典型防爆裝備對TNT爆炸沖擊波的防護性能

楊磊, 劉瀚*, 黃廣炎,2, 田相鵬

(1.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室, 北京 100081; 2.北京理工大學 重慶創新中心, 重慶 401120)

0 引言

自1970年到2020年間,全球共出現20.97萬次恐怖主義事件,其中爆炸恐怖襲擊9.82萬次,占總襲擊數量的46.8%,已造成至少17.4萬人死亡,40.2萬人不同程度受傷[1]。爆炸載荷的首要主導危害因素為爆炸沖擊波效應,它是由爆轟產物急劇膨脹,強烈壓縮周圍空氣介質,使其壓力、密度迅速躍升而形成的[2]。沖擊波超壓會壓縮損傷人體胸腹部、腦部等重要器官,同時沖量和動壓引起的拋擲效應也會使人體腦部和骨骼承受巨大沖擊,造成人員重傷甚至死亡[3]。據統計,爆炸沖擊導致的創傷性腦損傷(TBI)和肺部損傷是近年來武裝沖突和恐怖襲擊中人員受傷的重要原因之一[4-6]。因此爆炸沖擊波安全防護一直是世界各國應急處置領域研究的重要問題。

為快速應對恐怖襲擊中突發的爆炸威脅,學者們針對爆炸沖擊波防護方法與緩解機理開展了大量研究工作。Zhu等[7]設計了一種空心圓柱水屏障,通過沖擊波的反射和繞射,該結構可顯著降低結構側壁面外的峰值壓力和脈沖沖量。Zhou等[8]對水和聚氨酯組成的抗爆結構開展了試驗和數值模擬研究,發現材料的排布順序對爆炸削弱作用幾乎沒有影響,而爆炸波的繞射偏轉是沖擊波防護的主要機理。Chen等[9]通過試驗和仿真發現矩形水墻最多可使墻后沖擊波超壓下降89%,與剛性墻結果基本一致,說明沖擊波的繞射和反射是主導削波機理。陳鵬宇等[10]發現水霧對鋼質結構內爆炸沖擊波具有顯著的耗散和衰減作用。王成等[11]研究了不同端面重墻的爆炸沖擊波防護性能,以重墻的殘余傾覆角為評價標準,將計算結果劃分為3種破壞等級。由此可見,現有研究工作主要圍繞簡化材料或等效結構開展,對于典型防爆裝備缺乏系統性的評估研究。

目前為止,僅有少量關于成型防爆裝備,尤其是柔性防爆裝備沖擊波防護性能的研究報道。Jiang等[12]在剛性防爆罐迎爆面和出口處分別放置 PCB壓力傳感器,以測量罐體壁面壓力分布規律。劉春美等[13]研究了一種由高強纖維材料、高彈性材料及高速凝膠體組成的復合防爆裝置,通過靜爆試驗獲得了人員一級/二級防護等級下的抗爆判據。年鑫哲等[14]建立了一種以高強聚乙烯纖維布為墻面、以型鋼為多跨框架的防爆墻數值模型,發現柔性墻后透射壓力與繞射壓力變化規律不同,需要區別對待分析。上述國內外學者研究重點在于復雜防爆結構的抗爆性能,其仍屬于防爆裝備的簡化模型分析,而對于典型防爆裝備沖擊波防護性能的系統性評估很少,有待研究者深入研究。

本文開展3種不同防護條件下的內爆載荷防護試驗和數值模擬。對比研究了不同防護條件對爆炸沖擊波到達時間、超壓峰值、正壓作用時間和正壓沖量的影響,分析了兩種典型防爆裝備的響應過程與防護機理,獲得了典型裝備沖擊波超壓削弱防護經驗模型,與試驗結果吻合較好。本文研究結果表明:兩種典型防爆裝備在不同當量內爆炸下顯示出不同的防護規律和防爆機理,有望為防爆結構的工程化應用提供直接數據參考。

