典型防爆装备对TNT爆炸冲击波的防护性能

杨磊, 刘瀚*, 黄广炎,2, 田相鹏

(1.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室, 北京 100081; 2.北京理工大学 重庆创新中心, 重庆 401120)

0 引言

自1970年到2020年间,全球共出现20.97万次恐怖主义事件,其中爆炸恐怖袭击9.82万次,占总袭击数量的46.8%,已造成至少17.4万人死亡,40.2万人不同程度受伤[1]。爆炸载荷的首要主导危害因素为爆炸冲击波效应,它是由爆轰产物急剧膨胀,强烈压缩周围空气介质,使其压力、密度迅速跃升而形成的[2]。冲击波超压会压缩损伤人体胸腹部、脑部等重要器官,同时冲量和动压引起的抛掷效应也会使人体脑部和骨骼承受巨大冲击,造成人员重伤甚至死亡[3]。据统计,爆炸冲击导致的创伤性脑损伤(TBI)和肺部损伤是近年来武装冲突和恐怖袭击中人员受伤的重要原因之一[4-6]。因此爆炸冲击波安全防护一直是世界各国应急处置领域研究的重要问题。

为快速应对恐怖袭击中突发的爆炸威胁,学者们针对爆炸冲击波防护方法与缓解机理开展了大量研究工作。Zhu等[7]设计了一种空心圆柱水屏障,通过冲击波的反射和绕射,该结构可显著降低结构侧壁面外的峰值压力和脉冲冲量。Zhou等[8]对水和聚氨酯组成的抗爆结构开展了试验和数值模拟研究,发现材料的排布顺序对爆炸削弱作用几乎没有影响,而爆炸波的绕射偏转是冲击波防护的主要机理。Chen等[9]通过试验和仿真发现矩形水墙最多可使墙后冲击波超压下降89%,与刚性墙结果基本一致,说明冲击波的绕射和反射是主导削波机理。陈鹏宇等[10]发现水雾对钢质结构内爆炸冲击波具有显著的耗散和衰减作用。王成等[11]研究了不同端面重墙的爆炸冲击波防护性能,以重墙的残余倾覆角为评价标准,将计算结果划分为3种破坏等级。由此可见,现有研究工作主要围绕简化材料或等效结构开展,对于典型防爆装备缺乏系统性的评估研究。

目前为止,仅有少量关于成型防爆装备,尤其是柔性防爆装备冲击波防护性能的研究报道。Jiang等[12]在刚性防爆罐迎爆面和出口处分别放置 PCB压力传感器,以测量罐体壁面压力分布规律。刘春美等[13]研究了一种由高强纤维材料、高弹性材料及高速凝胶体组成的复合防爆装置,通过静爆试验获得了人员一级/二级防护等级下的抗爆判据。年鑫哲等[14]建立了一种以高强聚乙烯纤维布为墙面、以型钢为多跨框架的防爆墙数值模型,发现柔性墙后透射压力与绕射压力变化规律不同,需要区别对待分析。上述国内外学者研究重点在于复杂防爆结构的抗爆性能,其仍属于防爆装备的简化模型分析,而对于典型防爆装备冲击波防护性能的系统性评估很少,有待研究者深入研究。

本文开展3种不同防护条件下的内爆载荷防护试验和数值模拟。对比研究了不同防护条件对爆炸冲击波到达时间、超压峰值、正压作用时间和正压冲量的影响,分析了两种典型防爆装备的响应过程与防护机理,获得了典型装备冲击波超压削弱防护经验模型,与试验结果吻合较好。本文研究结果表明:两种典型防爆装备在不同当量内爆炸下显示出不同的防护规律和防爆机理,有望为防爆结构的工程化应用提供直接数据参考。

