兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (12): 3897-3908.doi: 10.12382/bgxb.2023.0285
所属专题: 爆炸冲击与先进防护
收稿日期:
2023-03-31
上线日期:
2023-12-30
通讯作者:
基金资助:
SHANG Yulu1, XU Xuan1,*(), ZHANG Di2, YANG Jun1
Received:
2023-03-31
Online:
2023-12-30
摘要:
为了研究砌体墙在大当量爆炸加载下的动力响应行为,根据TNT当量为500kg,爆心距为13m的现场试验,利用内聚力单元方法(Cohesive Zone Method,CZM)建立有窗和无窗双面砌体墙全尺寸数值模型,分别采用常规武器爆炸参数计算程序(Conventional Weapons Effects Program,CONWEP)和有限元仿真软件中的流固耦合(Coupled-Eulerian-Lagrangian,CEL)方法施加爆炸荷载进行数值计算。研究结果表明,与试验在地表测得的扫掠超压数据相比,CONWEP和CEL方法的入射超压峰值与试验结果基本相符:CEL方法入射冲量与试验接近,但其抵达时间较试验早7.1%,上升沿时间为试验的4倍;CONWEP方法超压衰减较慢,正压持续时间和冲量分别比试验大50.7%和42.56%,而抵达时间和上升沿时间与试验一致。分析认为,CEL加载冲击波抵达时间和上升沿持续时间受比例距离和网格尺寸影响,比例距离和网格尺寸越大,冲击波抵达时间越晚,上升沿时间越长。此外,冲击波流场的时空分布差异性体现在:CONWEP方法加载的波阵面为理想半球形,CEL方法加载的波阵面为扁球状;对于施加于墙面的反射超压峰值,CONWEP方法加载各区域的峰值更大且各向衰减率一致,而CEL方法加载在y轴(竖直)方向的衰减率大于z轴(水平)方向;在墙体渐进破坏规律研究中,CEL方法加载能够较为准确地模拟墙体的局部破坏特征。并且,CEL方法加载下墙体最终破坏形态与试验结果更接近,CONWEP方法则破坏程度更大。
中图分类号:
尚雨露, 徐轩, 张帝, 杨军. CONWEP与流固耦合爆炸加载差异性及砌体墙动力响应特征[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3897-3908.
SHANG Yulu, XU Xuan, ZHANG Di, YANG Jun. The Loading Discrepancies in CONWEP and Fluid-structure Interaction Methods and the Dynamic Response Characteristics of Masonry Wall[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(12): 3897-3908.
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
---|---|---|---|---|
ρ/(kg·m-3) | 7766 | E/GPa | 200.5 | |
μ | 0.241 | A/MPa | 456 | |
B/(MPa) | 350.16 | n | 0.418 | |
m | 0.757 | C | 0.0366 | |
0.001 |
表1 钢筋材料模型参数
Table 1 Material parameters of rebar
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
---|---|---|---|---|
ρ/(kg·m-3) | 7766 | E/GPa | 200.5 | |
μ | 0.241 | A/MPa | 456 | |
B/(MPa) | 350.16 | n | 0.418 | |
m | 0.757 | C | 0.0366 | |
0.001 |
砂浆界面 | En/MPa | Es/MPa | /MPa |
---|---|---|---|
水平砂浆 | 15 | 5.8 | 1 |
竖直砂浆 | 15 | 5.8 | 0.5 |
混凝土界面 | 15 | 5.8 | 4 |
砂浆界面 | /MPa | GIC/(J·m-2) | GⅡC/(J·m-2) |
水平砂浆 | 2.75 | 0.0079 | 0.34 |
竖直砂浆 | 1.375 | 0.04 | 0.17 |
混凝土界面 | 11 | 0.79 | 34 |
表2 砂浆界面参数
Table 2 Interface parameters of mortar
砂浆界面 | En/MPa | Es/MPa | /MPa |
---|---|---|---|
水平砂浆 | 15 | 5.8 | 1 |
竖直砂浆 | 15 | 5.8 | 0.5 |
混凝土界面 | 15 | 5.8 | 4 |
砂浆界面 | /MPa | GIC/(J·m-2) | GⅡC/(J·m-2) |
水平砂浆 | 2.75 | 0.0079 | 0.34 |
竖直砂浆 | 1.375 | 0.04 | 0.17 |
混凝土界面 | 11 | 0.79 | 34 |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
---|---|---|---|---|
En/MPa | 0.5 | /MPa | 70 | |
Es/MPa | 0.5 | G/(J·m-2) | 1400 | |
/MPa | 70 |
表3 聚脲粘结层参数[21]
Table 3 Interface parameters of PU[21]
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
