聚能射流對公交起火近場次生危害的分析與抑制

付艷恕， 徐 文

(南昌大學 機電工程學院， 南昌 330031)

?

聚能射流對公交起火近場次生危害的分析與抑制

付艷恕， 徐 文

(南昌大學 機電工程學院， 南昌 330031)

鑒于近年來接連發生數起惡性公交車起火事故，且事故具有突發性與發展快速性，提出利用聚能射流對起火后逃生通道進行開辟與擴充。然而，聚能射流觸發后伴隨一系列危害因素，可能給駕乘人員造成次生傷害。據此，利用ANSYS/LS-DYNA建立射流切割器數值分析模型，探索聚能裝藥爆轟產物超壓與高溫，并基于人體耐受能力評價其對駕乘人員的傷害。通過系列對比分析，獲得適用于公交車起火逃生通道開辟與擴充的線型聚能射流設計參數，實現對駕乘人員近場次生災害的抑制，以確保駕乘人員的安全，以期促進該方法在公交車起火防護中的應用。

聚能射流； 公交車救援； 逃生通道； 次生危害； 起火事故

1　引言

我國正處于社會經濟飛速發展，人民生活水平日益提高階段。城市人口劇增，私家車迅速推廣，隨之而來的市內人員流動速度快、強度大，導致城市交通擁堵現象普遍。以南昌地區為例，不僅設有常規公交，且根據流動人口集散情況還設置了南昌火車站到高鐵西客站的快速公交，市區到轄縣直達公交等；在動力品種上，有燃油公交車、電動公交車等。發達的公共交通系統為市民提供了節能、環保、方便、快捷的出行方式，但近期,我國數個主要城市連續發生了多起惡性公交車起火案，損傷慘重。公交車起火事故有以下特點：乘員多，流動頻繁，彼此不熟悉，且年齡層次、身體素質各異，難以組織有序的逃生秩序；起火后,火勢發展迅速，在秩序混亂且濃煙環境下，即使身體健壯的乘員也難以形成消防意識并實施消防行為；車門、窗難以順利打開，即使打開，在秩序混亂，煙、火交加的環境下，老、弱、病、殘、孕等體能弱勢人群容易被困；由于空間相對封閉，車外群眾難以迅速實施針對駕乘人員的直接營救。

以上特點使得公共交通雖然擁有眾多優點，卻難以保障駕乘人員安全，引起乘車憂慮。

當前，國內外關于汽車被動安全的研究〔1-5〕主要側重于具有較高運行速度的轎車及城際旅行客車的碰撞安全，相應的乘員保護措施得到了廣泛關注與豐富研究，相關技術已形成，零部件在汽車上得以推廣。而關于公交車起火乘員安全保障的探索則幾近空白，但近年來，國內接連發生多起惡性公交車起火事故，使得研究并解決該問題迫在眉捷。鑒此，提出基于線型聚能射流對公交車起火后逃生通道切割擴充研究，擬為公交車起火情況下駕乘人員逃生通道擴充建立一套科學可行的方法，從而更大限度保護駕乘人員生命、財產安全。然而聚能裝藥爆轟產物伴隨有超壓、高溫屬性，可能對近場乘員造成二次傷害。據此，本文嘗試對伴生行為開展數值分析，探索科學合理的聚能射流設計方案，以抑制次生傷害。

2　方案設計與模擬研究

王寶興、高強等人針對大巴車被劫持狀態下，開展玻璃柔性聚能切割技術的模擬實驗及噪音、沖擊波超壓、紙靶、動物損傷實驗驗證〔6〕，表明聚能切割裝置能夠在保證車內人員安全的條件下，實現對大巴車玻璃從外到內的定向切割開窗。援用其思路，本文將線型聚能射流切割器應用于公交車起火逃生通道開辟與擴充。不同之處是在切割對象、作用方向和爆轟產物擴散域等多個方面。針對聚能切割器運用于公交車起火逃生通道開辟的被動安全系統中伴隨的次生行為開展研究，并尋求抑制次生傷害的設計方案。認真剖析公交車門、窗邊框結構，了解射流切割對象特點，從而提出切割器設計要求。

