彈藥洞庫內部防殉爆隔爆設計與數值模擬

蔡軍鋒

(中國人民解放軍軍械工程學院 彈藥工程系，石家莊　050003)

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【裝備理論與裝備技術】

彈藥洞庫內部防殉爆隔爆設計與數值模擬

蔡軍鋒

(中國人民解放軍軍械工程學院 彈藥工程系，石家莊050003)

基于我軍現有彈藥洞庫的結構特點，以某典型彈藥洞庫為原型，對其內部進行了防殉爆隔爆防護設計，并運用數值計算分析了隔爆防護的隔爆效能。研究表明，所采用復合隔爆裝置可以使彈藥堆垛上所遭受的峰值壓力、振動速度和最大加速度都得到極大降低；在彈藥洞庫內部實施防殉爆隔爆設計，可以極大地衰減爆炸沖擊波峰值壓力，減小沖擊波對彈藥垛的毀傷作用，降低彈藥洞庫內貯存彈藥的殉爆概率，防止庫存彈藥發生整體殉爆，最大限度地減小發生爆炸時的損失。

彈藥洞庫；爆炸沖擊波；隔爆；數值模擬

彈藥洞庫是我軍彈藥儲存與供應的主體場所，具有重要的戰略軍事價值。隨著精確制導武器的命中精度和深鉆地武器系統的打擊強度不斷提高，彈藥洞庫的生存能力面臨著嚴峻的挑戰。彈藥洞庫一旦遭敵鉆地彈藥侵入內部爆炸，庫存彈藥將極易可能引發連鎖殉爆，造成難以估量的重大損失。為了有效提高諸如洞庫等地下坑道的防護能力，國內外學者采用理論分析、爆炸試驗與數值模擬等方法開展了大量研究，取得了一系列研究成果[1-4]。本文在對彈藥洞庫內爆毀傷特性數值分析的基礎上[5]，基于我軍彈藥洞庫的結構現狀，以某典型彈藥洞庫為原型，對彈藥洞庫內部進行了防殉爆隔爆設計，并運用數值計算方法分析了隔爆防護的隔爆效能，為我軍彈藥洞庫的防護升級改造提供技術支持。

1　彈藥洞庫內部防殉爆隔爆設計

1.1防殉爆設計要求與原則

與地上環境相比，洞庫的內部環境是一個相對封閉的系統，有明顯的“封閉效應”。洞庫內部爆炸產生的爆炸沖擊波在結構表面不斷反射，致使結構承受的超壓明顯提高，作用時間也大為延長，進而對結構及其內部設施造成更為嚴重的破壞。

就洞庫內部防殉爆設計來說，其基本要求與原則主要考慮3個方面：一是所設計的防殉爆結構應有很強的沖擊波吸收性能，以自身結構吸收沖擊波，避免沖擊波在結構表面發生嚴重的反射，對洞庫結構造成更大的破壞。二是整個結構應具有足夠的力學強度，能夠承受爆炸沖擊波的沖擊，避免在爆炸沖擊波的作用下產生飛散。三在進行防殉爆改造時，隔爆結構應設置簡便，工程實施方便可行，對洞庫環境影響較小。

1.2隔爆裝置

基于以上3方面防殉爆設計要求，本文將多孔材料與密實材料相結合，設計了適用于洞庫內部防殉爆的隔爆裝置。

隔爆裝置采用復合隔爆結構，其示意圖如圖1。復合隔爆結構中心位置是一層支撐鋼板，將支撐鋼板通過支架固定到地面上，在防護結構中起支撐作用，防止整個隔爆裝置在爆炸沖擊波的作用下飛散，同時支撐鋼板還可以衰減爆炸沖擊波，降低沖擊波峰值壓力，阻隔破片。支撐鋼板兩側是泡沫鋁材料，泡沫鋁具有優異的吸能特性，在爆炸沖擊波的作用下被壓縮致密，在此過程中能夠吸收大量爆炸沖擊波能量，降低沖擊波峰值壓力。隔爆結構的最外層是課題組研發的專利產品—復合隔爆模塊[6]，該產品具有質量輕、衰減爆炸沖擊波能力強等特點，并且安裝簡便，其在防護結構中通過材料的變形飛散降低沖擊載荷的強度和吸收爆炸沖擊波的能量[7-8]。

