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比内能 比内能公式

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发布时间：2016-12-08加入收藏来源：互联网点击：

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摘要：为了研究多层混凝土介质内爆炸相似律,基于量纲分析法建立了多层混凝土介质内爆炸相似模型。利用有限元分析软件LS-DYNA分析了装药深度和缩尺比例对原型和缩比模型毁伤形态及毁伤效应参量相似的影响,并以梯恩梯和含铝炸药进行原型和缩尺比例为1/2的缩比模型内爆炸毁伤相似试验。结果表明:不同装药深度下的原型与缩比模型的毁伤形态相同,毁伤效应参量符合相似规律;靶板边界约束相同时,含铝炸药在原型和缩尺比例为1/2的缩比模型内爆炸毁伤具有相似,缩比毁伤效应参量归一化后与原型的偏差在8%以内;随着缩尺比例的减小,毁伤效应参量与原型的偏离程度增大,可选用适当缩尺比例的缩比模型试验结果预测原型的内爆炸毁伤效应。

关键词： 内爆炸 内爆炸毁伤效应 多层混凝土介质 爆炸力学 相似定律 缩比试验

反坚固目标弹药对机场跑道、港口及高速公路等目标的内爆炸毁伤效应及威力评估,是兵器领域的研究热点。上述目标通常是由面层高强度混凝土、贫混凝土基层及压实土层组成的多层混凝土介质。在目前弹药设计及威力评估过程中,试验研究仍是不可或缺的重要方法。以相似理论为基础的缩比模型试验能节约成本,缩短试验周期,成为研究爆炸毁伤效应的一种重要手段。因此,分析多层混凝土介质内爆炸相似律,建立原型与缩比模型的相似准则,使模型试验能够预测原型试验的毁伤效果,具有重要现实意义。

关于混凝土或混凝土-土介质在爆炸载荷作用下的成坑相似律,部分学者通过相似理论建立了相似准则。Westine[1]分析了混凝土-土复合介质内爆炸毁伤效应的关键影响因素,基于量纲分析法建立了相似模型。Chabai[2]在深埋装药的爆炸成坑效应中考虑了重力影响,得到4次方根比例定律,即r∝Q1/4(Q为炸药释放的总能量,r为相似比)。杨振声[3]和谈庆明[4]分析了工程爆破模型律,研究表明当介质抛掷高度y1与最小抵抗线W为同一量级时,即最小抵抗线超过25m时需考虑重力影响。Wang等[5]分析了双层混凝土介质中的爆炸相似律,得到考虑重力时模型律的两种方法:惯加速度法(采用离心机实现)和等效材料法(材料强度进行缩比)。岳松林等[6]推导了岩石内爆炸成坑相似律,阐述了地下深埋爆炸效应的模型试验方法,随后徐小辉等[7]给出了模型试验等效材料的相似条件。杨亚东等[8]和Yao等[9]分析了缩比系数对密闭空间内爆炸相似律的影响。Xie等[10]基于相似理论建立了土壤爆破弹坑参数的无量纲经验公式。荆松吉等[11]采用有限元分析软件LS-DYNA分析了多层混凝土介质的爆炸相似律,分析表明多层混凝土介质中存在相似律,但缩尺比例过大时,会通过面效应影响原型与缩比模型的相似。

上述文献主要是基于相似理论分析混凝土-土复合介质结构内爆炸相似律,对多层混凝土介质内爆炸相似律的研究较少。基于量纲分析法和数值模拟的混凝土内爆炸相似律分析都是将混凝土看成均质材料,需要通过考虑骨料的内爆炸试验对相似律进行验证。此外,由于含铝炸药具有高爆热、高爆容和释能时间长的优点,广泛应用于航空武器弹药,而含铝炸药中铝粉与爆轰产物的二次反应表现出非理想,在多层混凝土介质内爆炸毁伤是否满足相似律,需要相关研究验证。

