爆炸載荷作用下多層介質(zhì)破壞的影響因素

李惠明，李小軍，陳智剛，李 超，趙 騫，趙長(zhǎng)嘯

(1.陸軍工程大學(xué)軍械士官學(xué)校，武漢 430075；2.解放軍防化研究院，北京 102205；3.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051；4.解放軍陸軍工程大學(xué)，南京 210000)

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，彈藥打擊對(duì)象不僅僅是坦克、飛機(jī)、艦船等，還可能是堅(jiān)固的基礎(chǔ)設(shè)施，比如機(jī)場(chǎng)跑道、高速公路等。分析后者目標(biāo)特性時(shí)，不難發(fā)現(xiàn)它們是由兩種或兩種以上的介質(zhì)構(gòu)成，稱之為多層介質(zhì)。多層介質(zhì)中的爆炸沖擊作用是一個(gè)較為復(fù)雜的問(wèn)題，研究爆炸載荷作用下多層介質(zhì)的破壞機(jī)理對(duì)有效打擊基礎(chǔ)設(shè)施有一定的意義。

1 介質(zhì)性質(zhì)對(duì)爆轟波傳播的影響

民用基礎(chǔ)設(shè)施的多層介質(zhì)一般可以歸結(jié)為3層結(jié)構(gòu)，即面層、基層和底層(見圖1)。面層一般是混凝土材料，基層由壓實(shí)的土石混合制成，底層為當(dāng)?shù)赝临|(zhì)夯實(shí)而成。

圖1 多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)Fig.1 Multi-layer medium structure

根據(jù)爆轟理論，炸藥在多層介質(zhì)中爆炸時(shí)，沖擊波要在面層、基層以及底層界面處發(fā)生反射、折射現(xiàn)象[1](見圖2)。圖2中x=0處為兩介質(zhì)的分界面，左邊為介質(zhì)1，右邊為介質(zhì)2，兩種介質(zhì)的波阻抗分別為Z1和Z2。

圖2 波的反射和折射Fig.2 Reflection and refraction of waves

當(dāng)入射波沿弦線自左向右傳播到達(dá)x=0處時(shí)，由于遇到新的介質(zhì)，其阻抗發(fā)生了變化，一部分反射到原介質(zhì)中形成反射波，沿x軸反向傳播；另一部分折射到介質(zhì)2中形成折射波，并沿x軸正向傳播。

在理想條件下，根據(jù)能量守恒定律和彈性碰撞理論可得：

(1)

(2)

式中：η1、η2分別為波的能量反射率和折射率。

為獲得很高的能量作用于面層介質(zhì)，就需使能量反射率最小，折射率最大。所以多層介質(zhì)材料的波阻抗是決定因素，介質(zhì)間阻抗越接近，炸藥能量利用率越高，反之越低。

2 起爆方式對(duì)多層介質(zhì)破壞的影響

采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法來(lái)縮短研究周期，進(jìn)行數(shù)值模擬前，先建立計(jì)算模型。

2.1 多層介質(zhì)及裝藥結(jié)構(gòu)模型

在此計(jì)算模型中，由于難以找到與土石混合層相對(duì)應(yīng)的材料本構(gòu)模型，因此將土石混合層也簡(jiǎn)化為土壤層(見圖3)。建立二分之一模型，使用單層網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，多層介質(zhì)中混凝土層模型高度h1=0.4 m，土壤層高度h2=1.0 m，h為裝藥下端到面層混凝土自由面的垂直距離，即炸深；裝藥直徑d1=60 mm，裝藥殼體厚度d2=5 mm。

圖3 多層介質(zhì)計(jì)算模型Fig.3 Multi-layer medium model

為了模擬半無(wú)限介質(zhì)[2]，在圖3中混凝土右邊界、土壤的右邊界以及其下邊界施加無(wú)反射邊界條件，消除爆轟波的邊界效應(yīng)。

2.2 數(shù)值模擬

根據(jù)模型，設(shè)定裝藥位置h為0.7 m垂直炸深時(shí)，起爆方式[3]分別采用上端起爆和下端起爆。數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 1 900s混凝土鼓包、損傷情況Fig.4 Swelling and damage condition of concrete at 1 900 s

