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有关快速拼装式防爆墙的消波性能的研究试验

2020-02-06 273 上传者：管理员

摘要：研究快速拼装式防爆墙的消波性能主要采用了炮弹静爆试验，通过对不同比例爆距下防爆墙前后的冲击波超压峰值进行对比，所提高的超压消波效应系数能够反映防爆墙消波能力。基于试验的相关数据对比例爆距､比例墙高和墙后比例距离对消波性能的影响进行了分析。结果表明: 作用于防爆墙迎爆面的反射超压一般比墙后的最大绕射超压大一个数量级。防爆墙的消波效应可达50%以上，无墙时自由场超压高于有防爆墙时墙后冲击波超压；作用于防爆墙迎爆面的反射超压一般比墙后的最大绕射超压大一个数量级, 比例爆距和墙后测点距离较大程度上影响了绕射超压。比例墙高和比例爆距都对墙的消波性能产生了影响，随着墙后比例距离的减小，消波效应系数逐渐增大。

关键词：
消波性能
爆炸力学
试验研究
防爆墙
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目前,防爆墙是防护工程领域的研究热点,已成为战场临时防护和重要目标反恐防爆的有效措施｡在重要目标外一定距离设置防爆墙,将有效降低爆炸冲击波和破片的破坏作用,降低装备损失和人员伤亡概率｡快速拼装式防爆墙可以迅速在目标外围构筑起防护屏障,通过直接反射爆炸产生的空气冲击波,自身变形及填料的飞散､摩擦吸收和消耗爆炸冲击波能量来达到防护目的｡

近年来,国内外学者采用试验研究､理论分析和数值计算等方法对防爆墙进行了大量研究｡穆朝民等｡采用数值模拟和试验相结合的手段,对爆炸冲击波作用于防爆墙的荷载与冲击波绕流规律进行了研究,得到了爆炸冲击波绕流的内在机理和防爆墙周围冲击波流场的分布规律;张耀等纠利用AUTODYN软件模拟了水体防爆墙和钢筋混凝土防爆墙对地面爆炸冲击波的削弱作用,对比了两种防爆墙的消波性能,分析了冲击波作用于两种防爆墙时各物质问能量转化的规律;洪武等｡采用AUTODYN软件研究了非直立刚性防爆墙墙后冲击波超压分布情况,指出不同倾斜情况的墙体消波效果相当;丁娜娜等采用LS—DYNA程序对爆炸冲击波遇到悬臂式防爆墙时的传播规律进行了数值模拟研究,并与无防爆墙时进行了对比,得到了防爆墙墙后超压的衰减率｡先前的研究多数采用数值模拟方法,已进行的爆炸试验多为缩比例或小当量近距离试验,目前关于快速拼装式防爆墙的原型爆炸试验较少｡本文对不同装配形式的快速拼装式防爆墙进行炮弹静爆试验,测得了防爆墙墙后冲击波超压分布规律,并与无墙时自由场超压的CONWEP程序计算值对比,分析了快速拼装式防爆墙的消波性能｡

1、试验概况

1.1 试验构件

快速拼装式防爆墙墙体结构单元由低碳钢丝焊接形成骨架,通过螺旋铰链组装连接成可拆装､可重复利用的钢网,并内衬高抗拉优质土工布,再经填充砂､土､石子形成墙体,如图1所示｡炮弹采用122mm､130mm､152mm杀爆弹战斗部,其炸药类型为TNT,装药量分别为3.2kg､3.5kg､5.8kg,如图2所示｡

1.2 量测系统及设备

试验中采用压力传感器测量防爆墙迎爆面和墙后地面的冲击波超压,如图3(a)､(b)所示｡反射超压传感器选用不同量程的Kistler传感器,输出信号为电压,该压力传感器具有使用频带宽､灵敏度高､后续电路简单､零漂小､性能稳定的优点｡选用天奥SC56671便携式数据采集设备作为采集仪(如图4所示),采样率使用2MHz,负延时250ms,采样时间2S｡试验时,数据采集系统采用断靶外触发方式,在战斗部上缠绕断靶线,战斗部起爆后绷断断靶线,数据采集设备获得一个阶跃信号(0~5V),进而进行数据采集｡

