艙室密閉空間中爆炸載荷燃燒增強(qiáng)效應(yīng)試驗(yàn)研究

孔祥韶，況正，鄭成，吳衛(wèi)國(guó)

(1.武漢理工大學(xué) 綠色智能江海直達(dá)船舶與郵輪游艇研究中心，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院 船舶、海洋與結(jié)構(gòu)工程系，湖北 武漢 430063)

0 引言

當(dāng)爆炸發(fā)生在艦船艙室密閉空間內(nèi)部時(shí)，約束環(huán)境對(duì)爆炸載荷的影響甚為明顯，將造成結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重毀傷[1]。梯恩梯(TNT)為典型的負(fù)氧型炸藥，其爆炸過(guò)程中爆轟產(chǎn)物燃燒釋放的能量占總能量比重的近40%[2]，且作用時(shí)間尺度為毫秒量級(jí)，一般在結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間范圍內(nèi)。與敞開(kāi)環(huán)境不同，封閉空間內(nèi)部爆炸的特征主要表現(xiàn)為沖擊波效應(yīng)顯著增強(qiáng)、熱效應(yīng)明顯、爆轟產(chǎn)物膨脹做功的有效作用時(shí)間更長(zhǎng)等[3]，使得爆炸載荷的燃燒增強(qiáng)效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)和破壞的影響更加顯著。

針對(duì)封閉空間內(nèi)爆炸產(chǎn)物燃燒效應(yīng)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算方面的研究工作。Ornellas[4]發(fā)現(xiàn)了爆炸產(chǎn)物的燃燒反應(yīng)對(duì)約束空間TNT爆炸能量和壓力的影響。Ferguson等[5]和Kuhl等[6-7]建立了描述TNT在封閉空間內(nèi)爆炸后發(fā)生燃燒反應(yīng)的氣動(dòng)模型，同時(shí)開(kāi)展了沖擊分散炸藥(SDF)在不同尺寸密閉容器內(nèi)部爆炸的試驗(yàn)[8]，探索了艙室容積和幾何形狀及艙內(nèi)氣體環(huán)境對(duì)燃燒完全性的影響，并在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程和湍流混合模型，建立了可較好地模擬封閉空間內(nèi)炸藥爆炸過(guò)程的數(shù)值計(jì)算方法[9-10]。金朋剛等[11-12]的研究發(fā)現(xiàn)氧氣濃度對(duì)封閉空間內(nèi)TNT爆炸產(chǎn)物燃燒的影響顯著。鐘巍等[13-14]通過(guò)開(kāi)展試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值計(jì)算的方法，提出了化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)影響的約束空間TNT爆炸的準(zhǔn)靜態(tài)壓力計(jì)算方法。

在準(zhǔn)靜態(tài)壓力的影響因素方面，王等旺等[15]通過(guò)試驗(yàn)和理論分析得到了封閉空間TNT爆炸準(zhǔn)靜態(tài)壓力和裝藥量與體積比的擬合關(guān)系。張玉磊等[16-17]基于爆炸相似律與理想氣體狀態(tài)方程分析建立了沖擊波超壓及準(zhǔn)靜態(tài)壓力計(jì)算模型，并開(kāi)展了溫壓炸藥和TNT的內(nèi)爆炸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溫壓炸藥內(nèi)爆沖擊波壓力峰值和準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值比TNT高，藥量—容積比是準(zhǔn)靜態(tài)壓力的主要影響因素。Feldgun等[18]基于熱力學(xué)理論，開(kāi)發(fā)了計(jì)算限制空間爆炸壓力的熱力學(xué)模型，研究了準(zhǔn)靜態(tài)壓力對(duì)艙內(nèi)氣體比熱比和內(nèi)能的敏感性，結(jié)果表明艙內(nèi)氣體的比熱比對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓力的影響大于內(nèi)能。在考慮了艙內(nèi)氣體比熱比和爆炸釋放總能量的變化后，準(zhǔn)靜態(tài)壓力取決于炸藥質(zhì)量與容器體積比。

目前，國(guó)內(nèi)外研究人員在密閉空間TNT內(nèi)爆的沖擊波壓力特性、后燃燒效應(yīng)及準(zhǔn)靜態(tài)壓力的影響因素方面已經(jīng)開(kāi)展了系列的研究工作。然而，在密閉空間內(nèi)爆炸載荷的燃燒增強(qiáng)效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響方面的研究開(kāi)展得較少。本文開(kāi)展空氣和氦氣環(huán)境中艙室密閉空間內(nèi)的TNT爆炸載荷以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的對(duì)比試驗(yàn)，分析艙內(nèi)爆炸載荷的燃燒增強(qiáng)效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。

