空氣中爆炸沖擊波超壓峰值的預測

嚴國建,周明安,余 輪,周曉光

(國防科學技術大學, 湖南長沙 410072)

空氣中爆炸沖擊波超壓峰值的預測

嚴國建,周明安,余 輪,周曉光

(國防科學技術大學, 湖南長沙 410072)

選用 TNT炸藥,利用 ANSYS仿真軟件模擬和神經網絡技術預測空氣中不同距離爆炸沖擊波超壓峰值,揭示其衰減變化規律,并與經驗公式計算結果相互比對誤差,發現仿真模擬和神經網絡的結論值與實驗測量值更加接近。

爆炸沖擊波;超壓峰值;ANSYS;仿真模擬;神經網絡

沖擊波峰值超壓表示沖擊波瞬間作用的量,炸藥爆炸過程中沖擊波的傳播是一個極為復雜的問題,峰值超壓是描述空氣沖擊波強弱的參數之一,其變化規律也受沖擊波傳播影響表現得復雜[1]。簡單的采用經驗公式計算超壓峰值不能較全面、真實反映爆炸過程的沖擊波變化規律,而且結果較真實情況仍有較大誤差。

仿真模擬是真實過程或系統在整個時間內運行的模仿,用數學公式或邏輯關系的假設構造成模型,用這種模型試驗以取得相應系統行為的某些結果[2]。利用顯式算法快速求解短時間、大變形、動態、大變形靜準態問題和復雜的多重非線性接觸碰撞問題,并通過結果分析計算出爆炸沖擊波超壓峰值和水平距離的非線性關系。

人工神經網絡是一種模范動物神經網絡行為特征,進行分布式并行信息處理的算法數學模型,具有自適應、自組織和實時學習的特點以及非線性、非局限性、非常定性和非凸性的特征[3]?；诖罅繕颖拘畔?利用計算機對神經網絡權值反復訓練,減小網絡輸出誤差,映射爆炸沖擊波超壓峰值和水平距離的非線性關系,采用訓練好的權值預測不同距離的沖擊波超壓峰值可以較為真實的反應結果。

1 爆炸沖擊波超壓峰值預測和仿真模擬

1.1 空氣介質中爆炸沖擊波的傳播規律和實驗

爆炸沖擊波通常是球面傳播的,沖擊波后面緊跟著膨脹的爆炸產物,當爆炸產物膨脹到極限體積后,空氣沖擊波尾部與爆炸產物鄰接的界面處壓力降到大氣壓 P0,而爆炸產物由于慣性繼續膨脹,即過度膨脹,直到慣性消失,從而導致沖擊波尾部產生負壓區。當爆炸產物停止膨脹而往回運動時,形成沖擊波脫離爆炸產物獨自向前運動的分界面。此時沖擊波得不到別的能量補給,同時自身能量不斷損耗,使沖擊波各種參數下降,這種下降是連續傳遞的[4],也就是空氣中爆炸沖擊波的傳播過程規律。

本文選用試驗樣品為 TNT藥柱 7.5 kg,長徑比為 (1～1.2):1。TNT藥柱為鑄裝,密度為 1.58 g/cm3,在 3.5,5,7,9.5和 12 m 5組不同水平距離處測量沖擊波超壓峰值 (△p),如表1所示[5]。

表1 沖擊波超壓峰值的測量值[5]

1.2 仿真模擬

數值模型由炸藥和空氣兩部分組成,均采用歐拉網格建模,單元使用多物質 ALE算法,炸藥空氣和材料間耦合算法。由于是條形裝藥,在中心線起爆條件下,不考慮端部效應時,可以將模型簡化成平面對稱問題。數值模型采用 cm-g-us單位制。本算例采用 ANSYS/LS-DYNA8.1進行模擬,通過選取模型節點,分別確定距離模型 3.5,5,7,9.5和 12 m 5個點的位置,輸出 5點的壓力時程曲線。

