（机械制造及其自动化专业论文）爆炸冲击对掩体大门的动响应分析.pdf

哈尔滨工程大学硕七学位论文 摘要 随着世界形势的发展，各国对掩体生命力的认识逐渐提高，人们对掩体 抗爆抗冲击能力也给予越来越多的重视。在掩体设计中，己经采用了一些措 施以改进掩体的抗爆炸能力。目前已经应用到掩体设计中方法有：改变板架 结构形式、采用局部防护设施、使用优质钢材或者其它高强度材料等，通过 这些方法使掩体战斗力得到了提高。 采用有限元的方法模拟掩体的破坏环境和冲击环境，研究提高掩体生命 力的措施已经在实践中得以应用。 本文主要针对掩体大门在接触爆炸作用下的局部破坏进行研究。掩体大 门在接触爆炸载荷作用下的破坏研究主要包括四个部分，即爆炸产物的流场 分析和接触爆炸载荷、爆轰产物和爆炸冲击波与结构相互作用、爆炸冲击波 传播、掩体大门结构的弹塑性动变形响应分析。 在接触爆炸情况下，结构同时受到爆轰产物和爆炸冲击波的破坏作用。 本文介绍了爆轰和爆炸冲击波的基本理论、凝聚炸药的爆轰波阵面参数的近 似计算公式、接触爆炸时结构中初始参数的计算方法以及固体在强爆炸冲击 波作用下的状态方程，为掩体大门结构在接触爆炸载荷作用下的破坏分析作 了必要的准备工作。 掩体大门是由板架结构组成的，研究板架结构在爆炸冲击作用下的动态 响应是掩体大门抗冲击的重点。本文基于a n s y s l s 。d y n a 软件对大门在导 弹爆炸冲击下的动响应进行了分析，得到了较好的仿真结果，为大门的抗爆 性能设计提供依据。 关键字：爆炸冲击；l s d y n a ；掩体大门；动响应 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew o r l ds i t u a t i o n , m a n yc o u n 仃i e se n h a n c et h e i r c o n d i t i o nt ob l i n d a g ev i t a l i t y , m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sh a v eb e e np a i dt ot h e a b i l i t yo f b l i n d a g ea n t i - e x p l o s i v e i nt h ec o u r o f b l i n d a g ed e s i g n , s o m em e t h o d s h a v eb e e ni n t r o d u c e dt oi m p r o v et h ea b i l i t yo fb l i n d n g ea n t i - e x p l o s i v e 1 1 1 e m e t h o d su s e di nt h ed e s i g no fb l i n d n g e s u c h 嬲c h a n g i n gt h ef o r mo fp a n e l s f l a m e ，i n s t a l i n ol o c a ls a f e t ye s t a _ b l i s h m 鲍e m p l o y i n gh i g hq u a l i t ys t e e la n d s o m eo t h e rh i g hs t r e n g t hm a t e r i a l ，h a di m p r o v e dt h eb a t t l ee f f e c t i v e n e s so ft h e b l i n d a g e s 。 t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e di nt h e p r a n c eo fs i m u l a t i n gt h ew r e c k c o n d i t i o na n di m p a c tc o n d i t i o no ft h ed e s i g n i n gb l i n d a g ea n dr e s e a r c h i n gt h e m e t h o dt 0i m p r o v et h eb l i n d a g ev i t a l i t y t h ed a m a g eo fh l i n d a g ed o o ru n d e rc o n t a c te x p l o s i o ni ss t u d i e dm a i n l yi n t h i sp a p e r t h em