圖1　隔爆裝置示意圖

整個隔爆裝置可以用“剛柔并濟”來形容其隔爆能力，在隔爆裝置的作用下，沖擊波峰值壓力會得到極大降低，減小對后面防護目標的毀傷。

1.3防護結構設計

就目前我軍的彈藥洞庫結構來說，一旦攻擊武器侵入彈藥洞庫發生爆炸，爆炸沖擊波就會沿洞庫傳播，彈藥垛發生殉爆，重則引發整個洞庫儲存彈藥發生整體起爆，對周圍數百里環境造成破壞，后果不堪想象。因此，彈藥洞庫防殉爆設計基本構想是采用隔爆結構，將洞庫內部隔離成相對獨立的彈藥儲存單元，鉆地武器侵入某一單元發生爆炸，由于隔爆裝置的防護作用，相臨儲存單元彈藥不會發生殉爆，以此最大限度增加庫存彈藥戰時安全。

如圖2所示，以某典型洞庫為例，洞庫長約120m，截面寬度為6.0m，側墻高2.4m，拱高1.6m，根據洞庫尺寸，隔爆裝置尺寸寬×高為4.5m×3.0m。隔爆裝置中支撐鋼板厚度為20mm的結構鋼，復合隔爆模塊分多層安裝固定在鋼板外側，厚度為500mm。采用5個隔爆裝置，將洞庫分成4個彈藥儲存單元。

圖2　某彈藥洞庫隔爆防護設計示意圖

2　彈藥洞庫內部隔爆防護數值模擬

2.1計算方法

本研究采用AUTODYN軟件計算，在AUTODYN算法選擇上，采用多物質EulerGodunov與流固耦合算法。其中洞庫壁與彈藥垛采用Lagrange單元，將整個洞庫模型覆蓋空氣，空氣與炸藥采用EulerGodunov單元，空氣與洞庫壁和彈藥垛之間的耦合方式采用完全耦合(FullyCoupled)，并且在歐拉-FCT子循環(EulerFCTsubcycling)選項中選擇使用歐拉子循環。在洞庫壁與彈藥垛之間進行Lagrange/Lagrange耦合，在耦合類型上選用外部間隙(ExternalGap)耦合方式。計算時間步長采用AUTODYN缺省設置。

2.2計算模型建立

在模型構建上，選取彈藥洞庫口部以內30.0m進行建模，彈藥垛前端面距離洞口為20.0m，彈藥垛側面端距離洞庫側墻距離為1.0m。設定爆源距離洞庫口部為6.0m。將隔爆裝置固定在距洞庫口部12m處，距離爆炸點為6m。為了提高計算效率，在建模時略去隔爆裝置的底部支撐與三角支撐鋼板，假定所設置的復合隔爆裝置支撐鋼板在隔爆防護過程中不發生大的移動。在模型邊界的處理上，空氣單元非對稱面采用flow_out邊界類型，對稱面采用對稱邊界類型；洞庫壁非對稱面采用Transmit邊界，對稱面采用對稱邊界類型；彈藥垛與地面接觸面定義Ground邊界，定義此面z方向速度為零。最終隔爆裝置結構組成及安放位置如圖3所示。

在材料模型上，炸藥的爆轟產物采用JWL狀態方程，空氣簡化為非黏性理想氣體，采用理想氣體狀態方程[9]； 硐室圍巖材料采用Riedel-Hiermaier-Thoma(RHT)模型[9-11]；由于復合隔爆裝置結構比較復雜，沒有相應的材料模型，本研究在數值計算中將隔爆裝置復合結構進行簡化處理，應用AUTODYN中層狀復合材料定義，將聚氨酯泡沫材料、泡沫鋁材料以及結構鋼材簡化為AUTODYN中的“GROUP”來處理[9]。

圖3　隔爆防護計算模型

2.3數值計算結果

洞庫內部隔爆的主要目的是防止彈藥洞庫發生內爆的情況下彈藥垛產生殉爆，防止連鎖殉爆的發生，最大限度地減小損失。因此，在隔爆防護數值計算中，主要關注彈藥垛附近空氣峰值壓力以及分布情況和彈藥垛的振動速度，加速度的大小。在計算結果分析中，取距洞庫口部19m、21m、23m、25m、27m5個截面，在每個截面上取256個測點，計算出每個點所在位置的壓力峰值，從而研究不同平面沖擊波的峰值壓力分布規律。同時，在彈藥垛內部中心位置取測點A，考察測點位置速度、加速度情況。所取觀測點位置如圖4所示。