1 爆炸防护性能试验

1.1 试验样品及工况

本文采用防爆罐对不同药量TNT内爆炸冲击波载荷进行近场初始抑制和防护,并对比研究空爆(FAB)及两种典型的防护装备:一种是Q235钢钢材制成的钢质防爆罐(SEP),其多为圆柱状顶部开口容器,侧壁可拦截冲击波和破片,并通过顶部开口改变爆炸能量传播方向,从而起到削弱周向冲击波强度的目的;一种是由聚氨酯泡沫、水和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维等复合材料和液体制成的柔性防爆罐(FEP),其主要依靠内部液体的动量提取效应吸收爆炸能量,并通过冲击波反射与绕射偏转爆炸能量,从而削弱外部冲击波的强度。需要特别指出的是,本文研究的两种典型防护装备标准防护当量均为1 500 g TNT,其内部结构如图1 所示。

图1 1 500 g TNT当量防爆罐结构Fig.1 Schematic diagram of 1 500 g TNT explosion-proof tanks

为对比研究标准防护当量均为1 500 g TNT的SEP和FEP对不同当量TNT爆炸冲击波的防护能力,明确二者对内爆炸冲击波的削弱防护规律,开展750 g、1 500 g、2 250 g和3 000 g四种药量TNT爆炸物,即0.5倍、1.0倍、1.5倍和2倍标准防护当量试验研究。压装成型的柱形TNT装药密度均约为1.59 g/cm3,直径分别为80 mm、100 mm、120 mm和120 mm。考虑过爆时SEP自身解体随机产生二次破片对传感器造成损坏,故未开展2 250 g和3 000 g TNT爆炸物的SEP防护试验。试验工况如表1所示。

1.2 试验方案

现有防爆罐性能评估标准中缺乏冲击波超压指标[15],因此本文试验主要参照防爆容器团体标准T/COS 004—2019[16]和防爆桶企业标准Q/BIT RXFB—1500-D1—2021[17]开展防爆性能对比试验。TNT炸药离地高度为200 mm,4 m和6 m两个爆距处分别设置3支美国PCB公司生产的137B型自由场压力传感器,离地高度分别为300 mm、1 300 mm和 1 600 mm,以模拟爆炸场中人体腿部、胸腹部和头部器官受到的冲击波情况。不同防护条件下试验测试布局如图2和图3所示。

表1 冲击波载荷防护试验工况Table 1 Shock wave load protection test conditions

图2 冲击波超压试验测试方案Fig.2 Shock wave overpressure test scheme

图3 爆炸冲击波超压试验测试布局Fig.3 Blast shock wave overpressure test layout

1.3 试验结果

1.3.1 FAB试验结果

开展不同TNT药量FAB试验,得到典型距离处的冲击波超压曲线。

图4所示为1 500 g TNT时的超压测试曲线,图中图例编号分别表示TNT当量、防爆结构、爆距和高度,如1 500 g-FAB-L4-H0.3代表FAB时,1 500 g TNT在距离爆心4 m,距离地面0.3 m处产生的冲击波超压。

图4 FAB时1 500 g TNT药量爆炸冲击波超压测试曲线Fig.4 Test curves of blast shock wave overpressure of 1 500 g TNT in FAB

完整的FAB试验数据如表2所示。由表2可以看出,当TNT药量逐渐增大时,不同高度处冲击波峰值超压从4 m传播至6 m过程中依次平均衰减约39.8%、40.1%、53.3%,衰减程度逐渐升高。此外,0.3 m高处的峰值超压普遍高于1.3 m和1.6 m高处峰值超压。冲击波到达两个爆距处的平均时间间隔依次为4.92 ms、4.30 ms、4.29 ms,反映出冲击波传播速度随着峰值超压的增大而增大,符合典型经验公式的规律[2]。

(1)

式中:Df为冲击波传播速度;c0为空气介质声速;γ为气体多方指数;Δp为冲击波峰值超压;p0为大气压力。

表2 FAB时冲击波峰值相关参量试验结果Table 2 Experimental results of shock wave peak overpressure during FAB