a j o rr e s e a r c ha l p a so fb l i n d a g ed o o rd a m a g eu n d e rc o n t a c t e x p l o s i o ni n c l u d ef o u rs e c t o r s ，n a m e l y , ( 1 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c s o ff l u i d f i e l d d i s t u r b e db yac o n t a c te x p l o s i o na n dl o a d i n g so fc o n t a c te x p l o s i o n ：( 2 ) t h e a n a l y s i so ft r a n s i e n tf l u i d - s t r u c t u r ei n t e r a o j o n s ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gd y n a m i c r e s p o n s e so f t h eb l i n d e g ed o o r ；( 3 ) p r o p a g a t i o no f s h o c kw a v ei nt h e 蚰c t u r e ； ( 4 ) t h ed y n a m i c a lp l a s t i cd e f o r m a t i o nr e s p o n s ea n dd a m a g ea n a l y s i so fb l i n d a g e d o o rs u b j e c t e dt oc o n t a c te x p l o s i o n - d e t o n a t i o np r o d u c t sa n db l a s ts h o c kw a v ed e s t r o yt h eb l i n d a g ed o o r t o g e t h e ri nc o n d i t i o n so fc o n t a c te x p l o s i o n p r i m a r yt h e o r i e so fd e t o n a t i o nw a v e a n dp l a n es h o c kw a v ea r ei n t r o d u c e d a p p r o x i m a t e l yc a l c u l a t i o nf o r m u l a t i o n , c a l c u l a t i o u a lm e t h o d so fi n i t i a lp a r a m e t e r su n d e rt h ec o n t a c te x p l o s i o na n d e q u a t i o n o fs o l i ds t a t u su n d e rs h o c kw a v ea r e p r e s e n t e d t h en e c e s s a r y p r e p a r a t i o ni sd o n ef o rt h ea n a l y s i so fb l i n d a g ed o o rd a m a g eu n d e rc o n t a c t e x p l o s i o n t h eb l i n d a g ed o o ri sm a i n l ym a d eu po fg i r d e ra n dp l a t e t h ed y n a m i c 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r e s p o n s eo ft h eb o a r du n d e rc o n t a c te x p l o s i o ni se m p h a s i so ft h ev i t a l i t yo f b l i n d a g ed o o r d y n , 锄d cr e s p o n s eo f t h eb l i n d a g ed o o ru n d e rt h em i s s i l ee x p l o s i o n w a sa n a l y z e db a s e d0 1 1t h ea n s y s l s d y n as