1.3 试验布置

将不同规格防爆墙按照图5进行布设｡试验采用一爆多用的方法,每一发炮弹静爆试验均对距爆心5in､10nl和15In的防爆墙进行测试,墙体布置保证每组墙体墙面中心与爆炸中心在一条直线上,且保证爆炸波传递到所有墙体迎爆面上｡防爆墙尺寸见表1所示｡

每发炮弹静爆过程中分别测试1#､2#､4#､5#防爆墙迎爆面正中心处及正中心水平间隔1个防爆墙单元长度处冲击波超压及其墙后0.5nl､1.5in和3.0in处的地面冲击波超压,超压测点位置,见图5所示｡试验依次在爆心处以雷管和起爆药柱起爆的方式静爆1发122mm杀爆弹,1发130mm杀爆弹,2发152mm杀爆弹,其中1发152杀爆弹为浅埋状态,弹丸水平放置,弹轴与1}}墙平行,弹体最顶端距地面0.08ITI,其余杀爆弹竖直放置在弹架上,爆心距地面均为11m｡

2、试验结果及分析

目前,研究者针对爆炸冲击波的传播规律主要采用冲击波压力､超压峰值等参数来描述,而这些参数一般通过比例爆距来表达｡比例爆距定义为:(1)公式中:R为测点与爆心之问的距离,in;C为等效TNT药量,kg｡

2.1 试验数据

对静爆试验中防爆墙迎爆面和墙后测点的测试数据进行分析,得到了不同比例爆距下的冲击波超压时程曲线,图6､图7给出了部分比例爆距下冲击波超压时程曲线图,其中(a)､(b)､(C)､(d)分别表示122mm杀爆弹静爆条件下1#墙､130mm杀爆弹静爆条件下2#墙､152mm杀爆弹静爆条件下5#墙､122mm杀爆弹静爆条件下5}}墙的冲击波时程曲线｡

2.2 结果分析

2.2.1 防爆墙周围冲击波流场

将不同比例爆距下防爆墙迎爆面和墙后冲击波超压峰值进行对比,表2给出了部分比例爆距下超压峰值试验结果,其中四种比例爆距下试验结果分别表示122mm杀爆弹静爆条件下1#墙､130mm杀爆弹静爆条件下2#墙､152mm杀爆弹静爆条件下5#墙､122mm杀爆弹静爆条件下5#墙的冲击波超压峰值｡

从表2中可以看出,由于防爆墙的存在,作用于防爆墙迎爆面的冲击波反射超压比墙后冲击波的最大绕射超压大1个数量级,说明防爆墙的消波作用较为显著｡防爆墙墙后冲击波流场分布规律与自由场有明显区别,在试验测量区间内,当比例爆距R较大时,冲击波超压峰值随着墙后测点距离R:的增大而增大,这与自由场中冲击波超压峰值随着距离的增加而衰减有明显差异｡但当比例爆距R较小时,墙后流场分布规律又发生变化,墙后冲击波超压峰值较大值点有向墙体靠近的趋势,且靠近墙体的测点的超压峰值相差不大｡由此可见,防爆墙的存在会改变空气冲击波传播规律和流场分布规律,而且这种流场分布规律因比例爆距的不同而变化｡

2.2.2 防爆墙消波效应

防爆墙对冲击波的削弱作用直接决定了其防护性能的好坏,对于墙后重要目标的安全设防研究具有重要意义｡因此,定义快速拼装式防爆墙超压消波效应系数肌,以此来分析快速拼装式防爆墙的消波性能,消波效应系数的计算公式为:(2)公式中:△P｡表示有防爆墙时墙后冲击波超压,△P0表示无防爆墙时自由场冲击波超压｡由试验结果可知,防爆墙墙后冲击波超压与墙后比例距离有关｡现定义墙后比例距离为:(3)式中:R:为墙后测点距防爆墙背爆面的距离,m;C为炸药装药量,kg｡

