薄殼結構內氣體爆炸破壞后果數值模擬研究

錢新明， 趙煥娟， 南宇翔， 黃 平， 劉振翼

(北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081)

薄殼結構內氣體爆炸破壞后果數值模擬研究

錢新明， 趙煥娟， 南宇翔， 黃 平， 劉振翼

(北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081)

為研究氣體爆炸對結構的破壞效應，依據分析得出的事故數據，計算高壓氣體主要參數得出高壓氣團模型，采用AUTODYN，設置合理的流出邊界及聯接強度，建立Shell/Euler耦合模型，模擬了二甲苯氣體爆炸效應。結果較好地描述了結構內爆炸演化過程，二甲苯爆炸導致箱式梁產生一定程度的結構破壞，箱式梁頂板與側板的焊接點部分斷裂，底板與側板聯接失效。仿真結果與事故特征基本吻合，驗證了所用模擬方法的有效性。提出的高壓氣團模擬法基于氣體性質，分析爆炸事故特征，確定爆源氣體種類并定量其體積及分布。分析仿真結果發現內部加強筋可強化箱式梁。該研究進一步確定二甲苯的燃爆危險性，為二甲苯使用場所提供安全依據及設計參考。

定量事故分析；破壞模式；數值模擬；爆炸力學；動力響應

爆炸發生后，破壞結構物的同時，導致大量財產損失和眾多人員傷亡[1-2]。確定事故起因、進行結構抗爆炸防護等工作具有重要的意義，且爆炸事故起因分析對事故本身調查及事故防治，然常規事故分析方法的準確度越來越不能滿足事故分析尤其是定量事故分析的要求。

國內外的大批學者對各類結構物在爆炸荷載作用下的破壞效應進行了深入詳細的理論和實驗研究，提出了各類型的結構物的防爆控制理論和設計措施[3～5]。在結構抗爆研究方面，Syrunin等[6]進行了圓柱形和球形殼體遭受內外高強炸藥爆炸沖擊下的響應、強度及承載力的試驗研究；Gerasimov[7]探討了厚壁圓柱殼體結構遭爆炸沖擊的變形和破壞特征；Ryzhanskij等[8]則對圓柱形組合殼體結構的抗爆穩定性進行了評估。Martineau等[9]則對圓柱形鋼殼體遭內部爆炸荷載沖擊下的變性進行了數值分析。國內許多機構與學者也做了許多卓有成效的工作，楊建民等[10]、侯海量等[11]、閆秋實等[12]、蔣志剛等[13]運用數值模擬方法，對各類結構的爆炸響應進行了研究。

根據以往研究，點火位置[14]對氣體爆炸結果有影響，實際上爆炸氣體種類、氣體體積、爆炸位置等因素也可能影響氣體爆炸效果，需要依據定量分析來確定這些因素。但當前研究主要集中在結構物在炸藥爆炸情況下的損壞，對于近封閉結構內氣體爆炸的定量破壞研究鮮有文獻報道，且氣體爆炸多以TNT換算方式進行研究，忽略了可燃氣體性質如密度等對爆炸及破壞效應的影響。

可通過設計方案，仿真驗證的方法來解決該問題， AUTODYN對有限空間內的爆炸問題模擬具有較好的效果[15-16]。本文在分析某事故數據的基礎上，運用AUTODYN定量研究結構內氣體爆炸的破壞影響，以期進一步揭示氣體爆炸事故原因，為我國結構內可燃氣體安全生產使用和防爆抑爆技術提供依據和指導，且彌補實驗研究的不足，為抗爆研究提供另一種思路。

1 事故分析

1.1 事故典型特征

事故現場見圖1，整體情況見圖1(a)。箱式梁主體結構由頂板及底板殼，兩側板殼焊接而成，內部焊接有縱向加強圈及加強肋，加強肋僅聯接側板及頂板，結構左右對稱。主要破壞特征有：底板與側板聯接完全斷開，底板脫離，見圖1(b)；側板與加強肋聯接斷開，側板掀飛，見圖1(c)；內部加強圈、加強肋與內壁焊接處破壞，焊縫破壞嚴重，見圖1(d)。