1 爆炸防護性能試驗

1.1 試驗樣品及工況

本文采用防爆罐對不同藥量TNT內爆炸沖擊波載荷進行近場初始抑制和防護,并對比研究空爆(FAB)及兩種典型的防護裝備:一種是Q235鋼鋼材制成的鋼質防爆罐(SEP),其多為圓柱狀頂部開口容器,側壁可攔截沖擊波和破片,并通過頂部開口改變爆炸能量傳播方向,從而起到削弱周向沖擊波強度的目的;一種是由聚氨酯泡沫、水和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維等復合材料和液體制成的柔性防爆罐(FEP),其主要依靠內部液體的動量提取效應吸收爆炸能量,并通過沖擊波反射與繞射偏轉爆炸能量,從而削弱外部沖擊波的強度。需要特別指出的是,本文研究的兩種典型防護裝備標準防護當量均為1 500 g TNT,其內部結構如圖1 所示。

圖1 1 500 g TNT當量防爆罐結構Fig.1 Schematic diagram of 1 500 g TNT explosion-proof tanks

為對比研究標準防護當量均為1 500 g TNT的SEP和FEP對不同當量TNT爆炸沖擊波的防護能力,明確二者對內爆炸沖擊波的削弱防護規律,開展750 g、1 500 g、2 250 g和3 000 g四種藥量TNT爆炸物,即0.5倍、1.0倍、1.5倍和2倍標準防護當量試驗研究。壓裝成型的柱形TNT裝藥密度均約為1.59 g/cm3,直徑分別為80 mm、100 mm、120 mm和120 mm?？紤]過爆時SEP自身解體隨機產生二次破片對傳感器造成損壞,故未開展2 250 g和3 000 g TNT爆炸物的SEP防護試驗。試驗工況如表1所示。

1.2 試驗方案

現有防爆罐性能評估標準中缺乏沖擊波超壓指標[15],因此本文試驗主要參照防爆容器團體標準T/COS 004—2019[16]和防爆桶企業標準Q/BIT RXFB—1500-D1—2021[17]開展防爆性能對比試驗。TNT炸藥離地高度為200 mm,4 m和6 m兩個爆距處分別設置3支美國PCB公司生產的137B型自由場壓力傳感器,離地高度分別為300 mm、1 300 mm和 1 600 mm,以模擬爆炸場中人體腿部、胸腹部和頭部器官受到的沖擊波情況。不同防護條件下試驗測試布局如圖2和圖3所示。

表1 沖擊波載荷防護試驗工況Table 1 Shock wave load protection test conditions

圖2 沖擊波超壓試驗測試方案Fig.2 Shock wave overpressure test scheme

圖3 爆炸沖擊波超壓試驗測試布局Fig.3 Blast shock wave overpressure test layout

1.3 試驗結果

1.3.1 FAB試驗結果

開展不同TNT藥量FAB試驗,得到典型距離處的沖擊波超壓曲線。

圖4所示為1 500 g TNT時的超壓測試曲線,圖中圖例編號分別表示TNT當量、防爆結構、爆距和高度,如1 500 g-FAB-L4-H0.3代表FAB時,1 500 g TNT在距離爆心4 m,距離地面0.3 m處產生的沖擊波超壓。

圖4 FAB時1 500 g TNT藥量爆炸沖擊波超壓測試曲線Fig.4 Test curves of blast shock wave overpressure of 1 500 g TNT in FAB

完整的FAB試驗數據如表2所示。由表2可以看出,當TNT藥量逐漸增大時,不同高度處沖擊波峰值超壓從4 m傳播至6 m過程中依次平均衰減約39.8%、40.1%、53.3%,衰減程度逐漸升高。此外,0.3 m高處的峰值超壓普遍高于1.3 m和1.6 m高處峰值超壓。沖擊波到達兩個爆距處的平均時間間隔依次為4.92 ms、4.30 ms、4.29 ms,反映出沖擊波傳播速度隨著峰值超壓的增大而增大,符合典型經驗公式的規律[2]。

(1)

式中:Df為沖擊波傳播速度;c0為空氣介質聲速;γ為氣體多方指數;Δp為沖擊波峰值超壓;p0為大氣壓力。

表2 FAB時沖擊波峰值相關參量試驗結果Table 2 Experimental results of shock wave peak overpressure during FAB