由式(2)可知,有防爆墙时墙后冲击波超压△P｡越小,快速拼装式防爆墙的消波效应系数越大,表明防爆墙消波性能越好｡若通过爆炸试验,找到消波效应系数肌的变化规律,结合爆炸冲击波在自由场中的超压和冲量经验公式,则可根据消波效应系数的计算公式反算防爆墙后冲击波超压△P｡,从而为确定墙后重要目标和人员的设防安全距离提供依据｡为研究防爆墙对冲击波超压的消减效应,利用CONWEP程序计算了对应静爆试验中无防爆墙时相同测点的爆炸冲击波自由场超压,表3给出了无防爆墙时炮弹静爆试验的墙后测点冲击波超压峰值,其中爆距采用炸药到防爆墙迎爆面的距离R.｡对比表2和表3中的数据可得,有防爆墙时墙后冲击波超压峰值明显小于无防爆墙时同位置处自由场超压峰值｡根据表中数据,结合公式(2),计算得到了各静爆试验下不同装配形式防爆墙(即不同比例爆距)的超压消波效应系数睇,图8给出了各比例爆距下超压消波效应系数睇随墙后比例距离尺:的变化曲线｡从图8中可以看出,在不同比例爆距下,随着墙后比例由图9可得,当仅改变炸药当量时,墙后三个测点的消波效应系数睇的变化幅度不大,此条件下比例爆距R｡对睇的影响较小,爆距为5m处的防爆墙墙后三个测点的超压消波效应基本保持在91%､87%､80%左右｡根据表2和表3的数据,采用公式(2),计算得到炮弹试验中墙后各测点超压消波效应系数睇随比例爆距R｡的变化曲线图,如图10所示,其中比例爆距的变化通过仅改变爆距且其他条件不变实现｡

由图10可知,当仅改变爆距时,墙后三个测点的超压消波效应系数变化较大,受比例爆距的影响较大｡随着比例爆距R,的增大,超压消波效应系数睇降低,以炸药当量为3.2kg的试验为例,当比例爆距(m/kg3)从2.78增大到5.57时,墙后三个测点的昨分别从90%､86%､80%减小至078%､77%､69%,可见防爆墙对冲击波超压的消波效应明显减弱｡当比例爆距一定时,R:越小,防爆墙的形,越大,说明靠近防爆墙背爆面的消波效应较好,防爆墙能充分发挥防护作用｡

综合以上分析发现,图9和图10所描述的墙后超压消波效应系数睇随比例爆距R,的变化规律有一定差异性,其原因是当改变炸药当量时,防爆墙的比例墙高也发生了改变,肌除了与炸药当量有关,还受到比例墙高的影响,随着比例爆距的增大,比例墙高也相应增大｡文献[16]研究发现,当比例爆距一定时,随着比例墙高增大,防爆墙墙后冲击波超压逐渐减小｡对应到图9､10中可知,比例爆距和比例墙高均影响肌的变化并且发生一定的相互抵消,所以此时肌的变化幅度不大,本文试验结论与文献一致｡墙后比例墙高定义为:(4)公式中:H为防爆墙高度,m;C为炸药装药量,kg｡

3､结论

(1)作用于防爆墙迎爆面的反射超压一般比墙后的最大绕射超压大一个数量级,比例爆距和墙后测点距离对防爆墙绕射超压有较大影响;(2)快速拼装式防爆墙的消波效应可达50%以上,但随着墙后比例距离R,的增大,防爆墙超压消波效应系数肌逐渐减小,防爆墙的消波性能逐渐减弱,防爆墙对远场的消波效应降低;(3)防爆墙消波性能受比例爆距和比例墙高共同影响,不能单纯依靠比例爆距判断墙体消波能力｡

参考文献:

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[3]伍俊,刘晶波,闫秋实.装配式防爆墙和翻转式路刺组合防护结构[J].土木工程学报,2008,41(1):99—101.

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基金项目:爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室开放课题(DPMEIK坨01703);国防科技项目基金(2201060)