1 TNT封閉空間內(nèi)爆炸試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

為開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了如圖1所示的爆炸筒試驗(yàn)裝置。爆炸筒由高強(qiáng)度鋼焊接成型，內(nèi)部空間尺寸為900 mm×400 mm×400 mm，左右兩側(cè)端部開(kāi)螺栓孔，通過(guò)壓板及螺栓固定端部的試件。筒身焊接縱橫加強(qiáng)筋保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，下部通過(guò)固定工裝與地基連接，確保裝置的穩(wěn)固。在筒身不同部位設(shè)置溫度傳感器及壓力傳感器安裝基座，同時(shí)在筒身對(duì)角處設(shè)置閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)氣體的替換。傳感器布置位置如圖2所示，其中P1～P8和SP1～SP3為壓力傳感器，T1、T2、T4、T5、T7、T8為溫度傳感器。

圖1 爆炸試驗(yàn)裝置示意圖

圖2 溫度及壓力傳感器布置圖

本試驗(yàn)中采用的TNT由粉末壓制成型，密度為1.55 g/cm3.壓力傳感器P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8采用美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的102B型壓力傳感器，壓力傳感器SP1和SP3采用美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的113B22型壓力傳感器，兩種傳感器的量程均為34.5 MPa；溫度傳感器為美國(guó)NANMAC公司生產(chǎn)的C2-7-K-L型熱電偶，采用法國(guó)Texense公司生產(chǎn)的THNF-A型熱電偶放大器，量程為0～1 250 ℃.采集系統(tǒng)為德國(guó)HBM公司生產(chǎn)的Genesis 7T型高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣頻率為1×106Hz，在每個(gè)測(cè)試系列的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)所有的測(cè)點(diǎn)通道都進(jìn)行校準(zhǔn)。

試驗(yàn)中采用德國(guó)GOM公司生產(chǎn)的數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)方法測(cè)量系統(tǒng)對(duì)內(nèi)爆載荷下試件的變形歷程進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)布置如圖3所示。根據(jù)測(cè)試范圍(ROI)的大小(400 mm×400 mm)決定分辨率設(shè)置為960×960，幀率為1×104幀/s，每個(gè)像素長(zhǎng)度約0.4 mm.DIC方法的匹配精度為5.4%像素長(zhǎng)度，本試驗(yàn)中其變形測(cè)量精度為0.02 mm.

圖3 3D-DIC布置形式

1.2 試驗(yàn)工況

空氣工況下，關(guān)閉氦氣進(jìn)氣閥和出氣閥。將TNT懸掛于試驗(yàn)裝置(見(jiàn)圖1)內(nèi)部的中心位置，在試件鋼板表面用白色油漆噴涂均勻，并用黑色油漆噴涂散斑達(dá)到DIC方法的測(cè)量要求。TNT懸掛安裝后采用螺栓和壓板將試件固定在爆炸筒端部，形成封閉環(huán)境，隨后引爆TNT測(cè)量數(shù)據(jù)。

氦氣工況下，待試件安裝之后，打開(kāi)氦氣進(jìn)氣閥與空氣出氣閥，并在出氣口用氧氣濃度檢測(cè)儀檢測(cè)氧氣濃度，至氧氣濃度下降到2.2%時(shí)停止充氣，關(guān)閉出氣閥與進(jìn)氣閥，引爆TNT并測(cè)量數(shù)據(jù)。

本次試驗(yàn)設(shè)置了從7.50～30.00 g 5種TNT藥量、空氣與氦氣艙內(nèi)環(huán)境下共10種試驗(yàn)工況。試驗(yàn)記錄工況編號(hào)具體含義見(jiàn)圖4，具體工況設(shè)置如表1所示。

圖4 試驗(yàn)記錄工況編號(hào)含義

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 各工況下艙內(nèi)爆炸載荷對(duì)比分析

2.1.1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由于爆炸筒的端部試件在爆炸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生變形，端部螺栓孔附近會(huì)產(chǎn)生縫隙，造成少量的泄壓，因此壓力歷程曲線在后續(xù)準(zhǔn)靜態(tài)壓力階段出現(xiàn)了線性緩降的過(guò)程。為更好地反映艙內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)壓力情況，本文對(duì)試驗(yàn)測(cè)得的壓力歷程曲線以8 ms為區(qū)間進(jìn)行平均處理，得到圖5中所示的準(zhǔn)靜態(tài)壓力曲線。