2.1公交車結構特點

公交車車身結構是在骨架的基礎上在車外焊一層蒙皮，車內則是填充隔音隔熱的發泡材料和內飾。以某型客車為例，前后圍蒙皮用的是深沖熱鍍鋅鋼板，車身側圍漲拉蒙皮用的是雙面熱鍍鋅鋼板〔7〕，蒙皮厚度為1 mm。車內飾表面到蒙皮間距在不同位置有所不同，公交車側圍蒙皮與內飾間距4 cm。填充的發泡和車內飾板材所用的PVC或編織材料，這些材料相對鋼板類蒙皮密度小，強度低。因而在利用聚能射流對公交車門、窗邊框進行切割時，所需的裝藥能量相對較小。

2.2聚能射流設計

聚能射流切割器原理是利用炸藥爆轟驅動金屬錐形殼體在對稱軸附近聚合而形成向前高速運動的金屬射流，以實現切割目的。圖1是線型聚能切割器簡易三維模型。

2.3數值模型建立

根據公交車車身結構特征，提出相應的射流切割器設計要求。車身結構及聚能射流切割器布置如圖2所示。

圖2　切割器布置Fig.2　Distribution of the shaped charge

模型以某型客車為樣車，橫、豎梁結構寬度為4 cm，公交車側圍蒙皮厚度1 mm，內飾塑料板材厚度1 mm。

采用歐拉網格建模，炸藥、藥型罩和空氣材料使用多物質ALE算法，蒙皮和藥型罩、空氣材料間采用耦合算法，基于ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立數值分析模型。對應的本構方程，炸藥采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸藥燃燒模型及JWL狀態方程，藥型罩采用JOHNSON_COOK材料模型及GRUNEISEN狀態方程，空氣采用NULL無偏應力流體動力模型及GRUNEISEN狀態方程，鋼蒙皮采用PLASTIC _KINEMATIC隨動塑性模型，材料的建模參數見表1。

表1　材料參數

注：空氣的絕熱指數γ=1.4，內能為2.5×10-4J/cm3；炸藥爆速為3 500 m/s。

利用數值模型對聚能射流切割車門、窗邊框行為開展模擬與分析。針對公交車門、窗結構，沿縱向對稱進行左右兩邊逃生通道的開辟與擴充，擬切割區域如圖3所示。公交車除支撐立柱外，切割區域從底板至頂框位置，最大限度地擴充了逃生通道，且沒有留根底。所示區域逃生通道的開辟與擴充為車內人員的逃生和車外人員的施救提供了最大空間。

圖3　擬切割區域Fig.3　Proposed cutting area

按照設計意圖，本裝置可通過煙、火監測傳感器控制起爆，實現公交車起火后逃生通道的瞬間開辟。該方案能改變以往公交車起火后依賴乘員的意識形成消防與逃生的方式。

圖4為方框形逃生通道開辟數值分析結果。表明聚能射流能實現對公交車門、窗類雙層靶板結構的切割以形成方框形逃生通道，且圖中數據顯示，整個動作耗時384 μs，該裝置完成逃生通道時間為微秒量級。在此時間內，火情的惡化與人員的傷亡尚未得到充分發展，可為逃生與救援贏得時間，為起火狀態下駕乘人員的逃生提供無障礙的通道。

圖4　方框形逃生通道Fig. 4　Square shape emergency exits

利用聚能射流進行公交車起火逃生通道的開辟與擴充具有快速、高效的特點。但實際應用時，需要進一步考慮聚能裝藥的負面效應并采取抑制措施以避免聚能切割器動作對車內人員造成二次傷害。

3　聚能射流切割器設計

本方案旨在不改變公交車結構情況下，將切割器直接安裝于車廂內即可使用。通常，公交車內乘員人數多，因而要求設計方案確保射流切割器在穩定高效開辟逃生通道的同時，能抑制聚能射流工作過程的次生傷害行為，避免車內駕乘人員受到二次傷害。

3.1切割器選材

炸藥是聚能射流的能源，炸藥的類別和用量直接影響射流的切割效果。基于爆轟理論可知，高爆速、大密度的炸藥對射流有積極的作用。但出于保護車內人員安全的考慮，則需要爆速和密度適中，性能穩定、可靠性高的工業炸藥。

炸藥通過爆炸壓力壓垮藥型罩并聚焦形成金屬射流。而藥型罩是影響射流切割能力的重要因素之一。藥型罩的密度大、塑性好，射流運動過程中汽化少，則更加有利于射流的侵徹，一般選用紫銅、鑄鐵、鋼或硬鋁〔9〕。本設計選用紫銅作為藥型罩材料。