o f t w a r e , t h e c a l c u l a t i o ng e t st h e p r e f e r a b l ee m u l a t er e s u l t s , w h i c hc a np r o v i d et h ef o u n d a t i o nf o rb l i n d a g ed o o r s a n t i e x p l o s i v ed e s i g n k e yw o r d s ：e x p l o s i v ei m p a c t ：l s d y n a ：b l i n d a g ed o o r ：d y n a m i cr e s p o n s e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：薹猩丕 日期：仂订年，月i 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 课题的研究目的 第1 章绪论 随着现代武器杀伤力和精确度的提高，掩体生命力的保护越来越受到重 视。掩体的生命力主要由三个方面组成，即隐蔽性( 或相反地称为可探测性) 、 易损性和自行修复性。掩体隐蔽性的改善有一定的限度，而自行修复性则在 受损之后才起作用，因此为增强其生命力，尤其要减小易损性。本课题主要 针对掩体受到攻击时掩体大门产生的应力应变进行分析，得到大门的抗打击 能力参数，为大门结构及运动的设计提供有力依据。 掩体战斗力包括攻击能力和抗打击能力两个方面，必须“两手都硬”才 能称得上真正意义上的战斗力强。现在，对生命力的认识和要求也正随着现 代科学技术的迅速发展而不断深化和提高。现代战争日益提高的立体性、突 然性、隐蔽性、杀伤性、精确性，使得作为“盾”的掩体生命力必须随着作 为“矛”的掩体攻击力互相协调发展。掩体的作战能力是保持其生命力的重 要条件和积极手段，它标志着掩体消灭敌人的进攻能力；而掩体生命力又是 其发挥自身作战能力的基础条件和必要条件，它是指掩体保存自己的防御能 力。在作战过程中，没有生命力的掩体根本无法发挥其作战能力。任何掩体， 不论其攻击力和主动防御能力有多强大，在战斗中都有可能被武器击中。因 此提高抗冲击防护的能力已成为现代掩体的迫切需求，抗冲击防护能力也成 为越来越重要的战技指标。 爆炸载荷作用下掩体生命力研究的基础包括掩体冲击环境和破坏环境， 对掩体各系统生命力进行评估，才能对掩体生命力进行设计，对破损掩体的 稳性和剩余强度进行考核等都必须建立在这个基础上。各国军队，尤其是各 军事强国，在掩体的防护特性研究上，投入了大量的人力、物力，通过各种 武器爆炸条件下的实物试验研究，取得了大量成果。我国目前掩体的冲击环 境分析，大都仅对模型进行了试验。模型试验结果的精度往往由于模型的尺 度效应及加工工艺等问题而达不到要求，开展实物试验又耗资巨大，难以承 担试验开支；不仅如此，仅仅对模型进行爆炸试验，所用经费仍旧较大。为 哈尔滨工程大学硕士学位论文 此，作为一种既节省经费，又能获得较高精度的掩体的爆炸冲击环境的评估 方法，仿真研究正在得到迅速的发展。 因此，本课题基于a n s y s 的对掩体在爆炸冲击下的动态响应得分析，能 够准确地模拟出掩体在受到爆炸冲击时的应力应变情况，能够为掩体的抗爆 抗冲击性的设计提供有力依据，同时对掩体抗爆抗冲击性能进行研究具有重 要而现实的意义。 1 2 课题的国内外研究现状 1 2 1 掩体抗爆陛能的研究现状 1 9 8 2 年，英、阿马岛战争中，英军掩体在遭到攻击后，由于出现了抗冲 器本身拉压裂、横向剪断、设备响应超载引起管道破裂等各种问题，一些掩 体过早地部分或全部丧失战斗力或生命力。这引起了西欧国家的重视，许多 国家全力投入新的掩体抗爆抗冲击和振动标准制订。几个主要国家如荷兰、 德国、法国和意大利等国家为了实施新的抗冲击标准，联合进行了多次实物 爆炸试验，并开发了能隔离大能量冲击的减振器。为系统完整地研究新的抗 冲击标准的应用问题，对所有的掩体用减振器都进行了长达5 年的冲击性能试 验检测，随后对所有现役掩体都按新的标准重新进行了抗冲击设计改造。美 国军队的抗爆抗冲击设计指导性文件对武系统、电力系统、通讯系统以及人 员等都有详细的规定，具体到什么样的设备只能放置在什么位置都有规定。 多年来始终如一地对掩体抗爆抗冲击的重视以及巨大人力、物力的投入，使 美国军队掩体的抗冲击性能一直处于世界领先水平，并在历次局部战争中得 到验证。美、欧等军事强国除了大量进行试验和不断更新冲击标准外，对掩 体及掩体设备冲击理论研究、数学模型、计算方法以及冲击动力仿真研究等 方面也在不断发展、完善，众多的专用计算软件和计算程序不断问世i l j 。 