐車爆炸對周邊目標(biāo)物的影響。

1? 港口安全問題研究

港口的安全問題一直是港口企業(yè)管理的重要的內(nèi)容，隨著安全形勢日益嚴(yán)峻，有必要在原來人工經(jīng)驗管理的基礎(chǔ)上采用更加科學(xué)的手段量化分析各種危險源的影響，為科學(xué)決策提供參考。

本文利用數(shù)值模擬手段對油罐車爆炸引起的儲油罐破裂隱患進(jìn)行研究，分析典型場景的爆炸影響范圍和油罐車集中停放數(shù)量限值，為油罐車停車場的布置和停放位置提供可量化的建議。

主要的分析工況有：

①單輛槽車不同位置爆炸影響范圍確定，計算停車場區(qū)域內(nèi)1、2、3、4四個點位的“單體”爆炸影響范圍。

②同一爆炸點多輛槽車影響范圍計算，計算停車場區(qū)域5點位，分別具有十、二十、三十個“單體”的爆炸影響范圍。

③監(jiān)測點達(dá)到相同破壞時不同爆炸點的槽車數(shù)量計算，假設(shè)爆炸影響到6點位（見附件1），測算1、2、3、4、5點位（見附件1）分別需要的單體數(shù)量。

2? 數(shù)值計算模型

目前爆炸方面的理論分析，涉及眾多學(xué)科，因而只能針對一些簡單爆炸工況或簡化后的復(fù)雜工況獲得解析解。

LS-DYNA作為重要的有限元程序，可以處理各種復(fù)雜的近場遠(yuǎn)場爆炸計算工況，處理沖擊波反射、透射和應(yīng)力波傳播等問題。

2.1 超壓影響閾值

爆炸沖擊波是爆炸中最主要的破壞形式，衡量沖擊波殺傷力的參數(shù)有峰值超壓、沖量和動壓等。在試驗測試基礎(chǔ)上，統(tǒng)計得到的人體和建筑的爆炸傷害破壞超壓值范圍。

2.2 理論公式

理論分析作為爆炸影響分析研究方法的一種，主要針對于規(guī)則結(jié)構(gòu)計算物體相應(yīng)和破壞效果，后續(xù)工況計算本文采用經(jīng)典的Henych空中爆炸沖擊波經(jīng)驗公式與數(shù)值模擬手段進(jìn)行模型驗證，公式具體形式為：

2.3 計算模型

根據(jù)停車場和相關(guān)結(jié)構(gòu)實際尺寸以及分析目的，充分考慮爆炸涉及的爆炸點、門衛(wèi)室及儲油罐等結(jié)構(gòu)，采用殼體和梁來模擬混凝土墻體、柱子、門和窗戶等構(gòu)件等結(jié)構(gòu)，不同部件相交區(qū)域采用共節(jié)點方式連接，采用歐拉網(wǎng)格與停車場、門衛(wèi)室、樓房等結(jié)構(gòu)網(wǎng)格通過流固耦合的處理方式耦合，進(jìn)行爆炸壓力波對結(jié)構(gòu)的效應(yīng)分析。

本次計算模型空氣域采用400*400*400m的規(guī)模，炸藥當(dāng)量體積約為14.3m3，采用六面體單元對塊體部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用梁單元對梁柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用殼單元對薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行網(wǎng)格穩(wěn)定和敏感性測試，最終選擇0.5m作為炸藥和空氣單元網(wǎng)格基本尺寸，劃分的模型網(wǎng)格數(shù)量為147.8萬，節(jié)點數(shù)量151.6萬。

2.4 載荷和邊界設(shè)置

2.4.1 載荷的處理

爆炸載荷通過將換算的當(dāng)量體積單元轉(zhuǎn)換成TNT材料屬性，并將爆炸點設(shè)置在TNT單元的中心處。

2.4.2 約束的處理

爆炸計算模型的約束主要有以下五個方面：

①空氣域邊界設(shè)置無反射邊界;②建筑結(jié)構(gòu)柱子底部設(shè)置約束;③炸藥單元與空氣單元共節(jié)點;④空氣與結(jié)構(gòu)單元交界處設(shè)置耦合;⑤樓房結(jié)構(gòu)的樓板和柱子對應(yīng)節(jié)點進(jìn)行節(jié)點合并。