表1 工況設(shè)置

圖5 15.00 g TNT藥量工況下P8測(cè)點(diǎn)的壓力歷程曲線

由于數(shù)據(jù)較多，選取15.00 g TNT工況下空氣和氦氣環(huán)境中各測(cè)點(diǎn)的壓力峰值和準(zhǔn)靜態(tài)壓力數(shù)據(jù)列于表2，同時(shí)選取該工況P8測(cè)點(diǎn)的沖擊波壓力和準(zhǔn)靜態(tài)壓力歷程曲線如圖5所示。通過(guò)分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同位置測(cè)點(diǎn)的沖擊波壓力峰值有一定差異，而準(zhǔn)靜態(tài)壓力則相差不大，表明準(zhǔn)靜態(tài)壓力在封閉空間內(nèi)具有均勻壓力載荷的特性。7.50 g、11.25 g、15.00 g、22.50 g、30.00 g TNT爆炸工況下空氣和氦氣環(huán)境中各測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力平均值數(shù)據(jù)如表3所示。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于氦氣對(duì)爆炸產(chǎn)物燃燒效應(yīng)的抑制，各藥量工況下其準(zhǔn)靜態(tài)壓力較空氣環(huán)境中降低幅度在38.81%～46.85%之間。

從以上5組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)TNT爆炸發(fā)生在封閉空間內(nèi)時(shí)，爆炸產(chǎn)物的燃燒效應(yīng)對(duì)反射沖擊波和準(zhǔn)靜態(tài)壓力具有明顯的增強(qiáng)作用?？諝夤r下，壓力峰值出現(xiàn)在初始沖擊波到達(dá)之后的極短時(shí)間內(nèi)，由于氧氣充足，且空間限制使得爆炸產(chǎn)物與空氣充分混合，燃燒釋放的能量使內(nèi)部壓力增加，進(jìn)而與艙壁反射的沖擊波疊加，使反射沖擊波的峰值壓力和后續(xù)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力明顯提高。而在氦氣環(huán)境中，壓力峰值為初始沖擊波峰值，由于艙內(nèi)氧氣濃度僅為2.2%，其惰性氣體的性質(zhì)抑制了TNT爆炸產(chǎn)物的進(jìn)一步燃燒，導(dǎo)致TNT爆炸產(chǎn)物的能量不能完全釋放。試驗(yàn)現(xiàn)象表明，在氦氣工況下，TNT爆炸后筒壁內(nèi)有大量未燃燒的碳粉，如圖6所示，說(shuō)明TNT爆炸產(chǎn)物基本未發(fā)生燃燒效應(yīng)。而在空氣工況下，TNT爆炸后，筒壁內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)殘留碳粉，如圖7所示。

表2 15.00 g TNT藥量工況下各測(cè)點(diǎn)的壓力峰值及準(zhǔn)靜態(tài)壓力

表3 不同工況下準(zhǔn)靜態(tài)壓力平均值對(duì)比

圖6 氦氣工況下TNT爆炸后艙內(nèi)情況

圖7 空氣工況下TNT爆炸后艙內(nèi)情況

此外，通過(guò)對(duì)比各測(cè)點(diǎn)記錄的空氣和氦氣環(huán)境中沖擊波壓力時(shí)程曲線可以發(fā)現(xiàn)，TNT爆炸產(chǎn)物燃燒造成的反射沖擊波增強(qiáng)發(fā)生在初始沖擊波到達(dá)之后很短的時(shí)間內(nèi)(1 ms)，且持續(xù)時(shí)間在3 ms左右。這一時(shí)間段內(nèi)的爆炸產(chǎn)物燃燒釋放能量直接導(dǎo)致了艙內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)壓力的大幅提高。

2.1.2 準(zhǔn)靜態(tài)壓力理論計(jì)算

Feldgun等[18]給出了密閉空間中爆炸載荷準(zhǔn)靜態(tài)壓力的計(jì)算公式為

(1)