日本日立制造技术研究所通过缩尺的小型模型( 长1 8 米) 进行了试验，并 用有限元软件d y n a 进行了计算，由数值计算结果得到，流场中的压力峰值 有所偏小，但是脉宽增大，最后求得的结构响应是合理的，通过与实验值相 比验证了软件的计算结果的正确性“。川崎重工业明石技术研究所也通过模 型试验与数值计算对比的方法，验证了大型有限元软件d y n a 在数值模拟冲 哈尔滨工程大学硕士学位论文 击响应时的可信度m 。 现在已经有成熟的三维计算程序来计算爆炸力学问题。d y n a 3 d 程序就 是其中一种，它是基于三维非线性动力学发展起来的计算程序。f o x l k ”1 等 利用d y n a 程序研究了爆炸冲击下柱状外壳的非线性响应，得到的结果与实 际情况基本吻合。 近年来国内也进行了许多相关领域的研究，刘理嘲等对轴向冲击载荷作 用下材料应变率对圆柱壳弹塑性冲击屈曲的影响进行了研究，张万甲等州对 m b 2 镁等四种金属材料的本构关系和动态断裂进行了研究，赵亚溥等”1 对结 构塑性动力响应中的相似方法以及进行模型试验所应遵循的原则作了讨论和 总结，得出了对冲击载荷下多种结构塑性动力响应的实验研究的简要综述。 武汉海军工程学院的刘燕红等人主要研究了掩体结构在武器攻击下的塑 性动响应及破损强度的计算“华中理工大学的刘士光研究了遭受武器直接 命中后掩体结构的塑性动力响应哪! 。7 0 2 所的刘建湖等对爆炸载荷作用下矩 形板的弹性响应进行了理论计算和试验分析”嘎“。 在掩体的结构抗爆和防护方面，国内的重视程度逐步提高，7 0 8 所的马锦 华等研究者，初步提出了一种拖曳在掩体下的抗爆防护结构，抗冲材料的研 究成果也己经开始运用于局部结构抵抗弹体的穿甲能力。这些结构对于掩体 结构抗爆能力己经起到了重要的作用。 1 2 2d y n a 程序的发展现状 近年来，有限元仿真分析在工程领域应用得到了很大发展。d y n a 程序系 列于1 9 7 6 年有美国劳伦斯利弗莫尔国家研究所的j o h a l l q u i s t 博士主持开 发并完成，主要目的是为武器设计提供分析工具。后经所后十几年的版本的 功能扩充和改进，该程序成为著名的非线形动力分析软件，在武器结构设计， 内弹道和终点弹道，军用材料研制等方面得到了广泛的应用。 在l s - d y n a 的发展历程中，与a n s y s 的合作是具有重要意义的事件之一。 1 9 9 6 年，l s t c 公司和a n s y s 公司开始进行技术和市场方面的合作，共同推出 了a n s y s l s d y n a 的第一个版本5 5 ，目前最新版本的a n s y s l s - d y n a 已支 持l s d y n a 9 7 0 的大部分功能。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a n s y s l s d y n a 的推出，使得熟a n s y s 操作的用户可以充分利用a n s y s 的仿真分析环境来实现l s d y n a 显式分析的建模以及计算结果后处理。如果 已经熟悉a n s y s ，那么在这个基础上，很容易上手使用a n s y s l s d y n a 来处 理各种动态问题。 以显式求解方法为主的l s - d y n a 程序在求解结构碰撞冲击，爆炸，冲压 成型等瞬态或准竟态问题方面有其独到的优势和特点，在国内外相关领域的 工程应用和研究已经非常成熟。 。 1 3 相关理论 现代大型掩体防护的特点是将集中的装甲防御分散成多层的结构防御， 以达到总体性能最佳。它可以充分利用大型掩体较充裕的空问来抵御导弹等 武器的攻击，同时减少了装甲的重量和厚度，改善了结构性能。就防护能力 来说，由于防护空间本身可以衰减，消耗冲击波和聚能射流，因而其总体防 护能力比等厚度的单一装甲要好，特别是防护空间可以做水舱，也可采用其 他介质或支撑，这样可以大大提高其防穿甲和防冲击能力。从另一方面来说， 厚装甲往往无法作为掩体结构，而薄装甲就可以作为掩体结构的一部分。由 于装甲要抵御多种类型战斗部的攻击，这就要采用多层板结构的高性能复合 装甲，以提高装甲的抗冲击和抗聚能穿甲的能力。 掩体冲击环境的特征可以描述为：在相当短的( 和弹性支承系统固有周期 相比) 时间内，作用在系统上某一个突然的扰动，即冲击，这个扰动可以是力， 也可以是运动( 位移、速度或加速度) 。掩体的冲击源有三种：一是接触性爆 炸；二是非接触性爆炸；三是自身武器发射时反冲击力造成的冲击。在导弹 对掩体冲击的过程中，战斗部对掩体的侵入可分为三种情况：穿透、嵌埋和 跳飞。