抗爆门缩比模型设计方法与动态响应特性

2022-08-23王德民

船舶标准化工程师 2022年4期

王德民，杨朗，刘艺

（1.海军装备部驻上海地区第三军事代表室，上海 200031；2.上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

抗爆门在各种重要建筑物和设施中应用广泛，其抗爆性能对内部人员和设备的安全具有重要影响。抗爆门早期多用于民用设施，当今军事对抗、恐怖袭击、安全事故等问题频繁发生，世界各国对抗爆门的发展极为重视。RAJAN等通过等效单自由度的方法，给出了基本构件在爆炸荷载作用下动态响应的近似值，在实际工程中具有很大的实用价值。KOH 等考虑到爆炸载荷持续时间短且具有脉冲性质，采用显式积分方法来研究抗爆结构，有效避免了耗时较长的结构刚度矩阵计算和非线性方程求解。陈斌等对一种带吸能装置的组合式防护门进行平面爆炸实验，试验与理论分析对比结果表明：结构设计合理，分析方法有效。卢霞等对抗爆门试件采用等效荷载法进行设计，通过试验得到了抗爆门在爆炸载荷下的动态响应。陆新征等利用LS-DYNA软件，对抗爆门在爆炸荷载作用下的动态响应进行分析，真实模拟了抗爆门结构的薄弱环节。

本文对空中爆炸作用下门体缩比模型进行设计，开展空中爆炸作用下缩比模型试验研究，分析爆炸响应过程、载荷特性、动态应变和冲击环境特性。

1 抗爆门缩比模型设计方法

爆炸载荷的特征参数（冲击波超压峰值Δ、冲量）与炸药自身特性、空气特性、材料属性和结构位置等密切相关。本文的抗爆试验主要涉及如下参数：

1）炸药参数，包括炸药质量、炸药密度、单位质量炸药爆炸释放的能量、膨胀产物绝热指数。

2）空气参数，包括初始状态压力、空气密度、空气绝热指数。

3）结构参数，包括舱室长、舱室宽、舱室高、舱室密度。

4）位置参数，包括迎爆面与炸药的距离。

以长度L、质量M和时间T为基本量纲，各参数的量纲见表1。

表1 抗爆试验参数量纲

根据Π定律，冲击波超压峰值可表示为

式中：为函数关系。

忽略无量纲量的影响，式（1）可简化为

当炸药类型和结构材料特性不变时，模型和原型之间关系为

式中：下标p和m分别表示原型和模型；为缩比。

原型和模型的冲击波超压峰值满足如下关系：

冲量的相似率可表示为

式中：为函数关系。

当炸药类型与结构材料相同时，根据比例定律可得

根据量纲分析，原型与模型的冲击波峰值和准静态压力相同。

2 抗爆试验方案

2.1 试验样本设置

门体材料采用Q345钢，边界采用螺栓固定以模拟真实工况下的边界条件。门体设计模型见图1，实物图见图2。

图1 门体模型与支架

图2 抗爆门实物图

2.2 测试系统设置

本次试验测试系统主要用于测量冲击波压力、加速度和应变，并配有高速摄像以记录爆炸毁伤与门体结构响应的物理过程。测量冲击波压力是为了获取冲击波传播规律，验证爆炸冲击波载荷特点，并为门体优化设计、相关仿真计算提供参考和数据输入；测量加速度主要是为了获取爆炸作用下的冲击环境及冲击响应传递规律；测量应变是为了获取门体结构关键结构部位的结构动态响应，为考查相关部位的结构强度提供数据支撑。

压力测点布置情况见图 3（a），采样频率设置为1 MHz，测量爆炸时冲击波的规律和特征。加速度测点布置情况见图3（b），每处放置3个加速度传感器，分别测量沿长、宽、高3个方向的加速度。应变测点布置情况见图3（c），应变测点共5个，布置于背爆面上，测量背爆面三向线应变。

图3 风力发电驱动船舶的结构示意图

2.3 试验工况

试验选用三硝基甲苯（Trinitrotoluene，TNT）作为炸药，引爆位置选为门体中心上方位置，试验工况见表2。

表2 门体试验工况

3 试验结果及分析

3.1 爆炸响应过程分析

爆炸作用下典型门体结构动态响应见图 4。在炸药起爆后，冲击波迅速作用于门体结构，门体结构开始振动，响应时长约100 ms。门体结构无明显变形，受振动影响，只在两侧的自由边处有轻微变形。3种工况下门体结构均无明显变形。

图4 门体爆炸响应过程

3.2 冲击波压力分析

不同测点的压力测量曲线见图5。P1测点位于门体中心起爆点的正下方，其冲击波压力峰值为1.38 MPa。P2和P3测点的压力峰值分别为0.264 MPa和0.369 MPa，均小于P1测点，这是由于P2、P3测点较P1测点远离爆心。P4测点压力数据扰动过大，未能有效获取超压。冲击波压力分析结果表明：1）距离爆炸中心越远，冲击波压力越小；2）随药量增加，爆炸门体中心处 P1的冲击波压力峰值明显增大，但持续时间较短；3）冲击波压力呈现多峰值叠加效应。