根據超壓曲線,不同距離的超壓峰值見表2。

1.3 神經網絡預測

本文采用 BP神經網絡結構,構建三層網絡,雖然爆炸沖擊波超壓峰值影響受裝藥量的大小、形狀和水平距離等因素變化,但是在本文的實驗中,試驗樣品除測量點的水平距離不同外,其它因素均不變,所以可以將輸入層設為一層,即為測量點到 TNT炸藥水平距離。輸出層是超壓峰值,所以輸出層也設為一層,即為爆炸沖擊波的超壓峰值。根據神經網絡隱層設計經驗公式[3],設計隱含層節點數為 3個。綜合以上設計神經網絡,采用優化的 BP算法[3],利用Visual Basic 6.0編程軟件編程對神經網絡權值進行訓練,如圖1所示,最終利用訓練好的權值預測3.5,5,7,9.5和 12 m 5種情況下的超壓峰值。

表2 仿真模擬超壓峰值結果

通過 10000次運算后的到得權值見圖2,并利用權值預測不同條件的超壓峰值,如表3所示。

2 經驗公式計算超壓峰值

目前,研究者主要用沖擊波壓力、超壓峰值、沖量、持續時間等沖擊波參數來描述 TNT爆炸產生的入射沖擊波的傳播規律,本文主要研究超壓峰值,并采用 Henrych給出的空氣中沖擊波峰值超壓計算方法和Brode的 TNT爆炸沖擊波峰值超壓計算方法計算獲得不同距離的超壓峰值。沖擊波的各種參數常通過比例距離來表達,比例距離的定義方法為:

式中,R為測點與爆心之間的距離,m;W為等效TNT藥量 ,kg。

圖1 權值訓練軟件

圖2 調整后權值

表3 神經網絡預測超壓峰值結果

Henrych(1979)給出的空氣中沖擊波峰值超壓的表達式為[6]:

Brode(1955)認為 TNT爆炸沖擊波峰值超壓可用下式確定:

由式 (2)、式 (3),5組條件的計算結果見表4。

3 結 論

本文采用 ANSYS/LS-DYNA8.1仿真模擬爆炸過程的沖擊波變化和神經網絡 (BP算法)預測分別在 3.5,5,7,9.5和 12 m距離上的超壓峰值;此外,

表4 經驗公式計算得超壓峰值結果

還利用 2種經驗公式分別計算獲得這 5個距離的超壓峰值,其計算結果和試驗測量的平均值見表5。

表5 不同方法計算結果

通過結果對比,發現仿真模擬和神經網絡的結論值與實驗測量值更加接近,而仿真模擬的結論值較試驗測量偏大,神經網絡預測值較試驗測量值偏小;在 7 m時的實驗測量值與仿真模擬結論值接近,其它距離上的試驗測量值與神經網絡預測值接近?？梢缘贸隼梅抡婺M和神經網絡 2種方法較傳統的經驗公式計算得的空氣中爆炸沖擊波超壓峰更接近真實情況,如果利用仿真模擬和神經網絡的結論數據重新融合,可以得到更加符合真實情況的結論。

[1] 葉序雙.爆炸作用基礎 [R].南京:南京工程兵工程學院,2004.

[2] 時黨勇,李裕春,張勝民.基于 ANSYS/LS-DYNA8.1進行顯式動力分析[M].北京:清華大學出版社,2005.

[3] 施 彥,韓力群,廉小親.神經網絡設計方法與實例分析[M].北京:北京郵電大學出版社,2009.

[4] 張廣福,劉玉存,王建華.爆炸沖擊波無限空氣領域傳播的數值模擬研究[J].山西化工,2009,(29):43-46.

[5] 王建靈,郭 煒,馮曉軍.TNT、PBX和 Hexel空中爆炸沖擊波參數的實驗研究[J].火炸藥學報,2008,(31):42-44.

[6] 亨利奇.爆炸動力學及其應用[M].熊建國.北京:科學出版社,1987.

2011-07-06)

嚴國建 (1988-),男,學士,主要從事軍事爆破及爆破工程方面的研究。