1.3.2 SEP和FEP試驗結果

圖5所示為1 500 g TNT藥量,SEP和FEP兩種防護裝備防護后,典型爆距處的沖擊波超壓曲線。

完整的SEP和FEP試驗數據如表3所示。其中SEP時4 m爆距0.3 m高度的峰值超壓3.78 kPa遠小于正常值,這可能是試驗中傳感器工裝松動導致的測量誤差,在后文分析中已剔除所有異常數據。

圖5 SEP和FEP時1 500 g TNT藥量的沖擊波超壓測試曲線Fig.5 Shock wave overpressure curves of 1 500 g TNT with SEP and FEP

表3 SEP和FEP時沖擊波相關參量試驗結果

從表3中可以看出,SEP和FEP對沖擊波峰值超壓、正壓沖量均產生較大的削弱效果。以1 500 g TNT在4 m處的沖擊波峰值超壓為例,相較于FAB同高度,SEP依次削弱58.6%、49.4%和57.3%,FEP時依次削弱71.0%、59.4%和72.3%。同TNT藥量同爆距同高度處,經FEP削弱后的沖擊波峰值超壓、正壓沖量整體低于SEP防護時的測量值。

SEP和FEP對于沖擊波超壓的傳播整體產生了一定延遲,爆炸物在防護裝備內部爆炸時,沖擊波向四周方向傳播時受到罐壁的防護作用而產生了阻擋并向可逃逸的開口處產生一定的繞射,從而導致了沖擊波到達特定爆距處的時間產生滯后。

而FAB和SEP的正壓區作用時間基本一致,這說明SEP僅起到了能量偏轉作用,并沒有顯著削弱、彌散爆炸沖擊波,而FEP的正壓區作用時間整體高于FAB,這是由于沖擊波在多種不同波阻抗材料界面處產生多次反射和透射,沖擊波與結構的反復碰撞實現峰值彌散。

2 數值模擬

2.1 數值計算模型

為分析不同防護條件下的沖擊波傳播機理和防爆裝備的防護性能,基于有限元分析軟件分別對750 g、1 500 g、2 250 g、3 000 g四種TNT藥量的FAB沖擊波形成過程、SEP和FEP承受內爆炸載荷下的防護性能進行模擬分析。爆炸物底端距離地面高度200 mm,與試驗布局完全相同。其中,近場沖擊波形成階段,建立1 000 mm×1 000 mm的1/2多物質全Euler數值計算模型,采用端部中心點起爆方式。針對遠場沖擊波傳播階段,基于通量修正運輸(FCT)方法,建立6 500 mm×6 500 mm的1/2理想氣體數值計算模型,該階段的爆炸沖擊波初始參量由近場階段形成的穩定沖擊波映射而來?？諝庥蛲庋乜諝庥蛟O置Flow-out流出邊界,防止爆轟產物氣體和沖擊波發生反射。綜合考量數值計算精度和機時效率,將近場區域網格尺寸劃分為1 mm(100萬個網格),遠場區域網格尺寸劃分為1 cm(42.25萬個網格)[8],單位制為mm-mg-ms。在距離爆心4 m和6 m處,地面高0.3 m、1.3 m和1.6 m處設置固定觀測點。計算模型中SEP整體及FEP中的UHMWPE纖維和泡沫采用拉格朗日單元進行建模,空氣域、水和TNT采用歐拉網格進行建模。圖6為750 g TNT藥量時3種工況內爆炸載荷下的ALE數值計算模型。

圖6 750 g TNT防爆沖擊波防護的數值計算模型Fig.6 Numerical models of 750 g TNT explosion protection

2.2 材料模型

SEP和FEP承受內爆炸載荷下的動態響應數值計算,涉及到炸藥、空氣、鋼、水、纖維和泡沫共 6種物質。TNT炸藥采用標準Jones Wilkins Lee(JWL)狀態方程描述爆轟產物的力學行為,其參數來源于Lawrence Livermore國家實驗室[18]?？諝獠捎肐deal Gas理想氣體狀態方程描述沖擊響應行為[19]。SEP主體材料Q235鋼采用Johnson-Cook(J-C)本構模型描述[20],具體參數如表4所示。

采用Polynomial多項式狀態方程描述內爆炸載荷下水的力學行為[21],具體參數如表5所示。

UHMWPE纖維材料密度為0.98 g/cm3,L?ssig等[22]、Werff等[23]、L?ssig等[24]、Nguyen等[25]、Chen等[26]采用正交各項異性線彈性模型、多項式狀態方程、基于應力的破壞失效準則和軟化響應來共同描述,其主要參數如表6所示。

