表面覆水对浅埋爆炸冲量传递的影响

高文博, 赵振宇, 任建伟, 卢天健

表面覆水对浅埋爆炸冲量传递的影响

高文博1, 2, 赵振宇1, 2, 任建伟1, 2, 卢天健1, 2

(1. 南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室, 江苏 南京, 210016; 2. 南京航空航天大学多功能轻量化材料与结构工信部重点实验室, 江苏 南京, 210016)

表面覆水浅埋爆炸是装甲车辆在滩涂地区作战的主要威胁之一。由于同时具有水层和砂层的影响,表面覆水浅埋爆炸的冲量传递特性与传统浅埋爆炸差异较大。为精细表征表面覆水对浅埋炸药爆炸冲量传递的影响, 文章借助AUTODYN有限元软件, 采用流固耦合算法对表面覆水的浅埋爆炸过程进行数值仿真。研究表明, 流固耦合方法能够有效仿真表面覆水工况下浅埋爆炸; 表面覆水增强了浅埋爆炸中传递给目标的冲量, 且冲量随水层厚度的增加逐渐增大; 同时, 炸药底部的垫层厚度对冲量传递也有一定的影响。文中结果可为滩涂地区用装甲车辆高性能防护结构设计提供有效的研究手段。

浅埋爆炸; 表面覆水; 冲量传递; 流固耦合

0 引言

现代战场中, 爆炸载荷对装甲结构和乘员安全伤害较大[1]。依据爆炸波传播媒介的不同, 可将爆炸载荷划分为空气爆炸、水下爆炸和岩石爆炸等形式[2]。依据爆炸物的布置位置和炸坑形貌[3]的不同, 可将岩石爆炸细分为地表爆炸、浅埋爆炸、深埋爆炸和地下爆炸等[1]。目前, 浅埋爆炸是陆地战场上最常见的爆炸载荷, 对作战人员及装备安全威胁极大。根据表面是否覆水, 又可将浅埋爆炸进一步分为无覆水浅埋爆炸和覆水浅埋爆炸。由于陆用装甲车辆在战场中应用较为普遍, 国内外均针对无覆水浅埋爆炸展开了广泛研究, 尤其对其冲量传递机理的研究较为深入, 研究发现: 爆炸过程中, 爆炸物在爆炸瞬间产生的爆炸超压不仅会导致装甲车体的局部破坏与倾覆[4], 还会对乘员组织器官造成不可逆的伤害[5]; 此外, 高速飞溅的砂土颗粒会导致车体进一步变形, 进而对乘员造成挤压性伤害[6]。

评价浅埋爆炸杀伤力的主要指标是爆炸后传递到结构的冲量[1], 故如何测量该冲量成为目前国内外研究的一个主要问题。现有针对冲量传递实验方法的定量化分析, 多采用2种手段[1]。第1种是靶板自由式: 采用高速摄影技术捕捉靶板在爆炸载荷作用下获得的速度, 计算靶板的动量, 依据动量的变化量表征传递给结构的冲量[7]; 第2种是靶板固定式: 靶板四边固定, 采用在靶板上布置的压力传感器提取靶板所受压力随时间的变化曲线, 计算压力对时间的积分表征传递给结构的冲量[8]。此外, 还可采用多环嵌套装置, 通过高速摄影技术捕捉圆环上升的位移, 由此计算圆环的上升速度, 同样能够准确获得传递给结构的冲量的空间分布[9-10]。

国内外目前针对无覆水浅埋爆炸的研究主要集中于探究不同地质条件下, 传递给结构的冲量变化情况。研究发现, 砂土的各种地质因素对浅埋爆炸事件中冲量的传递有较大影响[7], 包括砂土孔隙率、砂粒形状、土壤密度和含水量等, 例如: 砂土的孔隙率对冲量的传递有一定的影响, 但随着砂土颗粒之间孔隙率的增加, 传递给结构的冲量逐渐减少[11]; 砂粒的形状在冲量传递过程中发挥着重要作用, 不同形状颗粒间的摩擦力不同, 而颗粒间的摩擦力会增加冲量的损耗[12]; 土壤密度和传递给结构的冲量成正比[7], 增加土壤的初始密度会增加传递给目标的冲量[13]。