式中：p0=101.3 kPa為大氣壓力；γ、γ0分別為爆炸后混合氣體和爆炸前艙內(nèi)氣體的絕熱指數(shù)；ρE為炸藥密度；W為炸藥質(zhì)量；V為封閉空間的體積；Q為單位質(zhì)量炸藥釋放的能量。當(dāng)W/V<0.387 kg/m3時(shí)，由于爆炸后混合氣體成分難以確定，為簡(jiǎn)化計(jì)算，認(rèn)為空氣工況下γ=γ0=1.4，氦氣工況下γ=γ0=1.621，氦氣工況下γ0由表4得到。

氦氣工況下，爆炸前封閉艙室內(nèi)氣體主要為大部分氦氣與少量空氣的混合氣體，氧氣濃度檢測(cè)儀在氦氣工況下測(cè)得艙內(nèi)氧氣濃度為2.2%，因此艙內(nèi)空氣體積占比為10.48%，氦氣的體積占比為89.52%，爆炸前艙內(nèi)混合氣體的參數(shù)如表4所示。

表4 氦氣工況下爆炸前艙內(nèi)混合氣體參數(shù)

將試驗(yàn)測(cè)量得到的準(zhǔn)靜態(tài)壓力和其他具體數(shù)值代入(1)式，并計(jì)入雷管的爆轟能量(1 g TNT當(dāng)量)可得到各工況下導(dǎo)致準(zhǔn)靜態(tài)壓力升高的等效能量Qe，如表5所示。

表5 不同工況下導(dǎo)致準(zhǔn)靜態(tài)壓力升高的等效能量

5種不同藥量TNT在空氣和氦氣環(huán)境封閉空間內(nèi)釋放的能量如表5所示。從數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)看，由于氦氣對(duì)爆炸產(chǎn)物燃燒效應(yīng)的抑制，較空氣工況下等效能量下降的比例在63.4%～68.1%之間。

在氦氣工況下若不考慮燃燒效應(yīng)，TNT的爆轟能量為4 200 kJ/kg；在空氣工況下，若TNT完全燃燒，則單位質(zhì)量TNT釋放的能量為14 827.5 kJ/kg.分析表5數(shù)據(jù)可知，7.50 g TNT氦氣工況的等效能量略大于初始爆轟能量，原因可能是小部分TNT爆炸產(chǎn)物在低濃度氧氣中發(fā)生反應(yīng)，使等效能量偏大?？諝夂秃夤r下，隨著TNT質(zhì)量的升高，用于提高艙內(nèi)壓力的TNT等效能量逐漸降低，且均低于TNT的理論釋放能量；這說(shuō)明一部分爆轟能量用于結(jié)構(gòu)變形及傳遞至外部耗散，且隨著TNT質(zhì)量的增大，用于結(jié)構(gòu)變形及耗散的能量比例增大。對(duì)比氦氣及空氣工況，不同TNT質(zhì)量下氦氣相較空氣工況等效能量下降的比例變化不大，約為65.5%，與理論情況的71.67%接近。說(shuō)明相同TNT質(zhì)量下，空氣與氦氣工況用于升高氣體壓力的能量比例基本不變。因此在理論計(jì)算各工況準(zhǔn)靜態(tài)壓力時(shí)，使用表5中的等效能量進(jìn)行計(jì)算。

艙室密閉空間內(nèi)中爆炸的能量釋放大致分為兩部分：初始爆轟階段和燃燒增強(qiáng)階段。在初始爆轟階段，能量釋放時(shí)間為微秒量級(jí)，產(chǎn)生大量的高溫氣體產(chǎn)物，形成初始沖擊波；燃燒增強(qiáng)階段在初始爆轟后的1 ms時(shí)間內(nèi)，高溫爆轟產(chǎn)物擴(kuò)散，爆轟產(chǎn)物之間、產(chǎn)物與空氣中的氧氣相互反應(yīng)，放熱升溫導(dǎo)致密閉空間壓力繼續(xù)上升，兩階段釋能最終形成密閉空間內(nèi)的高溫高壓環(huán)境。

在氦氣工況下，不考慮燃燒增強(qiáng)效應(yīng)，艙內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)壓力由爆轟產(chǎn)物在密閉艙室中產(chǎn)生的氣體壓力升高pg和初始爆轟能量加熱氣體導(dǎo)致的壓力升高pt所組成。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：

pg=p0V0(m/V)，

(2)

式中：V0為T(mén)NT爆容；m為T(mén)NT質(zhì)量。

假定爆炸反應(yīng)釋放的能量全部用來(lái)加熱氣體，那么氣體的溫度升高為

(3)

式中：ΔT為密閉空間內(nèi)氣體溫度升高；QV為T(mén)NT爆熱；mg為爆炸后密閉空間內(nèi)混合氣體質(zhì)量；cV為爆炸后密閉空間內(nèi)混合氣體定容比熱。

由理想氣體狀態(tài)方程可得

(4)

故理想狀態(tài)下準(zhǔn)靜態(tài)壓力pqs的計(jì)算公式為

(5)

式中：V0=800 L/kg；QV=Qe；R=8.314(kPa·L)/(mol·K).