表4 Q235鋼J-C本構模型參數Table 4 Parameters of J-C constitutive model for Q235 steel

表5 水材料的Polynomial狀態方程參數Table 5 Polynomial equation of state parameters of water material

表6 UHMWPE纖維靶標材料主要參數Table 6 Main parameters of UHMWPE fiber target material

聚氨酯泡沫材料采用Crushable foam模型,以描述泡沫在壓縮條件下的力學行為,使用壓縮試驗下獲得的應力-應變曲線對其壓縮行為進行定義[27-28],主要參數如表7所示[8]。

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

2.3 數值計算結果

對FAB空爆沖擊波產生及傳播過程進行計算分析。

(1)建立制造業企業分類目錄，推動勞動密集型制造業轉移、轉型或退出。政府應順應勞動力成本上升的形勢，科學地建立制造業企業分類目錄，依據所建立的目錄推動勞動密集型制造業轉移、轉型或退出，改變制造業企業的“粗放型”發展方式，引導制造業結構優化。

圖7所示為750 g TNT藥量TNT近地面爆炸時所產生的沖擊波到達4 m和6 m兩個典型距離處壓力(Δp+p0)分布云圖。

圖7 FAB時750 g TNT數值模擬爆炸 沖擊波壓力云圖Fig.7 Pressure nephogram for numerical simulation of 750 g TNT blast wave with FAB

從爆炸沖擊波壓力云圖可見,TNT在距離地面200 mm高度處爆炸時,首先以球面波的形式向四周掃掠并傳播,同時急劇壓縮周圍空氣介質。當向地面傳播的波陣面到達地面時,一部分發生透射(主要導致地震波的產生),另一部分發生折返形成地面反射波。隨著入射波和反射波的不斷向外掃掠,二者在地面附近發生持續交匯,疊加形成沿水平地面方向擴散的馬赫波,并且隨著爆距的增加,入射波、反射波以及馬赫波形成的三波交匯點逐漸抬高,該三波交匯點上的壓力明顯高于其他區域的壓力。綜上可以推斷,在一定爆距范圍內,距離地面越近沖擊波壓力越高,且先到達較低位置,這是由于馬赫波區域內的空氣受到了入射沖擊波、地面反射波和馬赫波的三波壓縮作用,而馬赫波區域外的空氣介質僅受到入射沖擊波作用。

圖8為SEP和FEP兩種防護裝備對1 500 g TNT內爆沖擊波載荷進行防護時,4 m和6 m兩個爆距處觀測點記錄的沖擊波超壓曲線,該數值模擬結果與試驗結果吻合較好。SEP和FEP防護時的完整數值模擬結果如表8所示。

圖8 SEP和FEP時1 500 g TNT藥量下數值模擬的沖擊波超壓曲線Fig.8 Numerical curves of shock wave overpressure with 1 500 g TNT charge in SEP and FEP

2.4 防護過程與機理分析

基于上述數值模型,對SEP和FEP兩種防護條件下空氣沖擊波超壓削弱防護過程進行分析。圖9所示為750 g TNT在防爆罐內爆炸時沖擊波傳播、反射、繞射以及穩定傳播至4 m和6 m兩個典型爆距處的壓力(Δp+p0)分布云圖。

750 g TNT在SEP內爆時,非起爆端的沖擊波最先到達底部弧面(見圖9(a)t=0.1 ms),隨后徑向沖擊波向四周傳播到達罐體內壁后折射,與后續趕來的沖擊波發生疊加,在底部弧面和柱形內壁焊接部位出現壓力陡增的現象(見圖9(a)t=0.2 ms),造成SEP的內壁和底面發生塑性形變;由于徑向內壁和底部弧面剛性反射,沖擊波在罐體對稱軸上出現向心匯聚和疊加,并向罐體口部傳播,此時SEP將大部分爆炸沖擊波能量導向至口部(見圖9(a)t=0.4 ms);由于鋼與空氣波阻抗差異較大,口部處的沖擊波向外逃逸繞射,在罐體側壁周圍空間形成低壓遮蔽區,該繞射遮蔽作用是SEP削弱爆炸沖擊波的主要防護機理;繞射逃逸后的沖擊波以球面波的形貌繼續向四周掃掠傳播,當球面波波陣面到達地面時,會產生地面反射波,隨著入射波和反射波的不斷向外掃略,二者疊加形成沿水平地面方向擴散的馬赫波(見圖9(a)t=7.5 ms和圖9(a)t=12.92 ms);隨著爆距的增加,入射波、反射波和馬赫波形成的三波交匯點逐漸抬高,該交匯點上的壓力顯著高于其他區域(與圖7中FAB的三波交匯原理相同)。

