改变空气域大小对空中爆炸产生的冲击波冲击波模拟有影响吗

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2016-04-24 10:26 标签： 爆炸产生的冲击波
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无限空间中TNT爆炸冲击波传播..
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无限空间中TNT爆炸冲击波传播规律的数值模拟
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凝聚态爆炸危险源外壳对爆炸冲击波影响的研究
&&&&作者：孙庆云
随着我国经济的迅猛发展，许多企业生产、使用或储存易燃易爆危险品，其中大量属于凝聚态易爆危险品，该类危险品大多存放在容器或储罐中，一旦发生爆炸，事故后果与容器或储罐壁的厚度和材质有直接关系。凝聚态易爆危险源爆炸时．其能量的一部分形成冲击波，一部分用于破碎壳体，一部分使壳体抛掷，如果壳体的材质不变，壳体厚度对空气冲击波强度有何影响?有多大影响?如果有影响，影响与哪些因素有关等等，目前尚未查到该领域的研究资料，但壳体厚度对冲击波能量的影响是预测易爆危险源爆炸事故后果应当考虑的因素之一。数值方法能描述完整空间、爆炸全过程的动力学效应，能精确解决瞬态现象，全面反映爆炸过程中参数和物理量的变化。笔者旨在利用ANSYS/LS-DYNA,大型有限元动力分析软件，求解各种二维和二维非弹性结构的高速碰撞、爆炸和模压等大变形动力响应，通过数值计算，研究凝聚态爆炸危险源爆炸时，外壳厚度对爆炸应力波强度的影响。&&&&2
计算模型&&&&
LS-DYNA程序的主要算法采用Langrangian描述增量法。&&&&2.1
运动方程&&&&
取初始时刻的质点坐标为Xi(i=1，2，3)。在任意时刻，该质点坐标为xi(i=1，2，3)。这个质点的运动方程如下：&&&&&&&&　　在t=0时，初始条件为&&&&&&&&式中，Vi――初始速度。&&&&2.2
动量方程&&&&&&&&2.3
质量守恒方程&&&&&&&&2.4
能量方程&&&&&&&&用于状态方程计算和总的能量平衡。&&&&式中，V――现时构形的体积；&&&&&&&&　　　――应变率张量；&&&&
q――体积粘性阻力。&&&&
Sij――偏应力，&&&&&&&&
p――压力，&&&&&&&&2.5
状态方程&&&&
空气为无限介质，其参数选为密度?=1.29kg/m3。假设爆源为TNT装药药量为6kg，装药密度为1600 kg/m3。装药采用柱形，长径比选为1:2:5装药半径为78 mm。数值模拟采用拉格朗日法划分单元。&&&&
由于在爆炸场的数值模拟中，高能炸药的爆轰产物的压力波动范围很大，从几十万个大气压到低于一个大气压，很难找到一个适合所有范围的状态方程。JWL状态方程能精确描述凝聚炸药圆桶实验过程，且具有明确的物理意义，因而在爆炸数值模拟中得到了广泛应用。笔者选用JWL状态方程来描述高能炸药爆轰产物的压力―体积关系状态方程，其―般形式如下：&&&&&&&&式中，P――爆轰产物的压力；&&&&
E，V――爆轰产物的内能和体积；&&&&
A1，B1，R1，R2，?――JWL状态方程参数(炸药特性参数)。对于1NT炸药，其值分别为&&&&&&&&
对于钢壳，采用Gruneisen状态方程。对于受到冲击载荷作用的情况，采用Gruneisen状态方程来计算可压缩材料的压力：&&&&&&&&材料在膨胀时的状态方程如下：&&&&&&&&式中，C――材料常数；&&&&
S1，S2，S3，?0――Gruneisen状态方程参数；&&&&
?0――初始密度；&&&&
E――材料单位体积内能；&&&&
?――对?0的一阶体积的修正，&&&&&&&&对于装药外壳为钢材料，Gruneisen状态方程的有关参数为：&&&&&&&&
钢壳的流体弹塑性模型参数：密度为7.86×103 kg/m3；剪切模量为206.9 GPa；屈服应力为1.724 GPa；拉断应力为-703 GPa；失效应变为1.2。&&&&
对于空气，采用理想气体状态方程：&&&&&&&&式中，?――多方指数；&&&&
?――密度；&&&&
e――比内能。&&&&　　对于空气，初始密度?=1.29 kg/m3；多方指数?=1.4；初始比内能e=0.20MJ/ kg。&&&&3
计算结果与分析&&&&
凝聚态爆炸危险源位于空中开阔空间，外形为柱形钢壳，爆源为6kgTNT装药，长径比选为1:2:5装药半径为78mm，如图1所示。计算和分析壳体厚度分别为2mm，5mm，7mm,10mm四种情况下爆炸冲击波的应力。&&&&&&&&