但是在各类地质条件中, 土壤颗粒的含水量对冲量的传递影响最大[7]。根据含水量的不同, 可将砂土分为欠饱和态、完全饱和态和表面覆水态。土壤颗粒含水量较低(低于8%左右)时, 冲量对含水量不敏感[7]。随着土壤含水量的增加直至达到完全饱和态, 传递给目标结构的冲量显著增加[14]。砂土含水量足够高时, 相较于同等条件下的干砂, 传递给结构的冲量增加了近7倍[15]。高应变率变形下, 土壤中的水分来不及排出, 土壤的抗剪切能力明显提高, 砂料在飞溅过程中更加不易松散, 故传递给结构载荷的冲量增大[16]。

随着含水量的进一步增加, 砂土由完全饱和态的无覆水浅埋爆炸转变为表面覆水的浅埋爆炸。相较于其他爆炸工况, 有水参与的爆炸工况作用到结构上的载荷更为复杂。目前, 国内外学者大多通过开展水下爆炸研究, 探究水对爆炸威力的影响以及作用于结构的载荷类型和作用机理。近年来, 针对水下爆炸的研究主要集中于探究爆炸冲击波的传播及其分布[17]、爆炸后产生的气泡脉动[18]、气泡坍塌引起的射流现象[19], 以及防护结构的破坏模式[20]等。现代登陆作战中, 通常有大量的水雷埋设在浅滩处, 而相比于陆地浅埋地雷的爆炸, 浅滩处的水雷爆炸强度更大[21], 故涉水抢滩是伤亡率最高的作战阶段[22]。目前, 国内外缺乏有关滩涂处复杂地质条件对浅埋爆炸冲量传递影响的公开研究, 其作用机理还有待探索。

文中旨在考虑表面覆水浅埋爆炸对于结构冲击作用的影响, 采用传递到结构的冲量及分布情况表征该工况下的载荷特性。首先, 建立表面覆水的浅埋爆炸模型, 采用有限元方法计算冲量传递; 然后, 通过与文献中实验结果进行对比, 验证仿真方法的准确性; 最后, 基于仿真结果, 量化水层厚度及爆炸物的垫层厚度对冲量传递及分布情况的影响。

1 问题描述

图1 表面覆水浅埋爆炸模型示意图

2 数值仿真

2.1 几何模型

图2 表面覆水浅埋爆炸有限元模型

表1 4340钢材料参数

表2 数值模型几何参数设置

目标板采用拉格朗日单元建模, 边界自由。空气、水、C4、砂土均采用多物质欧拉单元建模。欧拉域底部采用固支反射边界, 其余边界采用流出边界。开展网格无关性验证(见图3), 发现欧拉单元网格尺寸设置为2 mm时, 计算结果较为精确且计算效率较高。为提高计算精度, 将拉格朗日单元网格尺寸设为2 mm, 数值模型网格总数为16 600。

作为剧作家，袁昌英与莎士比亚的关系格外受人关注，不少文章涉及此类主题，如杨静远《袁昌英与莎士比亚》，金洁《中国现代女作家袁昌英与莎士比亚》等。但这些文章基本上仅停留在一般的介绍和描述阶段，缺乏深入的学术探讨。

图3 网格无关性分析

2.2 材料特性

空气材料模型[23]选择理想气体状态方程

采用Shock模型描述水的运动状态, 状态方程为

表3 水状态方程具体参数

炸药材料选择C4, 状态方程用如下Jones- Wilkins-Lee模型描述

表4 C4材料参数

砂土采用AUTODYN中默认的砂土模型描述, 该模型为Laine等[25]提出的砂土在动载荷作用下的响应本构模型。文中主要研究砂土颗粒和水对目标的冲击作用, 不考虑砂土颗粒的失效模型。