3.2切割器結構設計

通常在線型聚能射流切割器設計中，藥罩質量比(炸藥質量/藥型罩質量)R處于1.5 ～4之間，在此區間，炸藥的利用率較高〔8〕。

根據工程需要，選用厚度0.2 mm的銅板作為藥型罩，裝藥厚度為4 mm，此時藥罩質量比R=2.6。從射流形成理論可知，最佳頂角依賴于藥型罩的彎折角φ，而通常線型聚能裝藥藥罩質量比R相對應金屬罩的彎折角φ應在φ=15°～25°之間，對應的線型聚能射流藥型罩的半角θ(q=2θ)有如下關系〔10〕：

(2)

H=hsin2θ/cosθ

(3)

將上述半開角及母線值代入式(3)得設計需要的炸高H為2 mm。

表2　切割器基本參數

3.3裝藥模擬

基于上述參數，設計出如圖5所示常規開放型聚能裝藥模型。

圖5　開放型聚能裝藥Fig.5　Shape charge of open type

開放型聚能裝藥結構簡單，且在數值模擬中可以精準完成切割作業。

4　次生危害分析與抑制

4.1次生危害分析

圖5所示開放型裝藥結構具備開辟公交車逃生通道的功能，且結構簡單。當遇到嚴重火情時，切割器接收到點爆命令并執行，炸藥爆炸將給車內駕乘人員帶來新的威脅，可能造成的危害有：①爆震傷又稱沖擊傷，是爆炸傷害中最為嚴重的一種損失；②爆碎傷，爆炸物爆炸后直接作用于人體造成人體組織破裂、內臟破裂、肢體破裂、血肉橫飛，失去完整形態；③爆燒傷，是燒傷和沖擊傷的復合傷；④有害氣體中毒，爆炸后的煙霧及有害氣體會造成人體中毒。

以上所描述的四種危害中，爆震傷與爆碎傷直接由爆轟產物超壓導致，而爆燒傷由爆轟產物溫度過高導致。至于有害氣體，可通過選取零氧平衡炸藥以避免其傷害。為了考查爆轟產物超壓與高溫，選取距爆炸中心位置5 cm處的點作為檢測點觀察超壓與溫度的變化。常規開放型結構的超壓變化如圖6所示。

圖6　超壓變化曲線Fig.6　The change curve of overpressure

在沖擊波對人體損傷的研究中，人體聽覺系統對超壓最為敏感，一般將鼓膜破裂作為人體損傷的最低判斷標準。赫希積累的數據表明〔13〕，當沖擊波超壓達到34 kPa時，快速上升的沖擊波對鼓膜損傷達96%,而緩慢上升的沖擊波達65%左右，鼓膜破裂不僅取決于超壓峰值，與超壓持續時間也有關系。一般情況下，將鼓膜破裂的閾值設為34 kPa， 50%鼓膜破裂一般采用的值為103 kPa。而由圖6可知，常規開放型結構在5 cm處的峰值超壓已達到110 kPa，加之快速上升而來的峰值超壓在此距離內對人體聽覺具有危害。

沖擊波對人體不同器官的影響因素有超壓大小、作用時間及沖擊次數。表3是喉、消化道、肺的傷害準則〔14〕。

在次生行為中除產生超壓外，對爆炸周邊環境還有溫度場的變化，距爆源中心5 cm處的同系溫度變化曲線如圖7所示。

表3　超壓閥值

圖7　同系溫度曲線Fig.7　The curve of homologous temperature

在LS-DYNA手冊中的同系溫度是某物質在室溫下的絕對溫度與該物質熔點換算成絕對溫度后的比值，且有如下公式：

(4)

式中：T*為同系溫度，初始設置藥型罩熔點Tmelt=1 082 ℃，室溫Troom=20 ℃，根據公式(4)可以計算出T。圖7中同系溫度最大為T*=0.042，T=64.6 ℃；同系溫度T*超過0.02，T=41.2 ℃的時間是20μs。

最先接受外界熱量且最敏感的人體組織是皮膚，由外而內依次為表皮層、真皮層和皮下組織三部分。根據皮膚燒傷評估，當溫度超過44 ℃，僅發生在表皮層有灼痛感但能很快恢復，通常認為一度燒傷不會對人生命產生威脅。而在55 ℃時，一級燒傷持續20s之后二級和三級相繼出現〔15〕。而圖7表明此距離由爆炸產生的溫度變化屬于微秒級，僅為對人體有溫度感知的反應，不構成任何傷害。