TNT爆炸的方程式為C7H5O6N3=2.5H2O+3.5CO+3.5C+1.5N2，即1 mol TNT爆炸產(chǎn)生2.5 mol水蒸氣、3.5 mol一氧化碳和1.5 mol氮?dú)?，?5 ℃下的定容比熱容分別為1.400 kJ/(kg·K)、0.743 kJ/(kg·K)、0.741 kJ/(kg·K)。將上述參數(shù)代入(5)式，并代入表5中的Qe，考慮雷管的爆轟能量(1 g TNT當(dāng)量)，計(jì)算各藥量下的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，如表6所示，繪制準(zhǔn)靜態(tài)壓力試驗(yàn)值與計(jì)算值隨藥量體積比的變化關(guān)系，如圖8所示。

表6 氦氣工況下各藥量的準(zhǔn)靜態(tài)壓力計(jì)算值

圖8 氦氣工況下準(zhǔn)靜態(tài)壓力計(jì)算值與試驗(yàn)值隨m/V的變化關(guān)系

在空氣工況下，由于藥量體積比小于0.371 3 kg/m3，TNT爆轟產(chǎn)物與空氣中氧氣發(fā)生如下反應(yīng)：

假定試驗(yàn)中TNT均完全反應(yīng)，則1 mol TNT爆炸燃燒消耗5.25 mol氧氣，產(chǎn)生2.5 mol水蒸氣、7 mol二氧化碳、1.5 mol氮?dú)?。氧氣與二氧化碳在25 ℃下的定容比熱容分別為0.657 kJ/(kg·K)和0.638 kJ/(kg·K)。由于反應(yīng)中有氧氣的消耗，將空氣成分假設(shè)為由79%氮?dú)馀c21%氧氣組成，氮?dú)馀c氧氣在25 ℃下的密度分別為1.25 kg/m3和1.43 kg/m3.將上述參數(shù)代入(5)式，并代入表5中的Qe，考慮雷管的爆轟能量(1 g TNT當(dāng)量)，不考慮雷管的燃燒能量，計(jì)算各藥量下的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，如表7所示，繪制準(zhǔn)靜態(tài)壓力試驗(yàn)值與計(jì)算值隨藥量體積比的變化關(guān)系，如圖9所示。

通過(guò)對(duì)比表6、表7和圖8、圖9中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在氦氣和空氣工況中理論計(jì)算值均低于試驗(yàn)值，且隨著藥量體積比的增大，試驗(yàn)值與理論計(jì)算值的差距增大。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是：使用(1)式計(jì)算Qe時(shí)，假設(shè)爆炸后混和氣體的絕熱系數(shù)與爆炸前艙內(nèi)氣體的絕熱系數(shù)相同，但實(shí)際情況中，氦氣工況下TNT爆炸產(chǎn)物的絕熱系數(shù)均低于氦氣的絕熱系數(shù)，空氣工況下TNT爆炸產(chǎn)物二氧化碳的絕熱系數(shù)低于空氣的絕熱系數(shù)。因此，爆炸后艙內(nèi)混合氣體的絕熱指數(shù)比爆炸前偏小，即γ<γ0，從而計(jì)算得到的Qe偏小，進(jìn)而計(jì)算得到的準(zhǔn)靜態(tài)壓力偏小；同時(shí)，隨著TNT質(zhì)量的增加，爆炸產(chǎn)物增加，Qe的偏差會(huì)增大，因此計(jì)算得到的準(zhǔn)靜態(tài)壓力的偏差也會(huì)增大。

