测试厂房对导弹爆炸冲击波防护性能数值仿真

2016-01-19赵蓓蕾,崔村燕,陈景鹏等

装备学院学报 2015年6期

崔村燕，女，副教授，硕士生导师。

赵蓓蕾1,2，崔村燕2 ，陈景鹏2 ，李晓勇3 ，李幸1,2

(1. 装备学院研究生管理大队，北京101416；2. 装备学院航天装备系，北京101416；3. 63762部队)

摘要了解导弹测试厂房对爆炸冲击波的防护性能，对于航天发射场安全风险分析至关重要。以某发射基地测试厂房为分析对象，利用LS-DYNA软件对测试厂房内导弹意外爆炸的情况进行了数值仿真，并与经验方法估算的结果进行对比，验证了数值仿真的有效性和可靠性。结果表明:发生爆炸时，抗爆墙能发挥良好的抗爆性能，泄爆墙能及时泄压减压，测试厂房的防护性能满足要求。

关键词爆炸冲击波；数值仿真；LS-DYNA

作者简介赵蓓蕾(1991-)，女，硕士研究生，主要研究方向为航天发射总体技术。18810962461@163.com

中图分类号V55

文章编号2095-3828(2015)06-0074-04

文献标志码A

DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2015.06.017

AbstractTo know about the protective performance of missile test plant against the explosion shock wave, it is vital to analyze the safety risk of space launching site. Taking the test plant at a launch site as an analysis object, the paper conducts numerical simulation on the unexpected missile explosion in the test plant with LS-DYNA software and compare with the result of estimation with experience method so as to verify the effectiveness and reliability of numerical simulation. The result indicates, in the case of explosion, the anti-explosion wall shows good performance in explosion resistance and the press-relief wall is able to release and alleviate pressure, so the protective performance of test plant can meet the requirements.

Keywordsexplosion shock wave; numerical simulation; LS-DYNA

NumericalSimulationonProtectivePerformanceof

TestPlantsagainstExplosionShockWave

ZHAOBeilei1,2,CUICunyan2,CHEN Jingpeng2,LI Xiaoyong3,LI Xing1,2

(1.DepartmentofGraduateManagement,EquipmentAcademy,Beijing101416,China;

2.DepartmentofSpaceEquipment,EquipmentAcademy,Beijing101416,China;

3. 63762Troops,China)

固体导弹在测试厂房进行测试时，推进剂已经装填完毕，在测试过程中有发生爆炸的可能[1]。测试厂房的墙体主要由钢筋混凝土抗爆墙和轻质泄爆墙组成。一旦导弹在测试厂房内发生爆炸，抗爆墙必须有足够的强度，以保护墙外人员和设施设备。泄爆墙则需要将压力及时释放出去，减小对抗爆墙的冲击。

LS-DYNA是一款著名的显式非线性动力分析程序，特别适用于求解三维的爆炸冲击动力问题[2]。近年来，国内外研究者利用该软件在墙体抗爆方面开展了很多研究，但基本都是在小当量爆炸情况下针对单一墙体进行爆炸毁伤效果分析，而导弹爆炸当量较大，研究测试厂房对爆炸冲击波的防护性能，则需要综合考虑抗爆墙与泄爆墙的共同作用。在导弹爆炸方面，国内外尚无试验研究，可用的数据很少。本文采用查阅技术手册和进行数值仿真相结合的方法开展研究，以期为爆炸危害的防御设计提供参考。

1作用机理

爆炸发生后，冲击波将分别在抗爆墙、泄爆墙、地面以及房顶上发生多次反射，反射波与入射波之间、不同的反射波之间还将产生复杂的叠加，厂房内的流场十分杂乱。以爆炸冲击波与单一墙体的相互作用为例，分析冲击波遇到壁面后发生的反射，如图1所示。

图1　爆炸冲击波与墙体相互作用示意图

导弹测试时发生的爆炸可以视为地面爆炸。墙体迎爆面的冲击波为半球面波，在墙体不同高度处入射角α不断变化。墙体较低处冲击波入射角较小，作用的冲击波为规则反射波；而墙体较高处，冲击波入射角大于某临界值后，将会发生马赫反射[3]。

2计算模型

计算模型由等效TNT炸药、空气、房顶、抗爆墙、泄爆墙以及地面六部分组成。根据最不利原则，将导弹的每一级推进剂按照最大当量系数折算成等效的TNT当量。为节约计算资源，只对部分空气域建模，使得厂房模型包含在空气域内。模型的结构如图2所示，采用cm-g-μs单位制(模型长、宽、高单位均为cm)，坐标原点位于大厅的正中央，z轴垂直于xy平面指向上。

