爆炸载荷作用下多层介质破坏的影响因素

2020-03-23李惠明李小军陈智刚赵长啸

工程爆破 2020年1期

李惠明，李小军，陈智刚，李超，赵骞，赵长啸

(1.陆军工程大学军械士官学校，武汉 430075；2.解放军防化研究院，北京 102205；3.中北大学机电工程学院，太原 030051；4.解放军陆军工程大学，南京 210000)

在现代战争中，弹药打击对象不仅仅是坦克、飞机、舰船等，还可能是坚固的基础设施，比如机场跑道、高速公路等。分析后者目标特性时，不难发现它们是由两种或两种以上的介质构成，称之为多层介质。多层介质中的爆炸冲击作用是一个较为复杂的问题，研究爆炸载荷作用下多层介质的破坏机理对有效打击基础设施有一定的意义。

1 介质性质对爆轰波传播的影响

民用基础设施的多层介质一般可以归结为3层结构，即面层、基层和底层(见图1)。面层一般是混凝土材料，基层由压实的土石混合制成，底层为当地土质夯实而成。

图1 多层介质结构Fig.1 Multi-layer medium structure

根据爆轰理论，炸药在多层介质中爆炸时，冲击波要在面层、基层以及底层界面处发生反射、折射现象[1](见图2)。图2中x=0处为两介质的分界面，左边为介质1，右边为介质2，两种介质的波阻抗分别为Z1和Z2。

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

当入射波沿弦线自左向右传播到达x=0处时，由于遇到新的介质，其阻抗发生了变化，一部分反射到原介质中形成反射波，沿x轴反向传播；另一部分折射到介质2中形成折射波，并沿x轴正向传播。

在理想条件下，根据能量守恒定律和弹性碰撞理论可得：

(1)

(2)

式中：η1、η2分别为波的能量反射率和折射率。

为获得很高的能量作用于面层介质，就需使能量反射率最小，折射率最大。所以多层介质材料的波阻抗是决定因素，介质间阻抗越接近，炸药能量利用率越高，反之越低。

2 起爆方式对多层介质破坏的影响

采用数值模拟和试验相结合的方法来缩短研究周期，进行数值模拟前，先建立计算模型。

2.1 多层介质及装药结构模型

在此计算模型中，由于难以找到与土石混合层相对应的材料本构模型，因此将土石混合层也简化为土壤层(见图3)。建立二分之一模型，使用单层网格进行计算，多层介质中混凝土层模型高度h1=0.4 m，土壤层高度h2=1.0 m，h为装药下端到面层混凝土自由面的垂直距离，即炸深；装药直径d1=60 mm，装药壳体厚度d2=5 mm。

图3 多层介质计算模型Fig.3 Multi-layer medium model

为了模拟半无限介质[2]，在图3中混凝土右边界、土壤的右边界以及其下边界施加无反射边界条件，消除爆轰波的边界效应。

2.2 数值模拟

根据模型，设定装药位置h为0.7 m垂直炸深时，起爆方式[3]分别采用上端起爆和下端起爆。数值模拟结果如图4所示。

图4 1 900s混凝土鼓包、损伤情况Fig.4 Swelling and damage condition of concrete at 1 900 s

不同起爆方式情况下，介质中的应力变化如图5～图6所示，经测量对比，在y=0.21 m(B点)位置处，下端起爆产生最大压力是上端的1.28倍，二次反弹压力也明显强于上端起爆；在y=0.42 m(C点)位置处，下端起爆产生最大压力是上端起爆的1.25倍，二次反弹压力同样强于上端起爆；在y=0.01 m位置处(A点)，上、下端起爆产生最大压力和反弹压力非常接近，主要原因是距离地面表层非常近，应力释放非常快，使得炸药能量利用率降低。

图5 下端起爆时y轴的应力Fig.5 y axis stress of lower end initiation

图6 上端起爆时y轴的应力Fig.6 y axis stress of upper end initiation

根据模拟结果和数据分析得出，相同炸深时，装药下端起爆对面层混凝土的破坏效果明显优于上端，炸药能量利用率更高。

2.3 破坏试验

试验所用的混凝土结构由上而下依次为面层、基层和底层。其中底层是由现场土质和沙子等组成的混合料经夯实机压实而成的；基层是由天然砾石构成；表层为混凝土板层，其厚度为0.42 m，平面尺寸为5 m×5 m，静态抗压强度40～50 MPa，抗拉强度为5 MPa；内装炸药为JHL-2(1.275 kg)，炸药柱深度0.7 m，分别采用上端起爆和下端起爆方式，爆炸效果如图7所示，试验结果如表1所示。

图7 试验损伤情况Fig.7 Experimental damage

表1 试验结果对比

通过试验数据对比，装药下端起爆比装药上端起爆的爆炸威力提高20%以上，试验结果和数值模拟相符。

3 不同炸深对结构破坏的影响

根据模型，设定装药位置在0.5、0.7、0.9、1.1 m垂直炸深处，测量上、下端起爆方式时混凝土结构的破坏情况。1 900s时下端起爆方式的数值模拟破坏情况如图8所示。

图8 1 900 s时不同炸深混凝土损伤、鼓包情况Fig.8 Swelling and damage condition of concrete with different explosive depths at 1 900 s

然后对不同炸深下，两种起爆方式的混凝土面层抬高距离进行比较(见图9)。通过测量对比，面层混凝土抬高距离最大是在垂直炸深为0.9 m附近(F线)。接下来依次为1.1、0.7、0.5 m附近。通过区间抽样取点模拟试验，发现当采用同一起爆方式时，炸深从0.5 m到0.9 m，混凝土介质的抬高距离成递增趋势；炸深从0.9 m到1.1 m，混凝土介质的抬高距离成递减趋势，即炸深0.9 m附近是一个分界点。且加拿大DRES机构已经完成的多层介质爆炸试验研究[5]，与本文数值模拟结果相符。因此，对于不同的多层介质目标，必然存在一个最佳炸点。而通过数值模拟方法找出这个大概位置，可为实际工程节省大量时间和经费。