---|---|---|---|---|
En/MPa | 0.5 | /MPa | 70 | |
Es/MPa | 0.5 | G/(J·m-2) | 1400 | |
/MPa | 70 |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
---|---|---|---|---|
ρ/(kg·m-3) | 1630 | R1 | 4.15 | |
D/(m·s-1) | 6930 | R2 | 0.9 | |
A/MPa | 374000 | ω | 0.35 | |
B/MPa | 3750 | e/(J·m-3) | 4178000 |
表4 炸药材料模型参数[25]
Table 4 Material parameters of explosive[25]
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
---|---|---|---|---|
ρ/(kg·m-3) | 1630 | R1 | 4.15 | |
D/(m·s-1) | 6930 | R2 | 0.9 | |
A/MPa | 374000 | ω | 0.35 | |
B/MPa | 3750 | e/(J·m-3) | 4178000 |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
---|---|---|---|---|
ρ/(kg·m-3) | 1.29 | R | 289 | |
p/Pa | 101300 | q/(J·kg-1«K-1) | 1000 | |
μ/(Pa·s) | 1.79×10-5 |
表5 空气材料模型参数[26]
Table 5 Material parameters of air[26]
参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |
---|---|---|---|---|
ρ/(kg·m-3) | 1.29 | R | 289 | |
p/Pa | 101300 | q/(J·kg-1«K-1) | 1000 | |
μ/(Pa·s) | 1.79×10-5 |
研究方法 | 超压类别 | 抵达 时间/ms | 差值/% | 上升沿 时间/ms | 差值/% | 峰值/ MPa | 差值/% | 正压持续 时间/ms | 差值/% | 冲量/ (kPa·ms) | 差值/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
试验 | 入射超压 | 8.4 | 0.2 | 0.48 | 7.3 | 907.028 | |||||
CONWEP | 入射超压 | 8.4 | 0 | 0.2 | 0 | 0.45 | -6.3 | 11 | 50.7 | 1292.99 | 42.56 |
反射超压 | 8.4 | 0.2 | 1.94 | 10.2 | 3698.45 | ||||||
CEL | 入射超压 | 7.8 | -7.1 | 0.8 | 400 | 0.46 | -4.2 | 9.5 | 30.1 | 1143.56 | 26.1 |
反射超压 | 7.8 | 1.2 | 1.90 | 9.4 | 4540.28 |
表6 试验、CEL方法加载和CONWEP方法加载的超压曲线参数
Table 6 Parameters of the overpressure-time curves measured in experiment and calculated by CEL and CONWEP methods
研究方法 | 超压类别 | 抵达 时间/ms | 差值/% | 上升沿 时间/ms | 差值/% | 峰值/ MPa | 差值/% | 正压持续 时间/ms | 差值/% | 冲量/ (kPa·ms) | 差值/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
试验 | 入射超压 | 8.4 | 0.2 | 0.48 | 7.3 | 907.028 | |||||
CONWEP | 入射超压 | 8.4 | 0 | 0.2 | 0 | 0.45 | -6.3 | 11 | 50.7 | 1292.99 | 42.56 |
反射超压 | 8.4 | 0.2 | 1.94 | 10.2 | 3698.45 | ||||||
CEL | 入射超压 | 7.8 | -7.1 | 0.8 | 400 | 0.46 | -4.2 | 9.5 | 30.1 | 1143.56 | 26.1 |
反射超压 | 7.8 | 1.2 | 1.90 | 9.4 | 4540.28 |
图10 CEL、CONWEP方法加载和试验中500kg TNT冲击波流场分布[6]
Fig.10 Distribution of the 500kg TNT shock wave flow field in experiment and simulations of CEL and CONWEP methods[6]
图12 迎爆墙面荷载区域划分和各区域反射超压峰值分布云图
Fig.12 Loading area division of the surface of masonry wall facing explosion and the distribution of the reflected overpressure peaks
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doi: 10.1016/j.ijimpeng.2023.104495 URL |
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