表7 空氣工況下各藥量的準(zhǔn)靜態(tài)壓力計(jì)算值

圖9 空氣工況下準(zhǔn)靜態(tài)壓力計(jì)算值與試驗(yàn)值隨m/V的變化關(guān)系

2.2 溫度測(cè)試結(jié)果與分析

2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

艙內(nèi)爆炸及燃燒過(guò)程產(chǎn)生的溫度場(chǎng)不規(guī)則，并且溫度傳感器伸入筒內(nèi)105 mm進(jìn)行測(cè)量，不同溫度測(cè)點(diǎn)距離爆炸中心的距離不同(T1、T4、T7測(cè)點(diǎn)離爆炸中心的距離為249 mm，T2和T5測(cè)點(diǎn)離爆炸中心的距離為415 mm)，因此各溫度測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)在同一工況下有一定差異。通過(guò)對(duì)距爆炸中心距離相同測(cè)點(diǎn)的溫度峰值平均值來(lái)表征各工況的溫度數(shù)據(jù)。

空氣環(huán)境中不同TNT藥量工況下的T7測(cè)點(diǎn)溫度變化如圖10所示；氦氣環(huán)境中不同TNT藥量工況下T1測(cè)點(diǎn)的溫度變化如圖11所示。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，空氣和氦氣工況下，艙內(nèi)溫度隨TNT炸藥質(zhì)量的增大而升高，TNT質(zhì)量相同時(shí)氦氣工況的艙內(nèi)溫度較空氣工況的溫度大幅度降低。對(duì)距離爆炸中心249 mm的T1、T4和T7測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)取平均值、對(duì)距離爆炸中心415 mm的T2、T5測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)取平均值列于表8.通過(guò)對(duì)比距爆炸中心不同距離的溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：對(duì)于較小藥量的氦氣及空氣環(huán)境下爆炸，距離爆炸中心越近，溫度越高；對(duì)于TNT質(zhì)量為30.00 g、艙內(nèi)環(huán)境為空氣的工況，爆炸后產(chǎn)生明顯燃燒效應(yīng)，導(dǎo)致爆炸中心向外輻射的大范圍區(qū)域均為高溫燃燒區(qū)域，因此距離爆炸中心不同距離的測(cè)點(diǎn)溫度差異不明顯。進(jìn)一步處理得到氦氣工況相對(duì)空氣工況溫度峰值下降的比例，如表9所示，由于氦氣對(duì)TNT爆炸產(chǎn)物燃燒過(guò)程的抑制，爆炸后艙內(nèi)溫度大幅度降低，5種藥量工況下溫度降幅在57.5%～76.4%之間，進(jìn)一步說(shuō)明爆炸產(chǎn)物的燃燒是艙內(nèi)氣體高溫的主要因素。

圖10 不同TNT藥量在空氣工況下T7測(cè)點(diǎn)的溫度歷程曲線

圖11 不同TNT藥量在氦氣工況下T1測(cè)點(diǎn)的溫度歷程曲線

表8 不同工況下不同測(cè)點(diǎn)位置的溫度峰值平均值

表9 氦氣工況相對(duì)空氣工況的溫度峰值下降比例

2.2.2 溫度升高理論計(jì)算

將表5中Qe和表6、表7中的mg、cV數(shù)據(jù)代入(3)式，計(jì)算得到各工況下艙內(nèi)溫度的升高，如表10所示。

表10 各工況下溫度升高計(jì)算值

很明顯，理論計(jì)算的溫度升高明顯大于試驗(yàn)測(cè)量值，主要是因?yàn)闊犭娕嫉捻憫?yīng)時(shí)間為20 ms，測(cè)得的溫度具有一定的滯后性，無(wú)法反映艙內(nèi)溫度的瞬態(tài)變化歷程。