1.3.2 SEP和FEP试验结果

图5所示为1 500 g TNT药量,SEP和FEP两种防护装备防护后,典型爆距处的冲击波超压曲线。

完整的SEP和FEP试验数据如表3所示。其中SEP时4 m爆距0.3 m高度的峰值超压3.78 kPa远小于正常值,这可能是试验中传感器工装松动导致的测量误差,在后文分析中已剔除所有异常数据。

图5 SEP和FEP时1 500 g TNT药量的冲击波超压测试曲线Fig.5 Shock wave overpressure curves of 1 500 g TNT with SEP and FEP

表3 SEP和FEP时冲击波相关参量试验结果

从表3中可以看出,SEP和FEP对冲击波峰值超压、正压冲量均产生较大的削弱效果。以1 500 g TNT在4 m处的冲击波峰值超压为例,相较于FAB同高度,SEP依次削弱58.6%、49.4%和57.3%,FEP时依次削弱71.0%、59.4%和72.3%。同TNT药量同爆距同高度处,经FEP削弱后的冲击波峰值超压、正压冲量整体低于SEP防护时的测量值。

SEP和FEP对于冲击波超压的传播整体产生了一定延迟,爆炸物在防护装备内部爆炸时,冲击波向四周方向传播时受到罐壁的防护作用而产生了阻挡并向可逃逸的开口处产生一定的绕射,从而导致了冲击波到达特定爆距处的时间产生滞后。

而FAB和SEP的正压区作用时间基本一致,这说明SEP仅起到了能量偏转作用,并没有显著削弱、弥散爆炸冲击波,而FEP的正压区作用时间整体高于FAB,这是由于冲击波在多种不同波阻抗材料界面处产生多次反射和透射,冲击波与结构的反复碰撞实现峰值弥散。

2 数值模拟

2.1 数值计算模型

为分析不同防护条件下的冲击波传播机理和防爆装备的防护性能,基于有限元分析软件分别对750 g、1 500 g、2 250 g、3 000 g四种TNT药量的FAB冲击波形成过程、SEP和FEP承受内爆炸载荷下的防护性能进行模拟分析。爆炸物底端距离地面高度200 mm,与试验布局完全相同。其中,近场冲击波形成阶段,建立1 000 mm×1 000 mm的1/2多物质全Euler数值计算模型,采用端部中心点起爆方式。针对远场冲击波传播阶段,基于通量修正运输(FCT)方法,建立6 500 mm×6 500 mm的1/2理想气体数值计算模型,该阶段的爆炸冲击波初始参量由近场阶段形成的稳定冲击波映射而来。空气域外沿空气域设置Flow-out流出边界,防止爆轰产物气体和冲击波发生反射。综合考量数值计算精度和机时效率,将近场区域网格尺寸划分为1 mm(100万个网格),远场区域网格尺寸划分为1 cm(42.25万个网格)[8],单位制为mm-mg-ms。在距离爆心4 m和6 m处,地面高0.3 m、1.3 m和1.6 m处设置固定观测点。计算模型中SEP整体及FEP中的UHMWPE纤维和泡沫采用拉格朗日单元进行建模,空气域、水和TNT采用欧拉网格进行建模。图6为750 g TNT药量时3种工况内爆炸载荷下的ALE数值计算模型。

图6 750 g TNT防爆冲击波防护的数值计算模型Fig.6 Numerical models of 750 g TNT explosion protection

2.2 材料模型

SEP和FEP承受内爆炸载荷下的动态响应数值计算,涉及到炸药、空气、钢、水、纤维和泡沫共 6种物质。TNT炸药采用标准Jones Wilkins Lee(JWL)状态方程描述爆轰产物的力学行为,其参数来源于Lawrence Livermore国家实验室[18]。空气采用Ideal Gas理想气体状态方程描述冲击响应行为[19]。SEP主体材料Q235钢采用Johnson-Cook(J-C)本构模型描述[20],具体参数如表4所示。