觀測點的超壓峰值和正壓沖量同樣證明了SEP防爆中馬赫波和三波交匯的存在。圖10(a)為4 m爆距不同高度處沖擊波超壓峰值、正壓沖量與TNT當量的關系曲線,從圖中可以看出0.3 m高度處的沖擊波超壓峰值和正壓沖量均顯著大于1.3 m和1.6 m處,這是因為4 m爆距0.3 m處恰好處在入射波和反射波疊加增強區(見圖9(a)t=7.5 ms),而此時1.3 m和1.6 m處僅有入射波作用。隨著爆距由4 m增加到6 m,0.3 m高度處的沖擊波超壓峰值和正壓沖量與1.3 m和1.6 m處的差異逐漸減小(見圖10(b)),這是三波交匯點逐漸抬高導致的。

750 g TNT在FEP內爆時,爆轟產物及沖擊波迅速向四周傳播擴散至罐體內壁和地面(見圖9(b)t=0.1 ms);隨后受泡沫和水等等多層罐體材料干擾,在纖維、水、泡沫多層介質表面發生多次反射、透射,最終部分沖擊波透射出罐體(見圖9(b)t=0.18 ms),在此過程中水介質通過動量提取效應,將部分爆炸能量轉化成水的動能,從而在罐內實現對沖擊波的削弱[7];隨著爆炸高壓持續作用于罐體,沖擊波在罐體內短暫密封后,迅速從罐壁和頂蓋間逃逸后發生繞射,形成與SEP相似的低壓遮蔽區(見圖9(b)t=0.5 ms),降低了罐體側壁附近空間的沖擊波超壓;繞射逃逸后的沖擊波波陣面急劇壓縮外圍空氣介質,并快速整合形成球面波沿著徑向持續掃掠傳播,隨著爆距增加沖擊波壓力不斷衰減(見圖9(b)t=9.4 ms和圖9(b)t=14.5 ms)。此時罐體聚氨酯泡沫材料完全解體,但與爆炸熱相比,泡沫破碎吸收的能量對超壓分布的影響較小[8];水介質完全解體,并通過動量提取效應吸收了部分爆炸能量。

表8 SEP和FEP時沖擊波相關參量數值模擬結果Table 8 Experimental results of shock wave during SEP and FEP

圖9 兩種防爆裝備對750 g TNT內爆沖擊波載荷防護過程的壓力云圖Fig.9 Protection process of two explosion-proof equipment against 750 g TNT internal blast wave

圖10 SEP時4 m爆距處沖擊波超壓峰值、正壓 沖量與TNT當量的關系曲線Fig.10 Curves of relation among shock wave overpressure peak, positive pressure impulse and TNT equivalent at 4 m explosion under SEP protection

同樣的,1 500 g、2 250 g以及3 000 g TNT在兩種防爆罐中內爆時的沖擊波傳播機制基本相同,但隨著TNT藥量增大,傳播到達時間逐漸提前。不同的是,過爆時罐體產生畸變或破裂失效,沖擊波沿著裂隙逃逸,從口部逃逸和繞射沖擊波匯聚后繼續向自由空氣場擴散傳播。