当战斗部穿越了板元，则指战斗部穿透板元；嵌埋是指战斗部在接触 了板元以后，停止( 或埋藏) 在板元内部；跳飞指战斗部在接触板元后，既未 能穿透板元，又未嵌埋在板元内部，而是被板元反弹回去。 。 板元以其厚度分为以下几种：半无限板元，厚板元，中厚板元，薄板元。 半无限板元指侵入体在侵入过程中不受远方边界表面的影响；厚板元是指远 方边界表面在侵入体在板元中通过了相当远的距离后，才产生影响。中厚板 4 哈尔滨工程大学硕七学位论文 元是指远方边界表面对侵入体在板元中侵入全程都有不可忽略的影响。薄板 元是指战斗部在板元中通过时，板元中的应力和变形沿厚度方向没有梯度， 或可以把梯度略去。 战斗部侵入钢板时现象的区分，可以分别以撞击时的入射角，钢板的形 状和材料特性，战斗部的形状和材料特性，撞击的初速度为依据。其中，由 于撞击速度对撞击现象的影响特别明显，而且比其它因素的影响突出的多， 在战斗部的撞击速度很低时，板元只产生弹性变形；当战斗部的撞击速度达 到某一极限值时，板或战斗部的接触应力达到压缩屈服应力，这时板或战斗 部的外壳体或两者同时产生永久变形，这种变形经常是一种较为复杂的力学 过程。 战斗部对板以各种速度撞击，使板经历弹性波、塑性波、流动波的传播， 以及摩擦生热等产生的局部变形和整体流动等多种现象。对于薄板元和中厚 板元而言，断裂破坏的后果是造成穿孔，这些破坏的特点由于材料特性、几 何形状、以及撞击速度的不同而不同。最常见的破坏形式有初始压缩波造成 的背侧断裂破坏，韧性靶板的孔口扩展破坏等。 战斗部外形是决定穿透过程中板的抗拒作用的主要因素，尖头战斗部以 一种刺穿性的模式的穿透板元，它对板的破坏主要集中在战斗部轴线的四周。 另一方面，钝头的战斗部则以一种挤凿性的模式造成穿透，它对板的破坏波 及到一个圆柱形面或一个圆锥面。这两种破坏模式的分界线是由战斗部的外 形来决定的，也和战斗部及板的尺寸有关。但是迄今为止，人们对这类关系 还不是十分清楚”。 攻击武器的爆炸按周围的介质的不同分为空爆、地爆、和水下爆炸三种， 按装药方式不同分为普通装药爆炸和聚能装药爆炸。对掩体抗爆而言，只有 空爆和水下爆炸条件。由于爆药周围的介质不同，爆炸产生的冲击波的特性 具有显著的差异，空爆形成的冲击波超压较小，压力波持续时间较长，传播 的速度较慢：而水下爆炸则与空爆相反，冲击波的超压较高，持续时间较短， 传播的速度较快。 掩体大门是出入通道同时也起到抵御武器攻击的作用，它要保证结构在 受攻击情况下的破损限制在允许的范围内。根据系统的重要性，防护要求可 分为三种( 1 ) 不允许任何弹片和气体进入；( 2 ) 允许气体进入；( 3 ) 允许弹片进入， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 但不能扩大破坏的程度。根据掩体的重要性，本文中要求大门结构满足第一 种防护要求，即不允许任何片和气体进入。 1 4 掩体防护材料 金属装甲材料和非金属装甲材料是目前掩体装甲防护的主要材料。 金属装甲材料主要有钢装甲和铝合金装甲，由于金属装甲不仅具有可焊 性、韧性、可塑性及高强度、高硬度、抗腐蚀能力等方面的明显优势，而且 具有维修性好、成本低廉等优点，使金属装甲材料能够得到一贯的的重视。 中碳调制钢是一种传统的金属装甲材料，密度约为7 8 9 c i n 3 ，屈服极限 约为3 0 0 9 0 0 m p a ；断裂延伸率为2 0 以上；硬度 3 5 0 h v 。金属装甲的缺点 是密度太高。其平均单位面密度吸收能量( 9 0 7 钢) 为7 9 1 5 j c m 2 幢。 高强度和高断裂韧性的高强度钢以及研究特殊加工工艺的发展是目前装 甲钢材料研究的重点。随着冶金技术的发展，高炭化( 高硬度) 和超细晶粒( 超 塑性) 的出现对于钢材的硬度和冲击韧性有极大的提高。 现代复合装甲所选用的非金属材料主要是轻质、防弹能力高的无机、有 机材料，包括：陶瓷及各种纤维复合材料、陶瓷聚合物基复合材料等。 纤维增强复合材料的发展主要包括以下几个阶段：高性能玻璃纤维复合 装甲材料、纺纶纤维复合装甲材料、高性能聚乙烯复合装甲材料。 高强度聚乙烯纤维复合材料是目前投入使用的性能最为优异的复合材 料。高强度聚乙烯纤维将代替纺纶纤维，是未来有机复合纤维材料中质量最 轻、价格最低的抗爆材料。 1 5 导弹简介 导弹的分类方法有很多，这里主要介绍两种。按弹速分类可分为亚音速 和超音速两类。亚音速导弹的速度比较小，一般很难穿透防护层。较著名的 有美国麦道公司生产的“捕鲸叉”( h a r p o o n ) 导弹，速度0 8 5 m a ；法国宇航公 司研制的“飞鱼”导弹。速度0 9 4 m a 等。超音速导弹由于其强大的穿透力 而受到重视。