周 朗,徐春光
(中山大學(xué)航空航天學(xué)院,廣東 深圳 518107)
對于常規(guī)彈藥而言,爆炸沖擊波是造成結(jié)構(gòu)破壞的主要因素,研究爆炸沖擊波傳播與演化規(guī)律,對準(zhǔn)確評估彈藥的毀傷效能具有重要意義。針對自由大氣內(nèi)爆炸沖擊波的傳播規(guī)律,研究人員構(gòu)建了多個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式[1-4],并應(yīng)用于工程實(shí)際中,是研究爆炸沖擊波傳播與演化的重要手段,但對于建筑物等復(fù)雜空間,經(jīng)驗(yàn)公式不能反映沖擊波的演化過程,與實(shí)際物理過程存在比較明顯的差異,且無法給出沖擊波演化的細(xì)節(jié),也不能反映沖擊波與結(jié)構(gòu)的相互作用過程及影響。
隨著數(shù)值模擬技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,研究人員利用數(shù)值模擬的方法對沖擊波與障礙物存在相互作用的問題進(jìn)行研究。劉偉等[5]在考慮地面因素的影響條件下,研究了不同當(dāng)量TNT 裝藥空爆下沖擊波超壓規(guī)律,獲得了有意義的結(jié)果。寧建國等[6]基于JWL 狀態(tài)方程和瞬時(shí)爆轟模型,研究了存在防護(hù)擋墻情況下,爆炸流場的傳播及演化規(guī)律,所得超壓計(jì)算結(jié)果比已有經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果偏高。王飛等[7]采用ALE 方法,對沖擊波繞過障礙物后的超壓分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬,數(shù)值模擬結(jié)果能較好的反映超壓變化的規(guī)律。張曉偉等[8]對爆炸沖擊波作用于隔爆墻的繞射進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真,得到墻后沖擊波超壓分布規(guī)律,并給出了墻后近地面超壓峰值的工程計(jì)算公式。文獻(xiàn)[9-12]對沖擊波在坑道、隧道內(nèi)的傳播規(guī)律進(jìn)行了研究。上述工作對沖擊波與結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究,但研究中均假設(shè)結(jié)構(gòu)或障礙物為剛體,沒有考慮結(jié)構(gòu)的變形和運(yùn)動(dòng),難以描述結(jié)構(gòu)在沖擊波作用下的變形及破壞。
對于考慮沖擊波作用下結(jié)構(gòu)變形、運(yùn)動(dòng)及其對沖擊波傳播影響的問題,多采用國外軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,譬如LS-DYNA、AUTODYN、ABAQUS 等軟件。鄧榮兵等[13]利用LS-DYNA 對爆炸沖擊波與幕墻結(jié)構(gòu)的作用過程進(jìn)行了研究,分析了幕墻在沖擊波作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和內(nèi)外層玻璃的破壞情況,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。董湘乾[14]利用ABAQUS 對爆炸沖擊波與混凝土框架結(jié)構(gòu)的作用過程進(jìn)行了模擬,分析了多層框架結(jié)構(gòu)在沖擊波作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。張秀華等[15]利用LS-DYNA 對爆炸沖擊波與框架結(jié)構(gòu)的作用過程進(jìn)行了模擬,分析了爆炸沖擊波的傳播特性,結(jié)果表明合理的設(shè)置泄壓口能一定程度的減小沖擊波對結(jié)構(gòu)的破壞。游俊[16]利用ABAQUS 對沖擊波與破片聯(lián)合作用下砌墻體進(jìn)行了數(shù)值模擬,對結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析,得到了沖擊波傳播以及與結(jié)構(gòu)相互作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)毀壞的損傷機(jī)理。LS-DYNA 等商業(yè)軟件是目前此類問題數(shù)值模擬的主要手段,國內(nèi)未見具有類似功能的算法軟件,同時(shí)軟件詳細(xì)處理模型、方法也缺乏完整的介紹。