由圖6、圖7可知，常規開放型裝藥工作過程只有爆炸產生的超壓對人體具有一定威脅。

4.2次生危害抑制

要降低聚能射流執行切割命令過程產生的超壓，可通過優化裝藥結構以降低裝藥量，并增加非接觸式金屬防護罩及緩沖填充劑的方式以隔離爆壓。根據射流形成理論〔16〕及爆炸點處于中心位置，設計出如圖8所示約束型的聚能切割器。

圖8　約束型聚能裝藥Fig.8　The shaped charge of constraint type

非接觸約束型采用封閉式結構，較常規開放結構相比，此結構增加金屬防護罩和起固定炸藥作用的輕質泡沫填充劑且裝藥少。模擬切割效果及對應位置超壓變化曲線如圖9所示。

圖9　超壓曲線Fig.9　The overpressure curve

金屬防護罩不僅可以起到削弱超壓的作用，還能有效保護裝藥防潮防盜。圖9表明非接觸約束型結構峰值超壓僅為0.33kPa，此距離的峰值超壓對車乘人員人身安全不會構成傷害。

因此，該模型結構不僅保留了前者的射流侵徹能力，以實現逃生通道開辟與擴充的效果,且能成功抑制聚能射流次生傷害行為，從而保障駕乘人員安全逃生。

5　結論

(1)數值計算表明，聚能射流乘員近場爆炸，爆轟產物的超壓是導致次生危害的主要因素。

(2)通過優化聚能射流結構，在減少裝藥量的同時，可保留射流切割能力，進一步添加緩沖填充劑可有效衰減爆轟產物超壓，從而抑制次生危害。

(3)系統總結了聚能射流應用于公交車起火逃生通道開辟與擴充可能存在的次生危害，并探尋了抑制次生危害的參數設計，為公交車起火逃生通道開辟與擴充技術提供參考。

〔1〕 何文，鐘志華，楊濟匡. 汽車安全氣囊工作性能仿真試驗驗證技術研究[J]. 機械工程學報，2002，38(4)：126-129.

HEWen,ZHONGZhi-hua,YANGJi-kuang.Researchontheverificationtechnologyofautomobilesafetyairbag[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering, 2002,38(4):126-129.

〔2〕POTULASR,SOLANKIKN,OGLESBYDL,etal.Investigationoccupantsafetythroughsimulatingtheinteractionbetweensidecurtainairbagdeploymentandanout-of-positionoccupant[J].AccidentAnalysisandPrevention, 2012,49(6): 392-403.

〔3〕HALLMANJJ,NARAYANY,FRANKAP.Doorvelocityandoccupantdistanceaffectlateralthoracicinjurymitigationwithsideairbag[J].AccidentAnalysisandPrevention, 2011,43(3): 829-839.

〔4〕 肖志，WISMANSJ, 蔣小晴，等. 移動式安全座椅的乘員保護性能的研究[J]. 汽車工程，2011，33(7)：603-607.XIAOZhi,WISMANSJ,JIANGXiao-qing，etal.Astudyonoccupantprotectionperformanceofmovingsafetyseat[J].VehicleEngineering,2011,33(7):603-607.

〔5〕MATTHIEUL.Willingnesstousesafetybeltandle-velsofinjuryincaraccidents[J].AccidentAnalysisandPrevention, 2008, 40(3): 1023-1032.

〔6〕 王寶興，高強，張雙計,等. 大巴車玻璃柔性聚能切割技術的應用研究[J]. 工程爆破，2014，20(6)：54-57.

WANGBao-xing,GAOQiang,ZHANGShuang-ji,etal.Applicationresearchofflexibleshapedcuttingtechnologyinbusglass[J].EngineeringBlasting, 2014, 20(6)：54-57.

〔7〕 陳晨. 客車側圍蒙皮漲拉工藝簡析[J]. 商用汽車，2008(9):48-49.

CHENCheng.Anintroductionoftensioningtechnologyofsidewall-skinforbusesandcoaches[J].CommercialVehicle,2008(9):48-49.

〔8〕 石一丁. 小型線型聚能切割器參數研究與設計[D]. 南京：南京理工大學，2006：33-36.