2.3.1彈藥垛周圍空氣峰值壓力分析

如表1所示為無隔爆與有隔爆兩種情況下所選取的不同截面中爆炸沖擊波的最高峰值壓力與平均峰值壓力。從表1可以看出，在有隔爆情況下，所選截面測點最高峰值壓力是無隔爆情況下最高峰值壓力的33.8%-39.8%；隔爆情況下所選截面所有測點的平均峰值壓力是無隔爆情況下平均壓力的34.4%-39.6%。因此，在進行隔爆情況下，彈藥垛發生殉爆的幾率大大降低。

2.3.2彈藥垛損傷分析

如表2所示為無隔爆與有隔爆兩種情況下測點A的最大振動速度、加速度對比數據。對比有無隔爆條件下所選測點的振動速度和振動加速度里程曲線，發現最大振動速度和最大振動加速度有所滯后[5]，并且隔爆情況下所取測點的最大振動速度是無隔爆時的24.5%～46.2%，隔爆最大加速度是無隔爆時的48.9%～72%。

圖4　測點位置示意圖

測點所在截面無隔爆數值模擬平均峰值壓力/kPa最高峰值壓力/kPa有隔爆數值模擬平均峰值壓力/kPa最高峰值壓力/kPaP有隔爆/P無隔爆平均壓力/%最高壓力/%19m957.591468.63329.32521.1234.435.521m729.021450.43267.89576.9536.739.823m632.211192.32240.02349.9837.929.425m578.89828.69229.51302.3739.636.427m469.48752.98184.68255.3439.433.8

表2　有無隔爆情況下測點A的速度、加速度極值對比

3　結論

基于我軍現有彈藥洞庫的結構特點，對彈藥洞庫內部隔爆防護進行了初步工程設計，運用數值計算的方法，對有隔爆防護情況下洞庫內爆進行了研究。研究表明，在有隔爆情況下，彈藥堆垛上所遭受的峰值壓力、振動速度和最大加速度都得到極大降低，采用復合隔爆裝置應用于彈藥洞庫內爆防護，可以極大地衰減爆炸沖擊波峰值壓力，減小沖擊波對彈藥垛的毀傷作用，降低彈藥洞庫內貯存彈藥的殉爆概率，防止庫存彈藥發生整體殉爆，最大限度地減小發生爆炸時的損失。

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(責任編輯周江川)

StudyofAnti-SympatheticDetonationDesignandNumericalSimulationinAmmunitionCavityDepot

CAIJun-feng

(DepartmentofAmmunitionEngineering,OrdnanceEngineeringCollegeofPLA,Shijiazhuang050003,China)

Basedonstructurecharacteristicsofourarmyammunitioncavitydepotandtakingthetypicalammunitioncavitydepotastheprototype,theanti-sympatheticdetonationexplosionprotectiondesignwasstudiedandtheexplosioneffectofexplosion-proofisolationwasanalyzedbynumericalcalculation.Theresearchshowsthattheanti-sympatheticdetonationcompoundisolationdevicecanmakethepeakpressure,vibrationvelocityandaccelerationoftheammunitionstoragebegreatlyreduced.Theexplosionproofdesigninammunitioncavitydepotcangreatlydecreasethepeakpressureofshockwaveandreducetheammunitionstackdamage,anddecreasesympatheticdetonationprobabilityofstorageammunitionandpreventtheentiretysympatheticdetonationinammunitioncavitydepotandminimizethelosswhentheexplosionoccurred.

ammunitioncavitydepot;shockwave;explosion-proof;numericalsimulation

2016-04-24；

2016-05-15

蔡軍鋒(1979—)，男，主要從事裝備運用環境與防護技術方面的研究。

10.11809/scbgxb2016.09.016

format:CAIJun-feng.StudyofAnti-SympatheticDetonationDesignandNumericalSimulationinAmmunitionCavityDepot[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(9):67-70.

O383.2

A

2096-2304(2016)09-0067-04

本文引用格式：蔡軍鋒.彈藥洞庫內部防殉爆隔爆設計與數值模擬[J].兵器裝備工程學報，2016(9):67-70.