不同起爆方式情況下，介質(zhì)中的應(yīng)力變化如圖5～圖6所示，經(jīng)測(cè)量對(duì)比，在y=0.21 m(B點(diǎn))位置處，下端起爆產(chǎn)生最大壓力是上端的1.28倍，二次反彈壓力也明顯強(qiáng)于上端起爆；在y=0.42 m(C點(diǎn))位置處，下端起爆產(chǎn)生最大壓力是上端起爆的1.25倍，二次反彈壓力同樣強(qiáng)于上端起爆；在y=0.01 m位置處(A點(diǎn))，上、下端起爆產(chǎn)生最大壓力和反彈壓力非常接近，主要原因是距離地面表層非常近，應(yīng)力釋放非常快，使得炸藥能量利用率降低。

圖5 下端起爆時(shí)y軸的應(yīng)力Fig.5 y axis stress of lower end initiation

圖6 上端起爆時(shí)y軸的應(yīng)力Fig.6 y axis stress of upper end initiation

根據(jù)模擬結(jié)果和數(shù)據(jù)分析得出，相同炸深時(shí)，裝藥下端起爆對(duì)面層混凝土的破壞效果明顯優(yōu)于上端，炸藥能量利用率更高。

2.3 破壞試驗(yàn)

試驗(yàn)所用的混凝土結(jié)構(gòu)由上而下依次為面層、基層和底層。其中底層是由現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)和沙子等組成的混合料經(jīng)夯實(shí)機(jī)壓實(shí)而成的；基層是由天然礫石構(gòu)成；表層為混凝土板層，其厚度為0.42 m，平面尺寸為5 m×5 m，靜態(tài)抗壓強(qiáng)度40～50 MPa，抗拉強(qiáng)度為5 MPa；內(nèi)裝炸藥為JHL-2(1.275 kg)，炸藥柱深度0.7 m，分別采用上端起爆和下端起爆方式，爆炸效果如圖7所示，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖7 試驗(yàn)損傷情況Fig.7 Experimental damage

表1 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，裝藥下端起爆比裝藥上端起爆的爆炸威力提高20%以上，試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬相符。

3 不同炸深對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的影響

根據(jù)模型，設(shè)定裝藥位置在0.5、0.7、0.9、1.1 m垂直炸深處，測(cè)量上、下端起爆方式時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞情況。1 900s時(shí)下端起爆方式的數(shù)值模擬破壞情況如圖8所示。

圖8 1 900 s時(shí)不同炸深混凝土損傷、鼓包情況Fig.8 Swelling and damage condition of concrete with different explosive depths at 1 900 s

然后對(duì)不同炸深下，兩種起爆方式的混凝土面層抬高距離進(jìn)行比較(見圖9)。通過(guò)測(cè)量對(duì)比，面層混凝土抬高距離最大是在垂直炸深為0.9 m附近(F線)。接下來(lái)依次為1.1、0.7、0.5 m附近。通過(guò)區(qū)間抽樣取點(diǎn)模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用同一起爆方式時(shí)，炸深從0.5 m到0.9 m，混凝土介質(zhì)的抬高距離成遞增趨勢(shì)；炸深從0.9 m到1.1 m，混凝土介質(zhì)的抬高距離成遞減趨勢(shì)，即炸深0.9 m附近是一個(gè)分界點(diǎn)。且加拿大DRES機(jī)構(gòu)已經(jīng)完成的多層介質(zhì)爆炸試驗(yàn)研究[5]，與本文數(shù)值模擬結(jié)果相符。因此，對(duì)于不同的多層介質(zhì)目標(biāo)，必然存在一個(gè)最佳炸點(diǎn)。而通過(guò)數(shù)值模擬方法找出這個(gè)大概位置，可為實(shí)際工程節(jié)省大量時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。

圖9 不同炸深混凝土抬高距離對(duì)比Fig.9 Comparison of raising distance of concrete with different explosive depth

4 結(jié)論

1)模擬比較在相同炸深的條件下，下端起爆方式較上端起爆方式毀傷效果要好，爆炸能量利用高。同時(shí)通過(guò)破壞試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該數(shù)值模擬結(jié)果。

2)模擬了不同炸深情況下，面層混凝土抬高距離的變化規(guī)律，即同一條件下，存在一個(gè)臨界位置，使得面層混凝土抬高距離達(dá)到一個(gè)最大值，與前人試驗(yàn)結(jié)果相符。