2.3 試件變形結(jié)果及分析

2.3.1 試件變形試驗(yàn)結(jié)果

本文試驗(yàn)中測(cè)量了爆炸筒端部安裝的金屬板試件的變形響應(yīng)，可用以分析艙內(nèi)爆炸燃燒增強(qiáng)效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響程度。通過(guò)分析DIC的測(cè)量結(jié)果，提取試驗(yàn)試件中心點(diǎn)的變形響應(yīng)歷程曲線。其中MB1.5-5-11.25(Air)和MB3-1-22.5(Air)工況的DIC數(shù)據(jù)在試驗(yàn)過(guò)程中未成功采集，在試驗(yàn)結(jié)束后采用激光掃描儀測(cè)量該工況下試件的最終變形，各工況下試件中心點(diǎn)的變形歷程曲線如圖12～圖16所示。在封閉空間內(nèi)爆載荷作用下，各試件的變形歷程相似，開(kāi)始響應(yīng)之后1.3 ms內(nèi)即達(dá)到初始響應(yīng)峰值，在初始響應(yīng)峰值之后發(fā)生回彈，并在一定范圍內(nèi)振蕩。隨著藥量的增加，回彈量值和振蕩范圍逐漸減小。相對(duì)比來(lái)看，氦氣工況下達(dá)到初始響應(yīng)峰值的時(shí)間與空氣工況下的差異很小，然而初始響應(yīng)峰值和振蕩平衡位置大大降低，且初始峰值之后的回彈量增加。從圖16可以看出，在30 g TNT藥量?jī)?nèi)爆工況下，空氣工況下較大的準(zhǔn)靜態(tài)壓力使得試件初始響應(yīng)峰值和振蕩平衡位置處的差別較小，且出現(xiàn)振蕩平衡位置略微增加的趨勢(shì)。

圖12 7.5 g TNT藥量在空氣與氦氣工況下試件中心的變形歷程曲線

圖13 11.25 g TNT藥量在氦氣工況下試件中心的變形歷程曲線

圖14 15 g TNT藥量在空氣與氦氣工況下試件中心的變形歷程曲線

圖15 22.5 g TNT藥量在氦氣工況下試件中心的變形歷程曲線

圖16 30 g TNT藥量在空氣與氦氣工況下試件中心的變形歷程曲線

將變形歷程曲線的振蕩階段取平均值得到試件中心的最終變形，結(jié)合三維掃描得到的最終變形數(shù)據(jù)，各工況中試驗(yàn)試件中心最終變形如表11所示。對(duì)比表11中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同TNT藥量下氦氣工況試件最終變形均遠(yuǎn)小于空氣工況。5種工況下試件最終變形的降幅分別達(dá)到了48.9%、38.1%、36.9%、19.1%和25.0%.

2.3.2 試件變形理論分析

文獻(xiàn)[19-20]給出了在均布爆炸載荷作用下金屬薄板中點(diǎn)變形- 厚度比的計(jì)算公式，即

(6)

式中：δ為板的中點(diǎn)變形；h和L分別為板的厚度和邊長(zhǎng)；I為爆炸載荷沖量；ρ和σy分別為材料的密度和屈服應(yīng)力,其中ρ=7.83 g/cm3，1.5 mm板的屈服應(yīng)力為314.6 MPa，3 mm板的屈服應(yīng)力307 MPa.

表11 各工況下試件中心的最終變形

根據(jù)(6)式，可得到本試驗(yàn)中內(nèi)爆載荷的等效沖量：

Ieq=4.17×δhL(ρσy)1/2.

(7)

金屬薄板在爆炸載荷作用下的響應(yīng)具有飽和特性，即當(dāng)金屬板結(jié)構(gòu)受到持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的爆炸沖擊波載荷作用時(shí)發(fā)生彈塑性動(dòng)態(tài)響應(yīng)，繼而產(chǎn)生較大的塑性變形；當(dāng)板的變形撓度遠(yuǎn)大于其板厚時(shí)，由于四周邊界的約束作用，在板的中面內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的膜力效應(yīng)，并使得板結(jié)構(gòu)的受載能力進(jìn)一步增強(qiáng)，使之變形在達(dá)到一定值之后就不會(huì)再繼續(xù)增加；此時(shí)金屬板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)達(dá)到“飽和狀態(tài)”，載荷的后續(xù)階段并不會(huì)對(duì)板結(jié)構(gòu)的變形響應(yīng)產(chǎn)生影響[21-22]，并且在內(nèi)爆載荷作用下，板結(jié)構(gòu)達(dá)到最大變形響應(yīng)的時(shí)間僅與板長(zhǎng)度、材料密度、屈服強(qiáng)度等因素有關(guān)[23]。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在不同工況下板試件達(dá)到最大變形的時(shí)間(飽和響應(yīng)時(shí)間)基本保持不變。將各工況中試驗(yàn)試件的詳細(xì)參數(shù)代入(7)式，可得到作用于試驗(yàn)試件的等效沖量，進(jìn)而可得到在板的飽和響應(yīng)時(shí)間范圍內(nèi)作用于板的等效平均壓力pa，如表12所示，表明在試件的飽和響應(yīng)時(shí)間內(nèi)爆炸產(chǎn)物的燃燒效應(yīng)對(duì)試件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)起到了明顯的增強(qiáng)作用。