無論是從數值模擬還是試驗結果來看,相同工況下,SEP防護時的絕大多數沖擊波超壓峰值比FEP的峰值更高;在較大當量TNT(2 250 g、3 000 g)時,SEP防護的絕大多數正壓沖量顯著大于FEP的沖量,而在較小當量TNT(750 g)時兩者正壓沖量并沒有顯著差別。故推斷FEP對TNT內爆時的沖擊波的抑制能力更強,其原因是FEP頂蓋將半密閉內爆炸轉變成了準密閉爆炸,沖擊波通過如圖9(b)t=0.5 ms所示的縫隙逃逸至外部之前需要經過更多次的反射和透射,沖擊波與FEP作用時間也會大幅提高,因此水介質的動量提取效應、多種復合材料間不同波阻抗匹配時的反射和透射等聯合作用機制得到了顯著的增強,從而在沖擊波繞射逃逸之前實現更為持久的削波和彌散抑制;而SEP沒有頂蓋結構,沖擊波僅通過單一剛性材料反射消耗后從口部繞射逃逸。

3 對比分析與討論

3.1 數值模擬準確性驗證

以試驗中SEP和FEP兩種防爆裝備的標準防護當量為例,提取表3和表8中1 500 g TNT相關數據,統計后得到SEP和FEP時沖擊波峰值超壓、到達時間的試驗及數值模擬結果對比,如表9所示。

由表9可以看出,沖擊波超壓峰值及到達時間的數值計算結果與試驗結果的一致性較好。4 m爆距1.6 m高度處的峰值超壓誤差為24.7%,該誤差可能是傳感器固定沙袋較高,試驗和數值模擬中地面工況不完全一致導致的(見圖3)。其他位置SEP和FEP防護試驗沖擊波超壓峰值與數值仿真峰值超壓間的誤差均小于16.0%,同時沖擊波波陣面到達典型爆距處的時間也與數值模擬結果基本吻合,各位置處誤差在15.3%以內,驗證了數值模擬的準確性,說明該計算模型能夠捕捉到關鍵的沖擊波防護規律。

3.2 峰值超壓到達時間對比

考慮到胸腹部位的內臟器官中胃、腸道、肺臟等含氣器官較多,且胸腹部迎風面積較大,更加容易受到透射波的作用而發生損傷,故以胸部典型高度1.3 m為例,分析3種防護方式對超壓峰值傳播時間的影響規律。圖11所示為3種不同防護條件下的超壓峰值到達時間與不同TNT當量之間的關系。

表9 SEP和FEP時1 500 g TNT沖擊波試驗及數值模擬結果對比Table 9 Comparison of test and numerically simulated results of 1 500 g TNT shock wave with SEP and FEP

圖11 不同防護條件下1.3 m高度處沖擊波超壓峰值到達時間與TNT當量的關系曲線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

由圖11可以發現:3種防護條件下超壓峰值到達時間均隨著TNT當量的增加而逐漸減小。以1 500 g TNT為例,FAB空爆時超壓峰值到達4 m處時間為5.27 ms,在4～6 m范圍內的傳播時間ΔtFAB為4.61 ms;當SEP防護時峰值到達4 m處時間為7 ms,顯著晚于FAB到達時間,說明沖擊波在SEP裝備內受到了有效干擾,逃逸后的沖擊波在4～6 m范圍內的傳播時間ΔtSEP為5.18 ms,與FAB空爆傳播時間基本一致;當FEP防護時峰值到達4 m處時間為7.69 ms,均晚于FAB和SEP到達時間,經過FEP防護后的沖擊波在4～6 m范圍內的傳播時間ΔtFEP為4.97 ms,與FAB和SEP傳播時間基本相同,該結論與爆炸強噪聲傳播規律一致[29]。

由此可見,SEP和FEP均可對爆炸沖擊波形成有效干擾,延緩峰值到達時間,而FEP對沖擊波的延遲效應略優于SEP。這是因為SEP內的沖擊波僅通過內壁的剛性反射和繞射后,直接向空氣中傳播;而FEP內的沖擊波受到泡沫、水、纖維等多種不同波阻抗介質干擾后產生多次反射,之后部分沖擊波從罐壁和頂蓋間發生繞射后再逃逸到空氣中,具體傳播過程如圖9所示。

3.3 峰值超壓抑制效應對比

以1.3 m典型高度為例,進一步分析SEP和FEP相對于FAB空爆時對沖擊波超壓峰值的抑制效應。圖12所示為3種不同防護條件下的沖擊波超壓峰值與不同TNT當量之間的關系。