本文利用量纲理论导出多层混凝土介质内爆炸毁伤相似律,建立内爆炸相似理论模型。在理论分析基础上,利用LS-DYNA软件进行了不同装药深度和缩尺比例下原型和缩比模型的内爆炸数值仿真,并采用梯恩梯(TNT)和含铝炸药进行原型和缩尺比例为1/2的缩比模型内爆炸相似验证试验。通过仿真和试验分析了装药深度及铝粉的二次反应释能对毁伤效应参量、介质抛掷速度和位移相似的影响,揭示了缩尺比例对内爆炸毁伤效应参量的影响,论证了模型试验的可行。所得结论可为多层混凝土介质内爆炸缩比模型试验设计提供参考依据。

1、多层混凝土介质内爆炸相似模型

1.1毁伤效应参量及影响因素

装药在多层混凝土介质内爆炸毁伤效应参量主要有:实际弹坑深度H(实际弹坑底部到地表的距离);弹坑半径Rc(混凝土道面上弹坑的平均半径);有效毁伤半径Reff(混凝土道面上环向裂纹的平均半径);最大空腔半径Rmax(在成坑模式中,Rmax一般等于Rc);鼓包隆起过程中的鼓包位移y和鼓包速度v.此外,还引入1个参量MODE来描述毁伤模式(成坑模式、隆起模式或隐坑模式)。

上述毁伤参量的主要影响因素来自装药、混凝土、土壤的材料质及几何尺寸等,包括:

1)装药:装药量w,装药密度ρe,装药爆热Qe和爆轰产物膨胀指数γ;

2)多层混凝土介质靶:面层混凝土参数包括面层厚度hf、面层长度、宽度lf、反映惯效应的材料密度ρf、反应强度效应的材料极限抗压强度σf;碎石层参数包括碎石层厚度hm、介质材料密度ρm、极限抗压强度σm;压实土壤层包括介质密度ρs、声速cs.声速cs和密度ρs反映材料强度效应的影响。忽略多层混凝土介质材料的应变率效应,认为其他强度参数与抗压强度呈正比;

3)交会参数:装药深度h和装药倾斜角度α.

1.2内爆炸毁伤量纲分析

在进行量纲分析前作如下假设[12]:1)不考虑介质应变率的影响,忽略介质的黏和热传导;2)混凝土为各向同的脆材料;3)忽略爆轰产物初始压力的泄露;4)由于炸药装药深度较小,忽略重力影响;5)炸药瞬时爆轰。表1和表2分别列出了7个毁伤效应参量和15个影响因素及其量纲(以M、L和T为基本量纲)。

表1毁伤效应参量的量纲

表2影响因素及其量纲

选取w、Qe和h为基本量,可将7个毁伤效应参量写成无量纲形式:

根据!定理,以上公式可写成如下无量纲关系式:

根据量纲分析相似定理,当原型和缩比模型(1)式中的!项对应相等,即相似条件为(2)式时,则πip=πim,下角标p表示原型,m表示模型。

当缩比试验和原型试验中采用的炸药类型、密度及靶板材料、强度和密度相同,以及缩尺比例为λ时,求解(2)式可得相似模型如下:

由πip=πim可得原型和缩比模型的毁伤效应参量关系,如表3所示。

表3原型和缩比模型毁伤效应参量关系

根据表3中原型和缩比模型体系内的鼓包位移及速度关系,可知时间满足tm/tp=λ.下面通过数值模拟检验相似模型的正确,并分析装药深度和缩尺比例对相似的影响。

2、内爆相似数值模拟

2.1计算模型及材料参数

多层混凝土介质由40cm厚混凝土、40cm厚碎石层和120cm厚压实土层组成,如图1所示。其中混凝土面层由边长为5m的正方形中心靶及宽度为1.5m的边界靶组成,中心靶和边界靶存在1cm的间隙。装药为TNT炸药,位于靶板中心位置,并用压实土填充炮孔。考虑到结构的对称,建立1/4模型,数值模拟采用多物质Euler材料与Lagrange结构相耦合的算法,其中面层混凝土采用单点积分Lagrange六面体网格,其余均采用Euler六面体网格,原型网格尺寸为3cm,缩比模型网格尺寸根据缩尺比例缩比,即缩尺比例为1/2的缩比模型网格尺寸为1.5cm.

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