图2　仿真模型结构示意图

TNT炸药采用MAT-HIGH-EXPLOSLVE-BURN材料模型，爆轰压力P和单位体积内能E及相对体积V的关系采用JWL状态方程进行描述。

(1)

式中,A、B、R1、R2、ω为JWL状态方程的参数；E为炸药的内能；V为相对体积。

空气采用MAT_NULL材料模型和线性多项式状态方程EOS_LNIEAR_POLYNOMIAL进行描述。

(2)

钢筋混凝土抗爆墙由2种材料组成，其性质各不相同，在有限元分析时必须考虑其特点[5]。本文选用整体式模型对墙体建模，采用96号材料模型MAT-BRTTLE-DAMAGE[6]来描述,这种材料模型能够很好地描述高应变率条件下混凝土的动态响应。材料模型中还包括配筋率的选项，可以方便地定义钢筋和混凝土的材料属性[7]。

为了便于观察爆炸冲击波在测试厂房内的传播，将空气域的各个表面设置为无反射边界条件，避免冲击波在边界上发生反射重新进入模型区域影响仿真结果的准确性。抗爆墙作为测试厂房的防护结构，底部由刚性地基支承，因此在其底面上施加法线方向的位移约束，其余面为自由面。

3 结果分析

3.1　抗爆墙超压分布的仿真结果

爆炸时装药会发生猛烈的化学反应，在测试厂房内瞬间释放出大量的能量，产生大量高温、高压等爆炸反应产物，这些产物急剧膨胀并向四周高速飞散，导致厂房内空气的压强、温度和密度突跃上升而形成初始冲击波[8]。与自由大气中发生爆炸不同的是，测试厂房属于有限空间，爆炸冲击波在传播过程中遇到墙体会发生波的反射和叠加，在墙体表面形成高压区。

为了对爆炸载荷作用下抗爆墙表面的超压进行量化分析，在迎爆面不同的高度处选取4个典型的单元，如图3所示。单元A1(0,-1 500,0)位于抗爆墙与地面相交线的中心，单元A2(0,-1 500,430)、单元A3(0,-1 500,750)、单元A4(0,-1 500,1 300)沿z轴的正方向自下而上排列。冲击波在单元A1处的入射角为0°，发生的是正反射；在单元A2、 A3、 A4处的入射角分别为30°、45°及60°，发生的是斜反射。

图3　防爆墙上4个单元位置示意图

根据仿真结果，得到4个单元的超压时程曲线，如图4所示。从图中可以看到爆炸发生后在极短的时间内，4个单元的压力时程曲线均突跃上升到峰值压强，接着又出现了急剧的衰减。这是由于随着传播距离的增大，冲击波波阵面的面积不断增大，单位面积上的能量分布降低，反应过程中的不可逆损失增加而导致[9]。在抗爆墙的迎爆面上，随着单元高度的增加，冲击波的超压峰值明显减小，而正压区不断拉宽，正压作用时间延长。

图4　不同单元压力时程曲线

3.2　抗爆墙超压分布的经验估算

我国在抗爆标准编制方面起步较晚，对于建筑结构抗爆设计尚未建立起健全的标准体系。本文使用的是美国陆军编写的《抗偶然爆炸结构设计手册》(编号为TM5-1300)，该标准在军事建筑结构抗爆设计中使用最为广泛。查阅手册中柱形装药地面爆炸冲击波的正相参数图以及反射波的峰值超压与入射角的关系图[10]，分别见图5和图6，图上单位为英制标准单位。

图5　柱形装药地面爆炸冲击波正相参数

图6　反射冲击波随入射角变化关系

首先根据本文算例，确定导弹地面爆炸的比例距离

式中,R为导弹距抗爆墙的距离；W为导弹的等效TNT当量。为方便查阅曲线，将结果进行单位换算，得到Z=0.59ft/Ib1/3。

根据图5得到正反射对应的反射波峰值超压为8 296psi，约为57.2MPa。根据图6得到30°入射角对应的反射波峰值超压为7 048psi，约为48.6MPa；45°入射角对应的反射波峰值超压为4 046psi，约为27.9MPa；60°入射角对应的反射波峰值超压为1 010psi，约为6.97MPa。将数值仿真与经验公式的结果进行对照，见表1。

表1　数值仿真与经验结果对照

由表1可以看出，数值仿真和经验估算的结果十分相近，相对误差在可以接受的范围内。4个单元超压峰值的仿真计算值均大于经验值，这是由于经验方法考虑的是炸药地面爆炸冲击波在单一墙体表面发生反射的情况，而测试厂房空间相对密闭，爆炸冲击波会在抗爆墙、地面、泄爆墙及房顶之间来回反射，发生复杂的相互叠加，入射波与反射波合成后，强度大大升高。