基于上述問題,本文發(fā)展一種沖擊波作用下結(jié)構(gòu)毀傷算法,并對爆炸沖擊波與建筑物結(jié)構(gòu)的相互作用過程進(jìn)行模擬,研究沖擊波作用下建筑物的毀傷范圍、建筑物破壞以后沖擊波的傳播特性等,驗(yàn)證該算法的適用性。
構(gòu)建如圖1 所示的建筑物墻體簡化模型,采用沖擊波沖量[17]作為結(jié)構(gòu)是否破壞的指標(biāo),分析沖擊波與結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理。圖1 中將包含建筑物墻體等結(jié)構(gòu)的整個(gè)計(jì)算空間全部劃分為網(wǎng)格單元,共有1~4 個(gè)網(wǎng)格單元,計(jì)算每個(gè)單元受到的比沖量,判斷該單元是否被破壞:
⑴ 如果載荷不足以破壞結(jié)構(gòu),建筑物單元按照剛性壁面假設(shè)處理,沖擊波發(fā)生反射,形成比入射波高很多的超壓;
⑵ 如果沖量超過破壞載荷則該單元?dú)?,那么它就變成可以在沖擊波作用下向前運(yùn)動(dòng)的碎塊。
在結(jié)構(gòu)單元已經(jīng)破壞的情況下,實(shí)際物理過程為結(jié)構(gòu)碎塊在沖擊波作用下飛散。對于建筑物類脆性材料,由于結(jié)構(gòu)碎塊四周沒有固支,碎塊的變形很小,可以將結(jié)構(gòu)碎塊作為剛體處理,則沖擊波作用下結(jié)構(gòu)碎塊的飛散問題是動(dòng)邊界繞流問題。對于此類問題,可以采用非結(jié)構(gòu)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行模擬,即將流體力學(xué)方程與6 自由度彈道方程耦合求解,求解流體力學(xué)方程獲得碎塊表面壓力,進(jìn)而得到碎塊受到的氣動(dòng)力,將其作為彈道方程的輸入,求解彈道方程獲得碎塊的新位置,并據(jù)此對計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行變形移動(dòng),獲得新的計(jì)算網(wǎng)格,重復(fù)這一過程即可獲得氣動(dòng)力作用下的碎塊軌跡。L?hner 等[18]和Baum 等[-19]對大規(guī)模破片飛散過程進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬破片數(shù)量達(dá)到上百枚;爆炸波作用下的鋼筋混凝土墻發(fā)生變形、斷裂、碎裂過程[20]也得到了較好模擬。王巍等[21-23]對非結(jié)構(gòu)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)開展了大量研究,并將其應(yīng)用于多種場景下多體運(yùn)動(dòng)問題的模擬,如飛行器頭罩分離[21],助推器分離[22],子母彈拋殼[23]等,計(jì)算精度得到了確認(rèn)。本文采用上述發(fā)展的非結(jié)構(gòu)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)及程序,對如圖2 所示單塊碎塊在沖擊波作用下的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行模擬,分析沖擊波與結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理。
計(jì)算模型如圖2 所示,封閉空間一側(cè)墻體上設(shè)置一洞口,洞口內(nèi)存在一個(gè)堵塊,堵塊與墻體之間留有縫隙。其中堵塊的尺寸為1.14 m×0.18 m×0.6 m,質(zhì)量為50 kg;洞口尺寸為1.18 m×0.18 m×0.67 m;封閉空間尺寸為5.8 m×6.0 m×3.3 m。