图4 不同爆距下仿真与实验值对比曲线

图5 不同埋深下仿真与实验值对比曲线

图6 水状态方程仿真与实验值对比曲线

3 实验结果与分析

文中采用靶板自由式方法, 量化砂层表面覆水及垫层厚度对浅埋爆炸冲量传递的影响。

3.1 水层厚度影响

图7 板块所受冲量分布曲线

表5 不同工况下整体靶板受到的比冲量对比

图8 工况下浅埋爆炸时序图

图9 爆炸后0.2 ms时不同工况模型对比图

3.2 垫层厚度影响

选择合适的垫层厚度开展表面覆水浅埋爆炸的仿真分析, 结果如图11所示。可见, 随着垫层厚度的增加, 传递到结构的冲量逐渐减小, 并在垫层厚度达到90 mm后趋于稳定。需要指出的是, 为保证垫层厚度对结果影响较小的同时提高计算效率, 文中在其他小节中给出的有限元仿真结果均基于100 mm的垫层厚度。

图10 不同水层厚度下爆炸物传递到目标的总冲量

图11 垫层厚度对冲量传递影响

4 结束语

文中采用流固耦合算法, 对表面覆水的浅埋爆炸过程进行有限元数值仿真, 并基于文献中的实验结果验证了仿真模型的准确性, 随后量化了不同水层厚度对浅埋爆炸中冲量传递的影响, 得出以下主要结论:

1) 相较于没有水参与的浅埋爆炸, 砂层之上有覆水层的浅埋爆炸传递到靶板结构的冲量显著增加;

2) 靶板各子结构受到的比冲量随着水层厚度的增加而增大;

3) 靶板所受到的比冲量随着爆炸物底部垫层厚度的增加而逐渐减小，最终趋于稳定, 随着水层厚度的增加, 靶板受到的整体比冲量增大;

4) 爆距为0时, 传递给靶板的冲量随水层厚度的增加呈现先增大后降低的趋势。

文中研究结果可为表面覆水浅埋爆炸结构防护设计提供理论参考。然而, 文中仅采用有限元仿真方法对表面覆水浅埋爆炸工况进行了探究, 且只考虑了爆炸物在砂土中埋置深度固定时, 水层对冲量传递的影响。后续仍需进行相关实验及有限元仿真, 并探究不同参数对冲量传递的影响。

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Effects of Water Covering on Impulse Transfer in Shallow Buried Explosions

GAO Wen-bo1, 2, ZHAO Zhen-yu1, 2, REN Jian-wei1, 2, LU Tian-jian1, 2

(1. State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 2. MIIT Key Laboratory of Multifunctional Lightweight Materials and Structures, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Shallow buried explosions covered by water are one of the major threats to armored vehicles fighting in tidal flat areas. Based on the influence of both the water layer and sand layer, the impulse transfer characteristics of shallow buried explosions covered by water are significantly different from those of traditional shallow buried explosions. To characterize the influence of water covering on impulse transfer, this study employed a fluid-structure coupling algorithm to simulate shallow buried explosions covered by water using the finite element software AUTODYN. The results demonstrate that the fluid-structure coupling method can effectively simulate shallow buried explosions covered by water. Water covering enhances the impulse transmitted to the target in shallow buried explosions and the impulse increases with an increasing depth of the water layer. The thickness of the cushion layer placed at the bottom of the explosive also affects impulse transfer. The results of this study can provide useful guide-lines for designing high-performance protection structures for armored vehicles used in tidal flat areas.

shallow buried explosion; water covering; impulse transfer; fluid-structure coupling

高文博, 赵振宇, 任建伟, 等. 表面覆水对浅埋爆炸冲量传递的影响[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(3): 292-299.

TJ630.1; TB71.2

A

2096-3920(2022)03-0292-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.003

2022-02-18;

2022-04-01.

国家自然科学基金(11972185, 12002156)、中国博士后科学基金(2020M671473).

高文博(1999-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为强动载荷下轻质材料与结构力学行为.

(责任编辑: 吴 攀)