其中俄罗斯的3 m 8 0 “白蛤”( s s - n - 2 2 ) 导弹，速度达到了2 4 m a 。 根据其战斗部性能的不同分为爆破型导弹、聚能破甲导弹和半穿甲导弹。 6 哈尔滨工程大学硕七学位论文 其中后两种导弹由于其战斗部的打击威力更大，效果更明显而得到了广泛的 应用。聚能破甲导弹的战斗部采用圆锥形的凹槽，并设置金属导流罩，当战 斗部引爆后，爆轰产物在聚能槽的中心轴线上撞击汇流，形成最大速度可达 到1 2 2 5 k m s 的高速聚能流，它动压非常大，温度又非常高，很容易穿透较 厚的均质钢板。半穿甲导弹首先依靠战斗部自身的动能穿透掩体外壳，并进 入掩体内部再由延时引信起爆战斗部，造成更大破坏。现有半穿甲反舰导弹 的飞行速度多在0 8 2 5 m a ( 2 7 2 8 5 0 m s ) 之间，导弹战斗部直径为2 8 0 5 0 0 r a m ，战斗部重为1 6 0 2 3 0 k g ，所攻击的舰艇装甲的单层板厚度仅几十个 毫米，因此半穿甲导弹对舰攻击的穿甲问题属于低速薄板穿甲，其碰撞效应 为局部塑性变形与局部穿甲的耦合。 本文中的冲击破坏计算中所考虑的侵入体主要是半穿甲导弹的战斗部。 它主要由主体和装有烈性炸药的战斗部组成，它的战斗部主要由外壳和装药 部分组成，为了保证能够侵入板，它通常有一个硬质外壳。半穿甲导弹既要 使战斗部能侵入板又能保持结构不受损坏，保持引爆装置仍能正常工作。这 本身就是矛盾的，合理的选取外壳的厚度则是解决这个矛盾的关键。战斗部 越细长，战斗部的密度越高，则对靶体的相对侵入深度比就越高。 1 6 大门的破坏介绍 ， 当大型掩体受到导弹攻击时，其结构将产生变形甚至破裂。破坏过程包 括碰撞冲击与爆炸冲击两个方面。首先，当导弹以一定速度到达掩体时，其 战斗部便以其惯性冲击掩体结构，这时其板壳结构将发生一定程度的塑性变 形，当速度足够大时，将洞穿对掩体外层结构，这个过程会吸收相当多的碰 撞动能；随后战斗部由延时引信引爆，掩体结构在爆炸冲击载荷下产生更大 的变形，破坏也更加严重。因此，研究掩体结构在冲击载荷作用下的破坏形 式和破坏程度，是掩体结构在爆炸冲击载荷作用下破坏的基础工作。 冲击载荷作用下掩体大门结构的碰撞损伤过程是复杂的非线性动态响应 过程，它包含了结构发生大位移时所产生的几何非线性、材料发生大变形时 所表现出的物理非线性( 材料非线性) 和严重的运动非线性，同时还有复杂的 接触和摩擦问题。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 掩体大门结构受接触爆炸破坏主要有以下几个方面： 1 初始穿孔。在炸药作用附近，接触爆炸产生的高温高压使板壳的材料 进入塑性流动状态，随之产生穿孔。由于爆炸穿孔效应与炸药爆轰发生的时 间同步，历时也相当，它是爆炸作用的早期效应。 2 爆炸冲击波的作用。产生穿孔以后，在爆炸冲击波的作用下，孔径周 围的板壳将继续产生塑性变形，这是爆炸作用的后期效应。 处理冲击侵入和穿透现象的理论方法一般有下列三类： 1 经验法或半解析法。这需要大量地实验数据作后盾。先把大量实验数 据用量纲分析法和相似理论联系起来，然后寻找合理的代数方程来表达其关 系。根据不同的设计目的，用一些无量纲量把在不同材料及弹体和靶体不同 构造尺寸下所得的大量实验数据联系起来，以此建立经验代数式来指导将来 的实验或者提供设计之用。一般来说，这种方法并不能我们更深入了解本问 题的物理本质。但是，如果我们已经渗入的了解本问题的物理本质，则这种 方法不失为一个很简单的设计根据。 2 解析方法。冲击穿甲问题的求解，常常会遇到连续介质物理方程，象 本构关系等。这些方程往往是非线性的，用分析的方法进行积分求解几乎是 不可能的。这种情况下，解决方法是集中研究菜一种现象，针对这种现象的 特点引入简化假定，从而得到容易求解的一维或二维的微分方程。 3 数值解法。为了求得侵入问题的全部答案，利用数值解法求解本问题 的全部连续介质物理方程是一个非常有效的方法；主要采用有限差分法和有 限元法，用计算机进行求解。 经验法和解析方法的研究，需要大量的实验数据作基础，这必将需要大 量的时问与经费；而用数值方法进行仿真计算，则可以缓解这个矛盾。随着 计算机的发展，已经有越来越多的分析软件，目前，适用于冲击问题计算的 计算机程序主要有e p i c ，m s c d y t r a n 、l s d y n a 等有限元软件。本文主 要采用l s d y n a 程序对爆炸载荷对大型掩体的大门的冲击破坏情况进行数 值计算。 8 哈尔滨工程人学硕士学位论文 1 7 论文的主要工作 掩体大门主要是由板架结构组成的，研究板架结构在爆炸冲击作用下的 动态响应是掩体大门抗冲击的重点。 