圖3 為計(jì)算得到的堵塊運(yùn)動(dòng)位置和壓力等值線。從圖中可以清晰看出,在碎塊完全脫離墻體之前,碎塊運(yùn)動(dòng)的稀疏波引起超壓降低;在碎塊剛剛脫離墻體時(shí),氣體透過碎塊與墻體之間的縫隙傳播,由于縫隙面積小于洞口入口處面積,縫隙處氣流速度達(dá)到聲速,形成壅塞,此時(shí)沖擊波既有繞射,也有反射,流動(dòng)非常復(fù)雜;在碎塊脫離墻體較遠(yuǎn)后,碎塊和墻體之間縫隙形成的氣流壅塞消失,爆炸點(diǎn)所在空間內(nèi)部高壓氣體在洞口處形成壅塞,且由于碎塊運(yùn)動(dòng)速度小于氣體速度,大量氣體繞過碎塊,在繞過碎塊后規(guī)整成球面波。
根據(jù)以上分析,圖4 給出了沖擊波與結(jié)構(gòu)碎塊作用機(jī)理,沖擊波與結(jié)構(gòu)碎塊作用過程中主要存在如下物理效應(yīng):(1) 碎塊運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生稀疏波效應(yīng),如圖4(a)示意;(2) 碎塊剛脫離墻體后的壅塞效應(yīng),如圖4(b)示意;(3) 繞射波重新規(guī)整為平面波的效應(yīng),如圖4(c)示意。從建立數(shù)學(xué)模型的角度看,能夠刻畫以上機(jī)理的模型就可以模擬沖擊波與結(jié)構(gòu)碎塊作用過程。
上述結(jié)果表明,在建筑物結(jié)構(gòu)破壞以后,利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)能夠模擬沖擊波與結(jié)構(gòu)碎塊的相互作用過程,能夠獲得較為真實(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果,并且可以直接利用現(xiàn)有的動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算。但在實(shí)際應(yīng)用中,對于整棟樓的數(shù)值模擬,結(jié)構(gòu)單元的破壞會(huì)產(chǎn)生成百上千,甚至上萬的結(jié)構(gòu)碎塊。利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)處理,需要進(jìn)行網(wǎng)格變形計(jì)算,并且由于每個(gè)碎塊獨(dú)立運(yùn)動(dòng),使得每時(shí)每刻都可能會(huì)出現(xiàn)局部網(wǎng)格變差的情況,就需要將計(jì)算程序停止,進(jìn)行局部重構(gòu)和插值,計(jì)算量巨大,大大降低了計(jì)算效率。因此,盡管非結(jié)構(gòu)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)能夠很好地處理沖擊波推動(dòng)結(jié)構(gòu)碎塊飛散的問題,技術(shù)上也不存在不可克服的難點(diǎn),但對計(jì)算機(jī)硬件要求太高,不利于工程應(yīng)用,需要更高效率的計(jì)算方法。
從上一節(jié)分析可知,沖擊波作用下的結(jié)構(gòu)毀傷過程,存在結(jié)構(gòu)未破壞形成的沖擊波剛性壁面反射、結(jié)構(gòu)完全破壞后形成的沖擊波透射以及結(jié)構(gòu)破壞過程中因碎塊運(yùn)動(dòng)形成的稀疏波和壅塞效應(yīng)。對于未被破壞結(jié)構(gòu),按照剛性壁面假設(shè)處理,不是本文關(guān)注的重點(diǎn)。對于已破壞結(jié)構(gòu)單元,沖擊波在碎塊下游的繞射波重新規(guī)整為平面波效應(yīng)有比較好描述,不需要特別的處理。因此,碎塊引起的稀疏波和壅塞兩種效應(yīng)是建模的關(guān)鍵。
采用任意拉格朗日-歐拉方法(ALE)坐標(biāo)描述三維無量綱可壓縮非定常流動(dòng)的Euler 方程:
式中:S是控制體V的表面,n為其外法向單位矢量;Q為流體守恒變量;Fc(Q,xc) 表示相對流通矢量,xc是網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)速度。
提出如下模型:如圖5 所示,假設(shè)結(jié)構(gòu)單元2、3 已經(jīng)被破壞,在計(jì)算網(wǎng)格位置不變情況下,根據(jù)流固界面耦合算法、流場物理量和結(jié)構(gòu)單元質(zhì)量等參數(shù),可以計(jì)算得到結(jié)構(gòu)單元2、3 的網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)速度 →xc,將其反映在流體控制方程中,計(jì)算流場參數(shù),即可模擬結(jié)構(gòu)單元2、3 運(yùn)動(dòng)引起的泄壓過程。在該計(jì)算過程中,盡管結(jié)構(gòu)單元2、3 的網(wǎng)格位置沒有變化,但其單元運(yùn)動(dòng)速度真實(shí)的反映在流體控制方程中,從而在一定程度上模擬了結(jié)構(gòu)單元運(yùn)動(dòng)引起的泄壓作用。
利用文獻(xiàn)[24]提出的虛擬網(wǎng)格透氣技術(shù)解決壅塞效應(yīng)這一問題,圖6 為虛擬網(wǎng)格透氣技術(shù)原理圖,圖中單元1~3 為描述建筑物墻體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格單元,單元4 為沖擊波一側(cè)流場中的氣體網(wǎng)格單元。完全氣體假設(shè)下的控制方程:
式中:Φ 的形式可簡寫為:
對于計(jì)算區(qū)域中單元4 物理量的計(jì)算可以表述為如下半離散形式:
式中:下標(biāo)k用以表示不同表面。
對于圖6 所示情況,令單元4 與2 的邊界面為Sb,計(jì)算中采用如下形式:
式中:Φb為邊界面上的對流項(xiàng),Sb表示單元4 和2 邊界投影面積。由于單元2 為結(jié)構(gòu)單元,通常計(jì)算中式(5)中的Sb只能表示為固壁邊界,完全不通氣,不能模擬結(jié)構(gòu)單元2 破壞后,沖擊波透過破壞單元傳播的過程,因而也就不能模擬碎塊破裂后的壅塞效應(yīng)。
為了實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)單元破壞后邊界面由不透氣逐漸變?yōu)橥笟?,并最終達(dá)到完全透氣問題的模擬,文獻(xiàn)[24]引入如下計(jì)算模型:
式中:Sf、Sw分別是邊界面Sb通氣部分和不通氣部分的面積,即將邊界面分為通氣和不通氣兩部分,并計(jì)算對流項(xiàng)Φb:
式中:Φf是作為內(nèi)部單元面處理時(shí)的對流項(xiàng),可按一般式處理;Φw是作為固壁處理時(shí)的對流項(xiàng)。其對表面的通量積分為:
式中:U為流體相對于網(wǎng)格的速度;at為網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)的法向速度;nx、ny、nz是n的三個(gè)分量;Sw為面積矢量。
對于具有虛擬擋板表面的單元,應(yīng)該針對該表面通氣和壁面兩種狀態(tài)分別求解變量梯度,計(jì)算Φf和Φw時(shí)分別采用相應(yīng)的梯度進(jìn)行基本變量的重建。
將式(7)代入式(5),則有如下形式:
分析式(9),可以看出當(dāng)Sf=0,即圖5 中單元4 與2 之間邊界面完全為固壁條件時(shí),式(9)退化為式(5),邊界面不透氣;當(dāng)Sw=0 ,即單元4 與2 之間邊界面完全為流場內(nèi)部面時(shí),式(9)退化為式(4),邊界面完全通氣;當(dāng)處于邊界面狀態(tài)處于兩者之間時(shí),單元4 與2 之間的邊界面可以實(shí)現(xiàn)按比例通氣。
根據(jù)第1 節(jié)中圖4 的分析結(jié)果,定義系數(shù)к為如下形式:
式中:S1為碎塊與墻體之間縫隙環(huán)帶的面積,可由碎塊運(yùn)動(dòng)速度、碎塊周長及運(yùn)動(dòng)時(shí)間等計(jì)算獲得;S2為碎塊的在來流方向的法向投影面積,固定不變,如圖7 所示。將к代入式(9),S2代替其中Sb,則有如下形式:
當(dāng)碎塊處于圖4(a)狀態(tài)時(shí)к=0,單元4 與2 之間邊界面完全為固壁條件,完全不通氣;當(dāng)碎塊處于圖4(b)狀態(tài)時(shí),к表示縫隙環(huán)帶面積與結(jié)構(gòu)在來流方向的法向投影面積比值,模擬了縫隙對通氣量的限制;當(dāng)碎塊處于圖4(c)狀態(tài)時(shí)к=1,單元4 與2 之間邊界面變?yōu)橥耆鉅铙w,此時(shí)結(jié)構(gòu)碎塊對繞射后形成的第一道沖擊波強(qiáng)度影響很小。式(11)即為網(wǎng)格位置不變條件下,結(jié)構(gòu)對沖擊波壅塞效應(yīng)計(jì)算模型。
對本文所提方法的計(jì)算過程,采用如圖6 所示的計(jì)算模型,模型的形狀、參數(shù)與圖2 中的模型一致,但洞口處沒有堵塊,不存在動(dòng)網(wǎng)格,而是設(shè)置一個(gè)“虛擬擋板[24]”。計(jì)算過程中,當(dāng)沖擊波到達(dá)洞口后,采用本文提出的計(jì)算模型,對沖擊波的傳播過程進(jìn)行模擬,監(jiān)測與圖2 中模型相同位置處超壓變化,并進(jìn)行對比,分析驗(yàn)證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。其中,具體監(jiān)測點(diǎn)位置A、B如圖8 所示,在墻壁中心位置;給定高壓氣團(tuán)球心位置時(shí),坐標(biāo)定義如圖9 所示,坐標(biāo)原點(diǎn)在堵塊中心。
針對上述兩個(gè)模型,模型1(堵塊模型),模型2(虛擬透氣計(jì)算模型),對不同參數(shù)設(shè)置的算例進(jìn)行計(jì)算,算例情況見表1。
表1 算例參數(shù)設(shè)置Table 1 Example parameter setting
圖10~圖13 為不同算例的監(jiān)測點(diǎn)A、B壓力變化,可以看出兩種模型情況下得到的監(jiān)測點(diǎn)壓力峰值及規(guī)律均符合較好,表明本文提出的計(jì)算模型具有較高的準(zhǔn)確度,能夠用于此類問題的模擬。
利用本文構(gòu)建的爆炸沖擊波與建筑物結(jié)構(gòu)作用計(jì)算模型,對沖擊波作用下建筑物的毀傷及沖擊波傳播過程進(jìn)行了模擬,獲得了建筑物毀傷效果和沖擊波超壓分布。
3.2.1 計(jì)算模型
如圖14 所示,構(gòu)建了一個(gè)大樓模型。為了提高計(jì)算效率,橫向?qū)挾戎话? 個(gè)房間。其中,樓房左側(cè)的3、4、5 層建立結(jié)構(gòu)計(jì)算單元,即墻體、樓板等結(jié)構(gòu)部件內(nèi)部建立網(wǎng)格單元,計(jì)算中根據(jù)結(jié)構(gòu)單元?dú)d荷判據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)單元是否破壞,若破壞則變?yōu)橥笟鈫卧?,樓房的其他部分不參與結(jié)構(gòu)計(jì)算。計(jì)算中裝藥當(dāng)量、結(jié)構(gòu)毀傷載荷根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)確定。
3.2.2 計(jì)算結(jié)果與分析
圖15 為建筑物結(jié)構(gòu)毀傷計(jì)算結(jié)果,給出了結(jié)構(gòu)單元破壞的過程。從計(jì)算結(jié)果來看,406 房間左右隔墻、上下樓板和走廊隔墻完全崩塌;405、407 房間外側(cè)墻體大部分崩塌;4 層走廊樓板大部分崩塌;306 房間下樓板和506 房間上樓板局部崩塌,較為真實(shí)地反映了試驗(yàn)中建筑物的毀傷效果(其中,中間的房間是406,左邊405、右邊407,上邊506、下邊306)。計(jì)算中對每個(gè)單元獨(dú)立判斷其是否破壞,只與超壓分布有關(guān),由于房間沖擊波反射、相交影響,使得超壓分布非常不均勻,導(dǎo)致出現(xiàn)墻體破壞也非常不均勻,且計(jì)算模型只考慮結(jié)構(gòu)是否破壞透氣,未考慮結(jié)構(gòu)間的支撐及運(yùn)動(dòng)情況,出現(xiàn)了四周均破壞而中間單元未破壞的情況,但計(jì)算結(jié)果仍具有較高的參考價(jià)值。