表12 不同工況下內(nèi)爆載荷的等效沖量和壓力

從艙內(nèi)爆炸載荷的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)爆炸產(chǎn)物燃燒效應(yīng)的抑制可有效地降低反射沖擊波和準(zhǔn)靜態(tài)壓力，然而，由于結(jié)構(gòu)響應(yīng)的“飽和特性”，能否有效減小金屬板在內(nèi)爆載荷作用下的響應(yīng)則取決于能否“及時(shí)”抑制艙內(nèi)爆炸載荷。對(duì)比表11與表12中7.50 g、15.00 g和30.00 g TNT藥量工況可知，氦氣工況相對(duì)于空氣工況，板中心點(diǎn)位移的下降比例與等效壓力下降比例接近，因此造成板最終變形的主要原因是飽和響應(yīng)時(shí)間內(nèi)的等效壓力。試驗(yàn)中板的飽和響應(yīng)時(shí)間約為開(kāi)始變形后的1.1 ms，板開(kāi)始變形的時(shí)刻即為載荷初始沖擊波達(dá)到的時(shí)刻。分析各工況沖擊波載荷歷程曲線，以11.25 g TNT藥量工況為例，繪制爆炸后5 ms內(nèi)空氣及氦氣工況的載荷歷程曲線如圖17所示，在空氣和氦氣工況下，初始沖擊波的峰值大小相差不大，而隨著爆炸產(chǎn)物的燃燒，空氣工況下在初始沖擊波到達(dá)后1 ms內(nèi)的反射沖擊波顯著增強(qiáng)。這種增強(qiáng)效應(yīng)發(fā)生在試件的飽和響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，載荷的增強(qiáng)與試件的響應(yīng)過(guò)程疊加，造成了空氣工況下試件的初始響應(yīng)峰值和后續(xù)振蕩平衡位置較氦氣工況下顯著提高。因此，在結(jié)構(gòu)內(nèi)爆響應(yīng)的評(píng)估中不能忽略爆炸載荷燃燒增強(qiáng)效應(yīng)的影響。

圖17 11.25 g TNT藥量在爆炸工況下P5測(cè)點(diǎn)的壓力歷程曲線

3 結(jié)論

本文開(kāi)展了TNT炸藥爆炸產(chǎn)物的燃燒釋放能量對(duì)封閉空間中爆炸載荷影響的試驗(yàn)研究，測(cè)量得到了艙內(nèi)環(huán)境氣體環(huán)境為氦氣和空氣工況下5種不同TNT藥量爆炸載荷的壓力時(shí)程和準(zhǔn)靜態(tài)壓力、艙內(nèi)氣體溫度變化和試驗(yàn)試件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)歷程和最終變形。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)現(xiàn)象分析，得出了以下結(jié)論：

1)TNT炸藥爆炸產(chǎn)物的燃燒對(duì)封閉空間內(nèi)反射沖擊波和準(zhǔn)靜態(tài)壓力的增強(qiáng)效應(yīng)明顯，且該增強(qiáng)過(guò)程在初始沖擊波到達(dá)后的極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生。通過(guò)采用在封閉內(nèi)注入氦氣的方法抑制爆炸產(chǎn)物的進(jìn)一步燃燒釋放能量之后，TNT藥量為7.50 g、11.25 g、15.00 g、22.50 g、30.00 g時(shí)，最大準(zhǔn)靜態(tài)壓力相較空氣工況分別下降了38.81%、46.85%、43.87%、45.05%、42.90%，溫度峰值相較空氣工況分別下降了70.73%、76.35%、66.45%、57.53%、62.92%，降低了艙內(nèi)爆炸載荷和艙內(nèi)氣體環(huán)境溫度。

2)較空氣工況下試驗(yàn)試件的響應(yīng)，氦氣工況下受到5種不同TNT藥量的爆炸載荷時(shí)，試件的初始響應(yīng)峰值和最終變形均大幅減小，最終變形降幅分別達(dá)到了48.9%、38.1%、36.9%、19.1%和25.0%，表明爆炸產(chǎn)物燃燒的能量釋放率較高，能量釋放時(shí)間與金屬板試件的響應(yīng)時(shí)間在同一量級(jí)。在結(jié)構(gòu)內(nèi)爆響應(yīng)分析和安全評(píng)估中需考慮爆炸載荷燃燒增強(qiáng)效應(yīng)的影響。