圖1 二甲苯爆炸事故照片，2012Fig.1 Dimethylbenzene(gas) explosion accident, 2012

1.2 事故爆源分析

2012年5月，某車間箱式梁內電焊后發生爆炸，該箱式梁主要由薄殼鋼材構造，近密閉，事故前在箱式梁內部噴涂過油漆。往年發生過多起近密閉空間內的氣體爆炸事故，均由為油漆揮發的氣體遇火引起。在此分析油漆中燃爆危險因素，二甲苯在各類油漆中普遍存在。二甲苯沸點約137～140 ℃，相對空氣密度為3.66，閃點25℃，燃燒熱4 563.3 kJ/mol，爆炸極限約1.1%～7.0%(v/v)，其蒸氣與空氣可形成爆炸性混合物。根據前期現場勘察，事故前無其它可燃氣體，可初步確定爆源氣體為二甲苯。因內腔各面所涂油漆均散發出二甲苯，所以雖然二甲苯密度高于空氣，但仍確定二甲苯-空氣混合物填充滿內腔，而非只在內腔下部。二甲苯含量為7%(v/v)，即內腔約存在2 kg的二甲苯。實際上，分析事故特征時可根據破壞位置確定爆源氣體相對空氣密度，進而初步確定爆源氣體種類，本事故內部各面均有破壞，且可能存在的爆源氣體單一，所以可用來驗證高壓氣團法的有效可行性。

2 結構內二甲苯爆炸對結構作用過程數值模擬

建立仿真模型，計算氣體爆炸對結構的破壞作用，對比計算結果與事故特征，校核仿真方案的正確性。

2.1 物理模型

建立與結構尺寸一致的幾何模型，如圖2。主體結構由上下板殼、左右板殼焊接而成，整體尺寸為27 500 mm×800 mm×1 900 mm(長×寬×高)，頂板及底板厚20 mm，側板厚8 mm。內部焊接有加強圈、加強肋，厚6 mm。所有筋板滿焊，焊接系數60%。箱式梁固定。

圖2 箱式梁結構圖Fig.2 Structure diagram of box shaped beam

2.2 計算模型

在箱式梁內腔二甲苯-空氣混合氣爆炸，反應過程高速放熱，瞬間生成大量氣體產物，被壓縮在箱式梁內形成高溫高壓氣體，瞬間膨脹做功可能對結構造成破壞，可以將該過程近似為壓力驟增的等容變化過程。爆炸前后瞬間質量守恒，密度不變。為考慮氣體特殊性質，創立高壓氣團模擬法，重點考慮氣體密度ρ、體積V、爆炸位置、壓強Р、溫度T等參數。通過等容氣體狀態方程、反應熱、焓變等計算氣體燃爆瞬間壓力(0.863 5 MPa)、溫度(2 670℃)等初始狀態參數。

擬采用Shell-Euler混合計算方法解決該流固耦合問題，箱式梁、筋板采用Shell網格模型，建立1/2對稱網格模型，最小網格邊長為50 mm，總網格數為49 620，設置觀測點見圖3?？諝?、高壓的燃燒爆轟產物(高壓氣團)均采用Euler網格模型，高壓氣團填充在Euler區中。計算域為28 000×1 200×2 300 (mm)，最小網格尺寸為25 mm，總網格數為670 000，見圖4。

圖3 離散化模型Fig．3Discretemodel圖4 Shell/Euler耦合的離散化模型Fig．4Shell/EulerCoupleddiscretemodel

參照實際結構作用過程條件，設置邊界面為流出邊界，保證氣體可順利流出結構(圖4紅色部分)，以考慮結構破壞后開口處對高壓產物的釋放作用。

各板材料均為鋼材，選用彈塑性模型。模型中的參數，選取AUTODYN動態材料數據庫或試驗測試的數據，表1為各個部件的材料模型，可在仿真界面對材料參數進行修改，使其與材料特性參數一致，見表2。

表1 材料模型的參數

表2 鋼材特性參數

其中:Johnson Cook，應變硬化模型如下：

(1)