圖16 為爆炸流場演化云圖,與圖12 對照,可以看出沖擊波傳播與結(jié)構(gòu)破壞特征一致,并且由于“虛擬擋板”對通氣量的限制,剛開始透過破壞單元傳播的沖擊波強(qiáng)度較弱,表明本文計(jì)算模型較好的模擬了結(jié)構(gòu)碎塊對沖擊波的阻礙效應(yīng)。
圖17 為406 房間監(jiān)測點(diǎn)沖擊波超壓計(jì)算結(jié)果,由于沒有毀傷效應(yīng)試驗(yàn)超壓測量數(shù)據(jù),將計(jì)算結(jié)果與無限空氣中爆炸沖擊波超壓經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比,其中TNT 爆炸當(dāng)量為120 kg。表2 為經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果,經(jīng)驗(yàn)公式采用Baker 公式[25],具體如下:
表2 監(jiān)測點(diǎn)超壓經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果Table 2 The numerical calculation results of shock wave overpressure under different monitoring point
正反射超壓公式如下:
式中:w為TNT 藥量,kg;r為距離,m;Δp為超壓,kg/cm2。
比較圖14 與表2 計(jì)算結(jié)果,可以看出在爆炸房間內(nèi),沖擊波反射超壓數(shù)值計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)算結(jié)果符合較好,表明本文采用的爆炸流場計(jì)算方法具有較好的計(jì)算精度。
本文針對爆炸沖擊波與建筑物結(jié)構(gòu)作用過程,在分析沖擊波與結(jié)構(gòu)碎塊作用機(jī)理的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了一種計(jì)算模型,能夠在計(jì)算網(wǎng)格不動(dòng)的條件下模擬沖擊波與結(jié)構(gòu)的作用過程,主要結(jié)論如下:
(1)根據(jù)非結(jié)構(gòu)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)計(jì)算沖擊波推動(dòng)結(jié)構(gòu)碎塊飛散模擬中,非定常流場的變化規(guī)律,分析得出沖擊波與碎塊之間相互作用機(jī)理主要分為碎塊運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生稀疏波效應(yīng)、碎塊剛脫離墻體的壅塞效應(yīng)、繞射波重新規(guī)整為平面波效應(yīng)。
(2)在機(jī)理清晰認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,本文采用“虛擬運(yùn)動(dòng)”模擬稀疏波效應(yīng)、“虛擬網(wǎng)格透氣技術(shù)[1]”處理碎塊和墻體之間的壅塞效應(yīng),發(fā)展了一種新的模擬爆炸沖擊波與建筑物作用過程的模型。通過算例對比,該模型計(jì)算結(jié)果與非結(jié)構(gòu)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)計(jì)算結(jié)果符合較好,表明該模型能夠用于沖擊波作用下結(jié)構(gòu)破壞以及沖擊波傳播過程的模擬,具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。
(3)建立建筑物模型,采用本文構(gòu)建的爆炸沖擊波與建筑物結(jié)構(gòu)作用計(jì)算模型 ,模擬了對建筑物的毀傷及沖擊波傳播過程,獲得了建筑物毀傷效果和沖擊波超壓分布。