SHIYi-ding.Parametersofthemini-linearshapedcumulativecutterarestudiedanddesigned[D].Nanjing:NanjingUniversityofScienceandTechnology,2006：33-36.

〔9〕 陳壽峰，劉殿書，薛士文, 等. 水下爆破聚能藥包設計與布設工藝[J]. 河北科技大學學報，2013,34(3)：265-268.

CHENShou-feng,LIUDian-shu,XUEShi-wen,etal.Shapedchargedesignandlayoutprocessforunderwaterblasting[J].JournalofHebeiUniverdityofScienceandTechnology, 2013,34(3):265-268.

〔10〕 紀沖，龍源，楊旭，等. 線性聚能切割器在工程爆破中的應用研究[J]. 爆破器材，2004,33(1)：32-35.

JIChong,LONGYuan,YANGXU,etal.Theapplicationresearchoflinearshapedchargecutterinblasting[J].ExplosiveMaterials,2004,33(1):32-35.

〔11〕 梁爭峰，胡煥性，焦有東，等. 間隔靶對射流侵徹能力影響極限的實驗研究[J]. 火炸藥學報，2003,26(1)：12-15.

LIANGZheng-feng,HUHuan-xing,JIAOYou-dong,etal.Experinentalstudyontheultimateadverseeffectofthespacebetweentargetplatesonjetpentrationdepth[J].ChineseJournalofExplosives&Propellants, 2003,26(1):12-15.

〔12〕 張凱，李曉杰. 聚能線型切割器最佳張開角的理論分析[J]. 爆炸與沖擊，1988,8(4):30-36.

ZHANGKai,LIXiao-jie.Analysisofexplosivecuttertheorytheoptimalopeningangle[J].ExplosionandShockWaves,1988,8(4):30-36.

〔13〕BROWENIG.Estimateofman`stolerancetothedirecteffectsofairblast,DASA-2113[C]//Washington，D.C.:DefenseAtomicSupportAgencyDepartmentofDefence, 1988,8(4):316-322.

〔14〕 孫艷馥，王欣. 爆炸沖擊波對人體損傷與防護分析[J]. 火炸藥學報，2008,31(4):50-53.

SUNYan-fu,WANGXin.Analysisofhumanbodyinjuryduetoblastwaveandprotectionmethod[J].ChineseJournalofExplosives&Propellants, 2008, 31(4):50-53.

〔15〕 盧業虎. 高溫液體環境下熱防護服熱濕傳遞與皮膚燒傷預測[D]. 上海：東華大學，2013：4-8.

LUYe-hu.Studyonheatandmasstransferofthermalprotectiveclothingandpredictionofskinburnuponhotliquidsplashes[D].Shanghai：DongHuaUniversity,2013：4-8.

〔16〕 王繼海. 二維不定常流與沖擊波[M]. 北京：科學出版社，1994:492-501.

WANGJi-hai.Two-dimensionalunsteadyflowandshockwave[M].Beijing:SciencePress, 1994:492-501.

Shaped charge jet analysis and control of the secondary disaster of bus caught fire

FU Yan-shu， XU Wen

(School of Mechanical & Electrical Engineering， Nanchang University， Nanchang 330031, China)

In recent years, several buses had been caught fire viciously in major cities, and all the accidents happened su-ddenly and developed rapidly. The shaped charge jet was put forward as a countermeasure for the caught fire bus to open and enlarge the escape routes. However, a series of hazardous factors might bring some secondary disaster to drivers and passengers accompanied with detonation of shaped charge jet. In order to understand the overpressure and high temperature of the detonation products, the numerical model was established to simulate the behavior of the shaped charge jet. Then the potential dangerous for drivers and passengers were evaluated based on the physical resistance of human body. Through a series of comparative analysis, the parameters of a linear shaped charge jet suitable for caught fire bus escape routes were obtained. The secondary disaster were inhabited from near-field drivers and passengers to keep them safe. It was expected to promote the application of the method in protection of the caught fire bus.

Shaped charge jet; Bus rescue; Escape route; Secondary disaster； Fire accident

1006-7051(2016)04-0033-06

2016-07-20

國家自然科學基金資助(11202093)；江西省自然科學基金(20151BAB216022)

付艷恕(1982-)，男，博士、副教授，主要從事結構沖擊動力學響應研究。E-mail： yshfu@ncu.edu.cn

TD235.4+7

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.007