本文所研究问题的解决主要从两方面进行，首先从理论上进行分析，然 后应用有限元软件l s d y n a 进行数值计算与模拟，结合计算结果与理论分 析得出在爆炸冲击载荷作用下钢板的破坏形式，得到大门的抗冲击性能，为 实际应用提供可靠的理论依据。 1 本文介绍了爆轰和爆炸冲击波的基本理论、凝聚炸药的爆轰波阵面参 数的近似计算公式，介绍了接触爆炸时结构中初始参数的计算方法和固体在 强爆炸冲击波作用下的状态方程。 2 本文主要研究了薄板在冲击响应下的破坏和掩体大门在接触爆炸作用 下的局部破坏。 。 3 建立掩体大门的有限元模型，对其进行合理的有限元网格划分。对各 材料模型进行合理的参数设置。 4 本文结合分析实际，选择合理的材料模型，结构模型和本构关系。使 用有限元软件a n s y s d y n a 对大门的响应进行数值模拟，得到可视化的分 析结果。 5 根据数值计算结果，对大门结构的抗爆抗冲击性进行分析，为大门结 构的进一步设计改进提供有力依据。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章爆炸冲击的基本理论及冲击破坏 2 1 引言 掩体在战争环境中可能受到炮弹、航空炸弹尤其是导弹等各种武器的攻 击。掩体结构在爆炸冲击波作用下的破坏分析，实际上是在爆炸冲击下结构 的塑性动力响应问题。对此问题的研究，首先应该研究爆炸所产生的载荷。 爆炸载荷是结构动力学响应的载荷条件，是结构抗爆设计和分析的重要基础， 能否准确描述爆炸载荷直接影响掩体抗爆能力的分析精度。掩体受非接触爆 炸作用时主要是爆炸冲击波对结构产生破坏；受接触爆炸和近距离爆炸时， 爆轰产物和爆炸冲击波同时对结构产生破坏作用。因此，对于结构动力学响 应的分析必须首先全面准确地认识并掌握爆炸载荷的原理和描述方法。 2 2 爆炸的基本概念 爆炸效应是多种多样的，包括物理、力学和化学多个学科领域。爆炸可 以看作为不稳定的集能相态快速转变为稳定的释能相态的巨变过程，以化学 爆炸为主。爆炸过程一般可以分为以下三个阶段阁： ( 1 ) 能量积聚，形成高能量密度状态，属于慢过程； ( 2 ) 能量的爆炸式释放，释放状态界面以超声速在系统中推进。或者在 一定条件下，系统中各处产生释放能量的“热点”，热点生成速率是迅速增加 的，最终形成全系统能量的爆炸式释放，属于快过程； ( 3 ) 释放能量的扩散和传播，与周围介质相互作用。一类以辐射( 电磁波， 粒子束，辐射热) 形式传播，另一类以冲击波形式传播，也属于快过程。 爆炸问题可以分为内部问题、外部问题、混和问题及边界问题。内部问 题是研究在物质内部的能量释放过程。外部问题是研究发生在装药周围介质 中的过程。混和问题是指：除了研究和外部相同问题以外还要考虑内部过程。 边界问题是研究炸药爆炸和物体相互作用的问题。 本文主要考虑的是掩体大门在空气介质中受爆炸冲击下的响应分析。本 章的主要目的是研究空气介质中的爆炸及其效应，分析此类外来激励的特点 哈尔滨工程大学硕士学位论文 及冲击波参数的得出。 2 2 1 关于凝聚炸药的爆轰理论及其近似计算 凝聚炸药主要包括液态和固态炸药两种。除了聚集的体态不同外，它与 气体爆炸物相比，还有密度大，爆速高，爆轰压力大，能量密度高，爆炸威 力大等优点，因而在军事上应用很广泛。掌握炸药爆轰过程的规律性及爆轰 参数的理论计算方法，了解爆轰过程的物理本质，具有很重要的实际意义。 沿爆炸物传播的一种强冲击波即为爆轰波。爆轰过程乃是爆轰波沿爆炸物一 层一层地进行传播的过程。爆炸物在它的强烈冲击作用下立即发生高速化学 反应，形成高温高压的爆轰产物并释放出大量的化学反应热能。所释放出来 的这些能量又供给爆轰波对下层爆炸物进行压缩。这样，爆轰波就得以稳定 的不衰减地传播下去。可见，爆轰波乃是后面带有一个高速化学反应区的强 冲击波。爆轰波面是指由前沿的冲击波波阵面与紧跟其后的高速化学反应区 构成的整个爆轰波的波阵面。可以将爆轰波面划出三个控制面：一个在前沿 冲击波阵面之前，那里的爆炸物尚未受到扰动，另一个紧靠在前沿冲击波阵 面之后，那里的爆炸物己受到压缩但尚未开始进行化学反应，第三个控制面 处化学反应己完成，爆炸物已全部变成爆轰产物。爆轰波沿爆炸物的传播速 度简称爆速。上述之三个控制面分别以0 0 ，玉z ，b - b 断面表示，各控制面 上的物理量分别标记以0 ，z ，h 。如图2 1 所示。 我们开始建立爆轰波通过前后状态参数之间的关系式。为方便推导，将 坐标取在爆轰波面上，并以d 的速度沿爆炸物向前运动。因此，反应区相对 于该坐标系速度等于零，而从该坐标系看来，原始爆炸物以d 的速度流入反 应区，爆轰产物以_ d 一的速度流出反应区。