圖12 不同防護條件下1.3 m高度處沖擊波超壓峰值與TNT當量的關系曲線Fig.12 Curves of relation between shock wave overpressure peak and TNT equivalent at 1.3 m height under different protection conditions

從圖12中可以看出,不同防護條件下的爆炸沖擊波超壓峰值隨著TNT藥量的增加而明顯提高:

相較于FAB時,SEP時4 m處超壓峰值從22.86 kPa增加到47.09 kPa,削減了59.4%～66.3%;6 m處從12.29 kPa增加到25.35 kPa,削減了55.4%～60.8%。FEP防護時,4 m處從19.38 kPa增加到31.08 kPa,削減了65.6%～77.7%;6 m處超壓峰值從11.21 kPa增加到24.37 kPa,削減了57.2%～63.4%?？梢? m處,FEP比SEP具有更高的沖擊波衰減率。750 g TNT時,FEP的超壓峰值衰減率為65.6%高于SEP的59.4%,且隨著藥量增加,FEP對沖擊波的防護優勢進一步顯現,3 000 g TNT時,FEP的衰減率為77.7%顯著高于SEP的66.3%,這說明與SEP相比,FEP對過當量爆炸具有更好的防護能力。

3.4 沖擊波削弱防護經驗模型

(2)

(3)

(4)

圖13 兩種防護條件峰值超壓抑制因子 擬合曲線Fig.13 Fitting curves of peak overpressure inhibitory factor under two protection conditions

由圖13可以發現,利用指數型函數進行擬合時比較符合比值分散點的走勢,因此SEP和FEP對沖擊波峰值超壓的抑制因子分別表示為

(5)

(6)

(7)

(8)

將削弱模型計算結果與防護試驗和仿真得到的峰值超壓結果進行對比,如圖14所示。由圖14可以發現,比例距離較大時SEP和FEP防護后的峰值超壓基本一致,而比例距離較小時FEP對沖擊波的防護效果明顯優于SEP,體現了FEP在過當量爆炸防護時的優勢,這與3.3節結論一致。

圖14 峰值超壓削減模型、試驗和仿真結果 隨比例距離變化Fig.14 Changes of peak overpressure protection model, experimental and simulated results with proportional distances

為驗證削弱模型對沖擊波超壓峰值預測的準確性,將預測結果與試驗結果進行比較。防護試驗沖擊波峰值超壓結果Δpexp相對于削弱模型計算結果Δpemp之間的相對誤差記為Er,exp-emp,由式(9)計算:

(9)

得出SEP和FEP峰值超壓削弱模型分別與試驗結果的平均相對誤差為2.4%和10.2%。這是由于FEP防護削弱模型在比例距離較小的區域數據較為波動,導致某些點處的相對誤差較大,但整體削弱趨勢與試驗結果一致,對結果預測具有一定參考性。

4 結論

本文對比分析了防護當量均為1 500 g TNT的SEP和FEP兩種典型防爆裝備對不同藥量TNT爆炸沖擊波的防護性能,分析了防爆動態響應與防護機理,建立了沖擊波峰值超壓削弱模型。得出主要結論如下:

1)SEP和FEP可對沖擊波超壓峰值形成有效抑制。相較于FAB,SEP可削減55.4%～66.3%,對正壓沖量削減32.1%～53.5%,FEP削減57.2%～77.7%,對正壓沖量削減50.8%～75.2%;FEP對內爆沖擊波載荷的防護能力高于SEP,該優勢在2 250 g、3 000 g TNT等過當量爆炸時體現的更為明顯。

2)FEP和SEP主要防護機理都是沖擊波的繞射遮蔽作用,但FEP頂蓋將半密閉內爆炸轉變成了準密閉爆炸,增加了沖擊波與FEP結構作用時間,同時水的動量提取效應和多種不同波阻抗材料界面的反射和透射等聯合作用機制進一步削弱了逃逸前沖擊波的強度;而SEP沒有頂蓋結構,沖擊波僅通過單一介質的剛性材料反射消耗后從口部繞射逃逸。

3)本文建立了SEP、FEP沖擊波峰值超壓削弱經驗模型,與試驗數據對比,SEP和FEP削弱模型平均誤差分別為2.4%和10.2%。該模型可為防爆結構的工程化應用提供直接設計參考。