2.5 材料參數(shù)

其中炸藥TNT和玻璃采用的材料參數(shù)如表4和表5所示。

3? 計算結(jié)果和分析

利用大型通用有限元軟件LS-DYNA，模擬包括TNT炸藥起爆、爆轟波傳播、沖擊波與物體相互作用及結(jié)構(gòu)相應(yīng)等過程。

3.1 單個油罐車爆炸范圍計算

本工況為單個車體當(dāng)量TNT爆炸影響范圍計算，影響范圍分為對人和對車輛建筑兩個大方向，圖4給出了單個儲油罐當(dāng)量超壓峰值隨距離的變化。

根據(jù)2.1節(jié)以及相關(guān)文獻(xiàn)[2][4]，人員傷害的死亡半徑、重傷半徑和輕傷半徑對應(yīng)的超壓沖擊波數(shù)值接近但不完全相同，本文為方便計算初步采用爆炸沖擊波死亡半徑超壓90kPa、重傷超壓44kPa、輕傷超壓17kPa來進(jìn)行影響范圍計算。通過對圖4中距離和超壓的關(guān)系插值，得到上述三個影響半徑值，如表6所示。

對物體影響方面，表7列舉不同破壞程度對應(yīng)的超壓范圍值，為方便計算對比，取影響范圍下限值進(jìn)行影響半徑的計算，根據(jù)爆炸點距離儲油罐的距離，點位①和③沒有影響，但是②和④的破壞范圍會覆蓋儲油罐。

3.2 不同數(shù)量油罐車影響

表8和表9給出了⑤點位不同數(shù)量油罐車爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值，根據(jù)停車場和周圍建筑物的空間關(guān)系，單體油罐車爆炸主要造成二層樓房、停車場爆炸側(cè)車輛和此區(qū)域內(nèi)容人員傷亡;十倍單體油罐車爆炸主要造成南北門衛(wèi)室以東停車場區(qū)域內(nèi)車輛破壞、近停車場一側(cè)的儲油罐毀壞和此區(qū)域內(nèi)人員死亡;二十倍單體油罐車爆炸主要造成過半停車場內(nèi)車輛破壞和人員死亡、所有儲油罐破壞;三十倍單體油罐車爆炸主要造成絕大部分停車場內(nèi)車輛破壞和人員死亡、所有儲油罐毀壞。

根據(jù)上述計算結(jié)果，應(yīng)重點避免超過十倍特別是二十倍以上單體油罐車的集中爆炸，實際行車中需控制車輛的行駛間距，減少多輛車同時存在一個區(qū)域的可能性。

3.3 儲油罐破壞所需爆炸車輛

表10給出了引起儲油罐破裂所需的不同點位爆炸車輛數(shù)量，①點位距離儲油罐268m，需要4個單體罐車同時爆炸才能引起儲油罐破壞;②與④點位距離儲油罐距離分別為99m和53m，處于單體罐車破壞范圍之內(nèi);③號點位距離最近儲油罐230m，需要2個單體罐車同時爆炸才能引起儲油罐破壞;⑤號點位距離儲油罐256m，需要3個單體罐車同時爆炸才能引起儲油罐破壞。

根據(jù)上述結(jié)果，實際停放過程中盡量避免具有相應(yīng)數(shù)量的重大爆炸隱患車輛停放在儲油罐臨近位置。

4? 結(jié)束語

綜上所述，在實際行車布置中應(yīng)重點避免超過十倍特別是二十倍以上單體油罐車的集中爆炸，控制車輛的行駛間距，減少多輛隱患車同時存在一個區(qū)域的可能性，并盡量避免具有重大爆炸隱患的車輛停放在儲油罐臨近位置。

本文利用數(shù)值模擬手段對油罐車爆炸引起的儲油罐破裂隱患進(jìn)行研究，通過有限元軟件LS-DYNA并采用目前比較通用的炸藥模型參數(shù)和計算方法，對空氣中TNT爆炸沖擊波傳播進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析典型場景的爆炸影響范圍和油罐車集中停放數(shù)量限值，為油罐車停車場的布置和停放提供可量化的建議，提高了油罐車停車場的設(shè)計科學(xué)性。

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