抗爆門縮比模型設計方法與動態響應特性

王德民，楊 朗，劉 藝

（1.海軍裝備部駐上海地區第三軍事代表室，上海 200031；2.上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

抗爆門在各種重要建筑物和設施中應用廣泛，其抗爆性能對內部人員和設備的安全具有重要影響。抗爆門早期多用于民用設施，當今軍事對抗、恐怖襲擊、安全事故等問題頻繁發生，世界各國對抗爆門的發展極為重視。RAJAN等通過等效單自由度的方法，給出了基本構件在爆炸荷載作用下動態響應的近似值，在實際工程中具有很大的實用價值。KOH 等考慮到爆炸載荷持續時間短且具有脈沖性質，采用顯式積分方法來研究抗爆結構，有效避免了耗時較長的結構剛度矩陣計算和非線性方程求解。陳斌等對一種帶吸能裝置的組合式防護門進行平面爆炸實驗，試驗與理論分析對比結果表明：結構設計合理，分析方法有效。盧霞等對抗爆門試件采用等效荷載法進行設計，通過試驗得到了抗爆門在爆炸載荷下的動態響應。陸新征等利用LS-DYNA軟件，對抗爆門在爆炸荷載作用下的動態響應進行分析，真實模擬了抗爆門結構的薄弱環節。

本文對空中爆炸作用下門體縮比模型進行設計，開展空中爆炸作用下縮比模型試驗研究，分析爆炸響應過程、載荷特性、動態應變和沖擊環境特性。

1 抗爆門縮比模型設計方法

爆炸載荷的特征參數（沖擊波超壓峰值Δ、沖量）與炸藥自身特性、空氣特性、材料屬性和結構位置等密切相關。本文的抗爆試驗主要涉及如下參數：

1）炸藥參數，包括炸藥質量、炸藥密度、單位質量炸藥爆炸釋放的能量、膨脹產物絕熱指數。

2）空氣參數，包括初始狀態壓力、空氣密度、空氣絕熱指數。

3）結構參數，包括艙室長、艙室寬、艙室高、艙室密度。

4）位置參數，包括迎爆面與炸藥的距離。

以長度L、質量M和時間T為基本量綱，各參數的量綱見表1。

表1 抗爆試驗參數量綱

根據Π定律，沖擊波超壓峰值可表示為

式中：為函數關系。

忽略無量綱量的影響，式（1）可簡化為

當炸藥類型和結構材料特性不變時，模型和原型之間關系為

式中：下標p和m分別表示原型和模型；為縮比。

原型和模型的沖擊波超壓峰值滿足如下關系：

沖量的相似率可表示為

式中：為函數關系。

當炸藥類型與結構材料相同時，根據比例定律可得

根據量綱分析，原型與模型的沖擊波峰值和準靜態壓力相同。

2 抗爆試驗方案

2.1 試驗樣本設置

門體材料采用Q345鋼，邊界采用螺栓固定以模擬真實工況下的邊界條件。門體設計模型見圖1，實物圖見圖2。

圖1 門體模型與支架

圖2 抗爆門實物圖

2.2 測試系統設置

本次試驗測試系統主要用于測量沖擊波壓力、加速度和應變，并配有高速攝像以記錄爆炸毀傷與門體結構響應的物理過程。測量沖擊波壓力是為了獲取沖擊波傳播規律，驗證爆炸沖擊波載荷特點，并為門體優化設計、相關仿真計算提供參考和數據輸入；測量加速度主要是為了獲取爆炸作用下的沖擊環境及沖擊響應傳遞規律；測量應變是為了獲取門體結構關鍵結構部位的結構動態響應，為考查相關部位的結構強度提供數據支撐。

壓力測點布置情況見圖 3（a），采樣頻率設置為1 MHz，測量爆炸時沖擊波的規律和特征。加速度測點布置情況見圖3（b），每處放置3個加速度傳感器，分別測量沿長、寬、高3個方向的加速度。應變測點布置情況見圖3（c），應變測點共5個，布置于背爆面上，測量背爆面三向線應變。

圖3 風力發電驅動船舶的結構示意圖

2.3 試驗工況

試驗選用三硝基甲苯（Trinitrotoluene，TNT）作為炸藥，引爆位置選為門體中心上方位置，試驗工況見表2。

表2 門體試驗工況

3 試驗結果及分析

3.1 爆炸響應過程分析

爆炸作用下典型門體結構動態響應見圖 4。在炸藥起爆后，沖擊波迅速作用于門體結構，門體結構開始振動，響應時長約100 ms。門體結構無明顯變形，受振動影響，只在兩側的自由邊處有輕微變形。3種工況下門體結構均無明顯變形。

圖4 門體爆炸響應過程

3.2 沖擊波壓力分析

不同測點的壓力測量曲線見圖5。P1測點位于門體中心起爆點的正下方，其沖擊波壓力峰值為1.38 MPa。P2和P3測點的壓力峰值分別為0.264 MPa和0.369 MPa，均小于P1測點，這是由于P2、P3測點較P1測點遠離爆心。P4測點壓力數據擾動過大，未能有效獲取超壓。沖擊波壓力分析結果表明：1）距離爆炸中心越遠，沖擊波壓力越小；2）隨藥量增加，爆炸門體中心處 P1的沖擊波壓力峰值明顯增大，但持續時間較短；3）沖擊波壓力呈現多峰值疊加效應。

圖5 壓力測量曲線

3.3 門體結構變形與響應情況分析

由于試驗采用 45°直角應變花，故試驗所測的直角線應變為主應變。不同測點的應變測量曲線見圖 6。門體背爆面面板并未發生明顯塑性變形，結構仍在彈性范圍內，3種工況應變測量結果相似。

圖6 應變測量曲線

3.4 門體結構沖擊環境分析

不同測點的加速度測量曲線見圖 7，加速度峰值統計見表3。加速度分析結果表明：1）距離爆炸中心越遠，加速度峰值越小；2）距離爆點直線距離0.6 m處，加速度約為98 000 m/s，可對門體內安裝的機械件造成沖擊損傷。

圖7 加速度測量曲線

表3 加速度峰值統計

續表3 加速度峰值統計

4 結論

本文對空中爆炸作用下門體縮比模型進行設計，開展空中爆炸作用下縮比模型試驗研究，分析爆炸響應過程、載荷特性、動態應變和沖擊環境特性，得到以下主要結論：

1）原型與模型的沖擊波峰值和準靜態壓力相同。

2）在試驗工況下，門體主結構未發生破壞，能夠保持良好的結構完整性與安全性，未出現較大塑性變形。

3）除門體結構損傷外，空中爆炸還容易產生惡劣的沖擊環境，造成門體內設備沖擊失效。