2.3 計算結果及分析

2.3.1 二甲苯產物壓力云圖

提取典型時刻下Euler計算域壓力云圖，見圖5，紅色區域相對值高于藍色?？梢姏_擊波在內部反射疊加，在局部位置產生高壓，破壞薄弱的結構。

2.3.2 箱式梁結構材料狀態圖

典型時刻下，材料狀態圖見圖6。0 ms，各部件材料均處于彈性區；15 ms，倒角等位置逐漸出現塑性失效(紅色區域)，出現較大應力；25 ms，底板與側板聯接處出現塑性應變破壞點，表明底部焊接開始失效；35 ms，底板與側板大部分聯接斷裂；頂板與側板出現小部分斷裂點；45 ms，底板被沖出，側板變形變大并逐步外翻；100 ms，底部聯接完全破壞，側板被沖開。

圖5 典型時刻Euler計算域壓力云圖Fig.5 Cloud of Calculation domain (Euler) pressure at typical moments

圖6 典型時刻結構的材料狀態圖Fig.6 Building structural material state diagram at typical moments

25 ms，爆轟產物與箱式梁的狀態見圖7，此時底板與側板間出現縫隙，且部分產物沖出。

圖7 25 ms爆轟產物與箱式梁狀態圖Fig.7 Detonation products status diagram at 25 ms

對比仿真結果與事故特征，見表3。仿真結果的聯接破壞情況、側板及底板狀態與實際破壞情況較為一致，驗證了將二甲苯作為爆炸氣體的假設是正確的。

表3 數值計算結果與事故特征的對比表

2.3.3 側壁及頂板、底板膨脹位移圖

圖8為典型時刻側壁膨脹位移圖，右側為位移最大值。圖9為頂板、底板膨脹位移圖。圖10為擬合的側壁、頂板及底板最大位移曲線，表現位移變化趨勢。

圖8 典型時刻箱式梁側壁膨脹位移圖Fig.8 Expansion displacement of side at typical moments

圖9 典型時刻箱式梁頂板、底板膨脹位移圖Fig.9 Expansion displacement of top and bottom plate at typical moments

側壁初始位移為0；15 ms，最大值為94.13 mm；25 ms，中下部出現位移最大值，為178.65 mm；35 ms，位移明顯增大，最大值為415.24 mm；45 ms，位移增大至462.6 mm；之后底部聯接處被掀飛，位移繼續增大。

頂板、底板初始位移均為0；15 ms，頂板、底板均突出，位移絕對值分別為23.6 mm、39.86 mm ；25 ms，頂板、底板均出現塑性變形，但底板位移絕對值(186.89 mm)明顯高于頂板位移絕對值(109.46 mm)；35 ms，頂板、底板位移絕對值分別達到123.7 mm、206.3 mm；45 ms，頂板位移絕對值微增，底板位移絕對值明顯增大；之后均繼續增大，但隨著內部產物沖出，頂板位移絕對值增大不顯著，底板與側板聯接斷裂后，底板繼續向下運動，位移絕對值增大速度較大。

圖10 側壁及頂板、底板最大位移擬合曲線Fig.10 Fitted displacement curve of side, top and bottom

2.3.4 典型焊接點結果分析

底板與側板某最終斷裂的焊接點位移-時間歷程曲線見圖11。23 ms左右，該點位移驟增，最大值約50 mm，之后震蕩減小至負值，不能歸零。可見該點達到塑性應變失效極限，焊接點斷裂，被拉伸的底板微小的收縮，使位移值持續為負，并震蕩。

圖11 底板與側板焊接點位移-時間曲線Fig.11 Displacement curve of bottom-side welded point

頂板與側板某最終斷裂的典型焊接點位移-時間歷程曲線見圖12。開始時，該點位移變化緩慢，且持續為負值，該現象原因是頂板的加強筋及加強肋數量多，強度較高，使焊接點不能向外拉伸，而頂板的結構彎曲使得該點位移為負值。40 ms左右，由于焊接點的斷裂，頂板焊接點的位移出現震蕩。