采用Polynomial多项式状态方程描述内爆炸载荷下水的力学行为[21],具体参数如表5所示。

UHMWPE纤维材料密度为0.98 g/cm3,Lässig等[22]、Werff等[23]、Lässig等[24]、Nguyen等[25]、Chen等[26]采用正交各项异性线弹性模型、多项式状态方程、基于应力的破坏失效准则和软化响应来共同描述,其主要参数如表6所示。

表4 Q235钢J-C本构模型参数Table 4 Parameters of J-C constitutive model for Q235 steel

表5 水材料的Polynomial状态方程参数Table 5 Polynomial equation of state parameters of water material

表6 UHMWPE纤维靶标材料主要参数Table 6 Main parameters of UHMWPE fiber target material

聚氨酯泡沫材料采用Crushable foam模型,以描述泡沫在压缩条件下的力学行为,使用压缩试验下获得的应力-应变曲线对其压缩行为进行定义[27-28],主要参数如表7所示[8]。

表7 聚氨酯泡沫主要材料参数[8]Table 7 Main material parameters of polyurethane foam[8]

2.3 数值计算结果

对FAB空爆冲击波产生及传播过程进行计算分析。

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图7所示为750 g TNT药量TNT近地面爆炸时所产生的冲击波到达4 m和6 m两个典型距离处压力(Δp+p0)分布云图。

图7 FAB时750 g TNT数值模拟爆炸 冲击波压力云图Fig.7 Pressure nephogram for numerical simulation of 750 g TNT blast wave with FAB

从爆炸冲击波压力云图可见,TNT在距离地面200 mm高度处爆炸时,首先以球面波的形式向四周扫掠并传播,同时急剧压缩周围空气介质。当向地面传播的波阵面到达地面时,一部分发生透射(主要导致地震波的产生),另一部分发生折返形成地面反射波。随着入射波和反射波的不断向外扫掠,二者在地面附近发生持续交汇,叠加形成沿水平地面方向扩散的马赫波,并且随着爆距的增加,入射波、反射波以及马赫波形成的三波交汇点逐渐抬高,该三波交汇点上的压力明显高于其他区域的压力。综上可以推断,在一定爆距范围内,距离地面越近冲击波压力越高,且先到达较低位置,这是由于马赫波区域内的空气受到了入射冲击波、地面反射波和马赫波的三波压缩作用,而马赫波区域外的空气介质仅受到入射冲击波作用。

图8为SEP和FEP两种防护装备对1 500 g TNT内爆冲击波载荷进行防护时,4 m和6 m两个爆距处观测点记录的冲击波超压曲线,该数值模拟结果与试验结果吻合较好。SEP和FEP防护时的完整数值模拟结果如表8所示。

图8 SEP和FEP时1 500 g TNT药量下数值模拟的冲击波超压曲线Fig.8 Numerical curves of shock wave overpressure with 1 500 g TNT charge in SEP and FEP

2.4 防护过程与机理分析

基于上述数值模型,对SEP和FEP两种防护条件下空气冲击波超压削弱防护过程进行分析。图9所示为750 g TNT在防爆罐内爆炸时冲击波传播、反射、绕射以及稳定传播至4 m和6 m两个典型爆距处的压力(Δp+p0)分布云图。

750 g TNT在SEP内爆时,非起爆端的冲击波最先到达底部弧面(见图9(a)t=0.1 ms),随后径向冲击波向四周传播到达罐体内壁后折射,与后续赶来的冲击波发生叠加,在底部弧面和柱形内壁焊接部位出现压力陡增的现象(见图9(a)t=0.2 ms),造成SEP的内壁和底面发生塑性形变;由于径向内壁和底部弧面刚性反射,冲击波在罐体对称轴上出现向心汇聚和叠加,并向罐体口部传播,此时SEP将大部分爆炸冲击波能量导向至口部(见图9(a)t=0.4 ms);由于钢与空气波阻抗差异较大,口部处的冲击波向外逃逸绕射,在罐体侧壁周围空间形成低压遮蔽区,该绕射遮蔽作用是SEP削弱爆炸冲击波的主要防护机理;绕射逃逸后的冲击波以球面波的形貌继续向四周扫掠传播,当球面波波阵面到达地面时,会产生地面反射波,随着入射波和反射波的不断向外扫略,二者叠加形成沿水平地面方向扩散的马赫波(见图9(a)t=7.5 ms和图9(a)t=12.92 ms);随着爆距的增加,入射波、反射波和马赫波形成的三波交汇点逐渐抬高,该交汇点上的压力显著高于其他区域(与图7中FAB的三波交汇原理相同)。