为了分析凝聚态爆炸危险源外壳对冲击波的影响，通过数值计算得到装药壳体厚度分别为2mm，5mm,7mm,10mm四种情况下，距装药0.1m，0.2m，0.3m， 0.4m，0.5m，0.6m，0.7m，0.8m，0.9m，1.0m，1.1m，1.2m处应力波压力随时间和距离的变化规律。其径向应力波峰值随距离的变化如表1所示。&&&&&&&&
根据以上数值计算结果，爆炸应力波峰值随距离的衰减关系可以用下式表示：&&&&&&&&式中，A――常数；&&&&
?――应力波峰值随距离的衰减指数，是壳体壁厚的函数；&&&&
R――半径方向上某点到爆炸危险源的距离。&&&&
由表1可以得到壳厚2mm，5mm，7mm，10mm时，如图2～图5所示。&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
由图2～图5可以得到不同壁厚的衰减指数如表2所示。&&&&&&&&
根据表2可以得到衰减指数随壁厚的变化规律，如图6所示。&&&&&&&&　　由图6可得衰减指数?随壁厚?的变化规律，经线性拟合得到式（13），其相关系数为0.9735。&&&&&&&&
由上式可知，随着壁厚的增加，应力波峰值的衰减指数成线性增加。&&&&
根据量纲分析，式(12)可以变为&&&&&&&&式中，p――开阔空间中某点处的应力波峰值；&&&&
P0――壳体与空气分界面处的峰值压力，是壳体壁厚的函数；&&&&
R――到易爆危险源中心轴的距离；&&&&
R0――易爆危险源中心轴到(壳体与空气)分解面处的距离。&&&&
根据数值计算结果，函数&&&&&&&&即分界面压力与壳体壁厚成线性关系；k1、k2是与易爆危险源性质、壳体材料牲质有关的常数。函数&&&&&&&&即应力波峰值随距离的衰减指数与壳体壁厚成线性关系。其中，k3、k4是与易爆危险源性质、壳体材料性质有关的常数。对于TNT装药和文中采用的钢壳，可以由式(14)确定带壳装药在空气中任一点的应力波峰值。&&&&
通过计算可得，装药爆炸后外壳速度与壳体厚度的关系，如表3所示。&&&&&&&&　　由表3可得装药爆炸后外壳速度最大值、加速时间与壳体厚度的关系，如图7、图8所示。&&&&&&&&&&&&
由图7、图8可以看出，装药爆炸后外壳速度、加速时间、加速度与壳体厚度有关。壳体越厚，壳体速度的最大值越小，加速时间越长，加速度越小。由此可以看出，易爆危险源爆炸通过壳体作用在壳体与空气的分界面上，爆炸通过壳体的能量衰减与壳体的厚度有关，壳体越薄，能量衰减越小。&&&&4
结论&&&&　　为了研究凝聚态爆炸危险源外壳厚度对爆炸冲击波能量的影响，笔者以钢材料作为凝聚态易爆危险源的外壳为例，利用非线性动力学有限元程序ANSYS/IS―DYNA,通过数值计算，研究了带壳凝聚态易爆危险源在空气介质中的应力波衰减规律，给出了定量结果。通过分析得出如下结论：&&&&
1)易爆危险源壳体厚度的变化对爆炸冲击波的传播特性有显著影响。&&&&
2)爆炸通过壳体的能量衰减与壳体的厚度有关，壳体越薄，能量衰减越小。&&&&
3)带壳易爆危险源爆炸作用场中的应力披峰值随距离的衰减指数与易燃危险源壳体厚度成线性关系，壳体越厚，衰减指数越大，应力波峰值随距离衰减越快。&&&&
该结论为预测易爆危险源爆炸事故后果提了科学依据。&&&&信息来源：中国安全科学学报2006.7（责任编辑：邓昌煌）&&&&
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京ICP证010543号 客户服务电话：010-&& Email:来源：《水利学报》2015年第03期 作者：张社荣;李宏璧;王高辉;孔源;
空中和水下爆炸冲击波数值模拟的网格尺寸效应对比分析
1研究背景水库大坝是国家的重要基础设施,具有显著的社会经济效益,这也导致其易成为恐怖袭击或局部战争的攻击对象,水库大坝的抗爆性能及抗爆安全评价也日益受到研究者的关注。大坝抗爆性能的数值分析涉及到炸药起爆、冲击波传播、冲击波与结构物相互作用、结构物动态响应等复杂的物理过程,需要研究水、空气等介质与大坝复杂的流-固耦合作用。数值模拟中的网格尺寸对上述物理过程的模拟精度和计算效率有较大影响,在具体的研究中如何对水体域和空气域进行适宜的网格划分是大坝抗爆安全评价研究的基础性课题之一。因此,十分有必要对冲击波在水体和空气中传播时的网格尺寸效应问题进行研究。爆炸冲击波数值模拟中网格尺寸效应研究的核心问题就在于如何针对具体的爆炸问题确定合适的网格尺寸,以在确保数值模拟精度的同时尽可能地减少网格数量和提高计算效率。然而,由于各类介质的物理属性差异,使得针对某一种介质开展网格尺寸效应分析确定的网格尺寸在介质改变时,其使用具有较大的局限性。采用同一网格尺寸模拟不同介质中的冲击波传播问题时,计算精度可能存在较大区别。空气和水是两类最为常见的起爆介质,二者的物理属性存在较大差异,......(本文共计9页)
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