圖12 頂板與側板焊接點位移-時間曲線Fig.12 Displacement curve of top-side welded point

以上結果表明，二甲苯-空氣混合氣的爆炸導致箱式梁產生一定程度的結構破壞。頂板與側板處因加強圈、加強肋的焊接拉力，結構強度較高，焊接點僅有小部分斷裂。底板與側板聯接處出現塑性應變破壞點，聯接完全斷裂，底板脫落箱式梁；底板被沖擊波沖出，且加速向下運動掉落，側板在沖擊作用下向側面掀起。

總之，使用該方法可獲得直觀的二甲苯氣體爆炸對結構的破壞過程，且能定量計算氣體含量及分布情況。說明該方法在獲得氣體爆炸對結構的破壞效應領域具有一定的可信度與優勢。

另外，計算結果說明加強筋焊接處的拉力，對箱式梁外殼起到加強作用，但因內部爆炸壓力過大最終被破壞。說明在類似鋼結構的防內爆破壞設計中可在底板與側板間焊接加強肋，保證焊接質量，以保證結構的抗氣體爆炸沖擊能力。

3 結 論

詳細調研事故數據后，計算氣體特性參數，來合理的近似出高壓氣團。使用Shell-Euler耦合算法對箱式梁內二甲苯爆炸的破壞作用進行數值模擬，壓力云圖表明二甲苯爆炸在結構局部位置產生高壓。

結構材料狀態圖、膨脹位移圖、典型焊接點結果顯示出結構的破壞過程及細節，頂板與側板聯接局部失效，底板與側板聯接完全失效，底板掉落，側板掀起。特征對比表明建立的流固耦合數值模擬方法計算結果與事故主要特征基本吻合。

氣體(二甲苯)及其分布的假設成立。計算考慮了氣體特性，同時證明提出的高壓氣團近似模擬法在事故分析時有定量、準確的優勢，且可直觀描述薄殼結構內氣體爆炸的演化過程，為抗爆研究提供了一種思路。并且證明使用、儲存油漆(含二甲苯材料)的場所，在動火前應檢測二甲苯含量。

驗證了爆炸效應與氣體種類、分布等因素有關，本文所依據的事故涉及因素較單純，建模前的推斷可有效的減少計算量；但若涉及內部結構較復雜的事故數據，即可能存在多種氣體及分布情況，計算量將增大且需要進行更詳細的事故特征對比。

致謝 本工作受到國家重點基礎研究發展規劃項目(2011CB706904)事故現象與能量系統變化模式基金資助。

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Simulation analysis on destructive effect of gas explosion happening inside thin-shell construction

QIAN Xin-ming, ZHAO Huan-juan, NAN Yu-xiang, HUANG Ping, LIU Zeng-yi

(State Key Laboratory of Explosion Science &Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

In order to study gas explosion destructive effect, an equivalent model of high pressure gas with its main parameters determined by calculation was proposed according to the key characteristics of accidnet data, obtained in accident analysis. By using Shell/Euler coupling algorithm of AUTODYN, a numerical simulation for methane destructive effect was performed. According to the simulation results of one dimethylbenzene explosion accident, it is shown that the dimethylbenzene explosion can cause a certain degree of structural damage to the box-type beam. The welding joints between the roof and sides of the beam were partially ruptured while the welding joints between the side and floor were completely broken. High-pressure products rush out of the floor. The simulation results agree well with the accident destruction features and the simulation method was thus verified. Evidently, the simulation can directly describe the dynamic evolution process of explosion. Besides, the high pressure gas model proposed can reliably consider gas properties, and accurately work out gas type, content and filling position. The analysis results also indicate inner ribs can strengthen the shell of the box-type beam. By the analysis, the explosion risk of dimethylbenzene was expounded, so the results may promote the norm-setting for places involving dimethylbenzene, and provide references to similar safety design.

quantified accident analysis; failure mode; FEA; explosion mechanics; dynamic response

國家重點基礎研究發展規劃項目(973)(2011CB706904)

2013-12-11 修改稿收到日期：2014-05-20

錢新明 男，博士，教授，博士生導師，1967年生

O389

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.09.015