观测点的超压峰值和正压冲量同样证明了SEP防爆中马赫波和三波交汇的存在。图10(a)为4 m爆距不同高度处冲击波超压峰值、正压冲量与TNT当量的关系曲线,从图中可以看出0.3 m高度处的冲击波超压峰值和正压冲量均显著大于1.3 m和1.6 m处,这是因为4 m爆距0.3 m处恰好处在入射波和反射波叠加增强区(见图9(a)t=7.5 ms),而此时1.3 m和1.6 m处仅有入射波作用。随着爆距由4 m增加到6 m,0.3 m高度处的冲击波超压峰值和正压冲量与1.3 m和1.6 m处的差异逐渐减小(见图10(b)),这是三波交汇点逐渐抬高导致的。

750 g TNT在FEP内爆时,爆轰产物及冲击波迅速向四周传播扩散至罐体内壁和地面(见图9(b)t=0.1 ms);随后受泡沫和水等等多层罐体材料干扰,在纤维、水、泡沫多层介质表面发生多次反射、透射,最终部分冲击波透射出罐体(见图9(b)t=0.18 ms),在此过程中水介质通过动量提取效应,将部分爆炸能量转化成水的动能,从而在罐内实现对冲击波的削弱[7];随着爆炸高压持续作用于罐体,冲击波在罐体内短暂密封后,迅速从罐壁和顶盖间逃逸后发生绕射,形成与SEP相似的低压遮蔽区(见图9(b)t=0.5 ms),降低了罐体侧壁附近空间的冲击波超压;绕射逃逸后的冲击波波阵面急剧压缩外围空气介质,并快速整合形成球面波沿着径向持续扫掠传播,随着爆距增加冲击波压力不断衰减(见图9(b)t=9.4 ms和图9(b)t=14.5 ms)。此时罐体聚氨酯泡沫材料完全解体,但与爆炸热相比,泡沫破碎吸收的能量对超压分布的影响较小[8];水介质完全解体,并通过动量提取效应吸收了部分爆炸能量。

表8 SEP和FEP时冲击波相关参量数值模拟结果Table 8 Experimental results of shock wave during SEP and FEP

图9 两种防爆装备对750 g TNT内爆冲击波载荷防护过程的压力云图Fig.9 Protection process of two explosion-proof equipment against 750 g TNT internal blast wave

图10 SEP时4 m爆距处冲击波超压峰值、正压 冲量与TNT当量的关系曲线Fig.10 Curves of relation among shock wave overpressure peak, positive pressure impulse and TNT equivalent at 4 m explosion under SEP protection

同样的,1 500 g、2 250 g以及3 000 g TNT在两种防爆罐中内爆时的冲击波传播机制基本相同,但随着TNT药量增大,传播到达时间逐渐提前。不同的是,过爆时罐体产生畸变或破裂失效,冲击波沿着裂隙逃逸,从口部逃逸和绕射冲击波汇聚后继续向自由空气场扩散传播。

无论是从数值模拟还是试验结果来看,相同工况下,SEP防护时的绝大多数冲击波超压峰值比FEP的峰值更高;在较大当量TNT(2 250 g、3 000 g)时,SEP防护的绝大多数正压冲量显著大于FEP的冲量,而在较小当量TNT(750 g)时两者正压冲量并没有显著差别。故推断FEP对TNT内爆时的冲击波的抑制能力更强,其原因是FEP顶盖将半密闭内爆炸转变成了准密闭爆炸,冲击波通过如图9(b)t=0.5 ms所示的缝隙逃逸至外部之前需要经过更多次的反射和透射,冲击波与FEP作用时间也会大幅提高,因此水介质的动量提取效应、多种复合材料间不同波阻抗匹配时的反射和透射等联合作用机制得到了显著的增强,从而在冲击波绕射逃逸之前实现更为持久的削波和弥散抑制;而SEP没有顶盖结构,冲击波仅通过单一刚性材料反射消耗后从口部绕射逃逸。

3 对比分析与讨论

3.1 数值模拟准确性验证

以试验中SEP和FEP两种防爆装备的标准防护当量为例,提取表3和表8中1 500 g TNT相关数据,统计后得到SEP和FEP时冲击波峰值超压、到达时间的试验及数值模拟结果对比,如表9所示。

由表9可以看出,冲击波超压峰值及到达时间的数值计算结果与试验结果的一致性较好。4 m爆距1.6 m高度处的峰值超压误差为24.7%,该误差可能是传感器固定沙袋较高,试验和数值模拟中地面工况不完全一致导致的(见图3)。其他位置SEP和FEP防护试验冲击波超压峰值与数值仿真峰值超压间的误差均小于16.0%,同时冲击波波阵面到达典型爆距处的时间也与数值模拟结果基本吻合,各位置处误差在15.3%以内,验证了数值模拟的准确性,说明该计算模型能够捕捉到关键的冲击波防护规律。

3.2 峰值超压到达时间对比

考虑到胸腹部位的内脏器官中胃、肠道、肺脏等含气器官较多,且胸腹部迎风面积较大,更加容易受到透射波的作用而发生损伤,故以胸部典型高度1.3 m为例,分析3种防护方式对超压峰值传播时间的影响规律。图11所示为3种不同防护条件下的超压峰值到达时间与不同TNT当量之间的关系。

表9 SEP和FEP时1 500 g TNT冲击波试验及数值模拟结果对比Table 9 Comparison of test and numerically simulated results of 1 500 g TNT shock wave with SEP and FEP

图11 不同防护条件下1.3 m高度处冲击波超压峰值到达时间与TNT当量的关系曲线Fig.11 Curves of relation between arrival time of shock wave overpressure peak and TNT equivalent at 1.3 m height under different protection conditions

由图11可以发现:3种防护条件下超压峰值到达时间均随着TNT当量的增加而逐渐减小。以1 500 g TNT为例,FAB空爆时超压峰值到达4 m处时间为5.27 ms,在4～6 m范围内的传播时间ΔtFAB为4.61 ms;当SEP防护时峰值到达4 m处时间为7 ms,显著晚于FAB到达时间,说明冲击波在SEP装备内受到了有效干扰,逃逸后的冲击波在4～6 m范围内的传播时间ΔtSEP为5.18 ms,与FAB空爆传播时间基本一致;当FEP防护时峰值到达4 m处时间为7.69 ms,均晚于FAB和SEP到达时间,经过FEP防护后的冲击波在4～6 m范围内的传播时间ΔtFEP为4.97 ms,与FAB和SEP传播时间基本相同,该结论与爆炸强噪声传播规律一致[29]。

由此可见,SEP和FEP均可对爆炸冲击波形成有效干扰,延缓峰值到达时间,而FEP对冲击波的延迟效应略优于SEP。这是因为SEP内的冲击波仅通过内壁的刚性反射和绕射后,直接向空气中传播;而FEP内的冲击波受到泡沫、水、纤维等多种不同波阻抗介质干扰后产生多次反射,之后部分冲击波从罐壁和顶盖间发生绕射后再逃逸到空气中,具体传播过程如图9所示。

3.3 峰值超压抑制效应对比

以1.3 m典型高度为例,进一步分析SEP和FEP相对于FAB空爆时对冲击波超压峰值的抑制效应。图12所示为3种不同防护条件下的冲击波超压峰值与不同TNT当量之间的关系。

图12 不同防护条件下1.3 m高度处冲击波超压峰值与TNT当量的关系曲线Fig.12 Curves of relation between shock wave overpressure peak and TNT equivalent at 1.3 m height under different protection conditions

从图12中可以看出,不同防护条件下的爆炸冲击波超压峰值随着TNT药量的增加而明显提高:

相较于FAB时,SEP时4 m处超压峰值从22.86 kPa增加到47.09 kPa,削减了59.4%～66.3%;6 m处从12.29 kPa增加到25.35 kPa,削减了55.4%～60.8%。FEP防护时,4 m处从19.38 kPa增加到31.08 kPa,削减了65.6%～77.7%;6 m处超压峰值从11.21 kPa增加到24.37 kPa,削减了57.2%～63.4%。可见4 m处,FEP比SEP具有更高的冲击波衰减率。750 g TNT时,FEP的超压峰值衰减率为65.6%高于SEP的59.4%,且随着药量增加,FEP对冲击波的防护优势进一步显现,3 000 g TNT时,FEP的衰减率为77.7%显著高于SEP的66.3%,这说明与SEP相比,FEP对过当量爆炸具有更好的防护能力。

3.4 冲击波削弱防护经验模型

(2)

(3)

(4)

图13 两种防护条件峰值超压抑制因子 拟合曲线Fig.13 Fitting curves of peak overpressure inhibitory factor under two protection conditions

由图13可以发现,利用指数型函数进行拟合时比较符合比值分散点的走势,因此SEP和FEP对冲击波峰值超压的抑制因子分别表示为

(5)

(6)

(7)

(8)

将削弱模型计算结果与防护试验和仿真得到的峰值超压结果进行对比,如图14所示。由图14可以发现,比例距离较大时SEP和FEP防护后的峰值超压基本一致,而比例距离较小时FEP对冲击波的防护效果明显优于SEP,体现了FEP在过当量爆炸防护时的优势,这与3.3节结论一致。

图14 峰值超压削减模型、试验和仿真结果 随比例距离变化Fig.14 Changes of peak overpressure protection model, experimental and simulated results with proportional distances

为验证削弱模型对冲击波超压峰值预测的准确性,将预测结果与试验结果进行比较。防护试验冲击波峰值超压结果Δpexp相对于削弱模型计算结果Δpemp之间的相对误差记为Er,exp-emp,由式(9)计算:

(9)

得出SEP和FEP峰值超压削弱模型分别与试验结果的平均相对误差为2.4%和10.2%。这是由于FEP防护削弱模型在比例距离较小的区域数据较为波动,导致某些点处的相对误差较大,但整体削弱趋势与试验结果一致,对结果预测具有一定参考性。

4 结论

本文对比分析了防护当量均为1 500 g TNT的SEP和FEP两种典型防爆装备对不同药量TNT爆炸冲击波的防护性能,分析了防爆动态响应与防护机理,建立了冲击波峰值超压削弱模型。得出主要结论如下:

1)SEP和FEP可对冲击波超压峰值形成有效抑制。相较于FAB,SEP可削减55.4%～66.3%,对正压冲量削减32.1%～53.5%,FEP削减57.2%～77.7%,对正压冲量削减50.8%～75.2%;FEP对内爆冲击波载荷的防护能力高于SEP,该优势在2 250 g、3 000 g TNT等过当量爆炸时体现的更为明显。

2)FEP和SEP主要防护机理都是冲击波的绕射遮蔽作用,但FEP顶盖将半密闭内爆炸转变成了准密闭爆炸,增加了冲击波与FEP结构作用时间,同时水的动量提取效应和多种不同波阻抗材料界面的反射和透射等联合作用机制进一步削弱了逃逸前冲击波的强度;而SEP没有顶盖结构,冲击波仅通过单一介质的刚性材料反射消耗后从口部绕射逃逸。

3)本文建立了SEP、FEP冲击波峰值超压削弱经验模型,与试验数据对比,SEP和FEP削弱模型平均误差分别为2.4%和10.2%。该模型可为防爆结构的工程化应用提供直接设计参考。