，“：，分别表示原始爆炸 物的质点速度，前沿冲击波面后以及爆轰波反应区末端介质的质点速度，通 常u o = 0 e o ，7 o ，p o ，v o ；艺，己，p z ，r z 及乓，办，分别表示相应断面处介 质的压力，温度，密度和比容；相应断面处单位质量的总能量分别用晶，易和 五0 来表示。若相应状态的比内能以e o ，p ：和来表示，相应状态介质的化学 能用岛，q ，翰来表示，得到相应断面处介质单位质量的总内能分别为 哈尔滨工程大学硕士学位论文 易= e o + o o 乜= e z + q ， ( 2 - 1 ) e h2e h + q h 由于在z - z 断面处的原始爆炸物只受到冲击受到压缩但尚未发生化学变 化，所以两边的化学能相等，即岛= 线 u h - - - - - - - - - - - - - - - - 一 卜“d = 0 由质量守恒定律， 由动量守恒定律， f h ( 2 - 2 ) 式知 d - - - - + 4 - - - - - - - - - - - - - - - 一 d 图2 1 爆轰波面示意图 见d = 办( d 一蜥) 办一p o = p o d u j | r 。警d ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) o 易如 巳 易o z之色屹 吃 乏： 易 办 乃 哈尔滨工程大学硕士学位论文 将( 2 - 4 ) 式代入( 2 3 ) 式中由p = 二，得到 d _ v o 牌 ( 2 - 5 ) 将( 2 5 ) 式代入( 2 - 4 ) 式中得到 轳”牌 ( 2 - 6 ) 由能量守恒定律，得到爆轰波h u g o n i o t 绝热方程如下式 e h e o = 毛b q + p o x v o - v d ( 2 - 7 ) 将( 2 7 ) 式代入( 2 - 1 ) 式可以得到 1 一e o = 去( 踟+ p o ) ( v o 一) + q ( 2 - 8 ) 二 式中q - - q 一q 表示爆轰反应所释放出来的化学能。a e = e m 一岛表示 爆轰波面通过前后由介质参数变化所引起的内能变化。 2 2 2 结构在爆轰波作用下的响应 结构在接触爆炸下，当受到爆轰波作用时，若爆轰波压力在0 昂乃的 范围内，结构中应力与应变呈线性变化。这个区域的特征是在不变的物质结 构中传递剪应力，即为弹性区。 当爆轰波压力在0 乓s 的范围内时，即使介质中压力不大，也会出 现较大的质点位移这是因为介质内部结构己被破坏。在该区域介质被压缩并 逐渐终止传递剪应力，其性质逐渐变为流体，即为塑性区。发生在该区域的 波称为塑性应力波。 当爆轰波压力乓而在乓 2 h ( 如图2 。5 邮1 所示) 时： ( 2 1 5 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中： i = 毫t d f = 吾日所叫白2 一哼b 棚“ ( 2 - 1 6 ) = 万白2 虿4 【_ b ) 2 一睦一1 - 1 ) 2 】 = u x w u , = 孬4 哼b2 一哇一奶2 】 = 丢聊棚 1 4 a - ；2 4 r 0 7 , 式中：f 单位长度的柱状装药作用在障碍物上的冲量； 不同装药形状系数； 日装药药柱高； 矿是单位长度的柱状装药的质量； 6 三睫药药柱直径。 2 2 4 材料的破坏条件 ( 2 - 1 7 ) 由爆炸导致材料的破坏必须考虑的三个因素： ( 1 ) 材料的均匀性效应； ( 2 ) 由于变形速度引起抗力增加效应； ( 3 ) 材料的力学性质随时间变化的效应。 一个单位容积介质破坏所需要的功用4 一表示。如果爆炸冲击波传给单 位容积介质的动能k 大于介质的破坏功，即 k = , o u 2 2 4 一 ( 2 - 1 3 ) 则介质被破坏，从而可设介质破坏的临界速度为 2 4 = = , 2 4 一p ( 2 1 9 ) 式中： 4 一介质的破坏功； 哈尔滨工程大学硕七学位论文 p 介质密度； 介质破坏的临界速度。 2 2 5 钢板在接触爆炸下的破坏 接触爆炸情况下，钢板经历了从零起直到很高的冲击应力作用的历程。 对于特定边界支撑条件和厚度的板结构，当装药量较少时，板上只有一些局 部位置发生塑性变形，而总体变形基本上为弹性，不会发生破坏现象。当装 药量增大到足以使板中的应力达到极限强度时，板将产生断裂破坏，可用极 限拉伸强度或破坏极限应变来表示单向破坏极限。当破坏的程度继续增大时， 将进一步发生层裂破坏，其特点是破坏部分以崩溅的形式向外飞散。如果装 药量增大到一定程度，板材料将会产生流体动力学变形。 掩体大门在受到接触爆炸载荷时，物体壁面上所受到的压力和冲量决定 了结构所受到的破坏跚。爆轰波沿药柱运动到分界面之后，爆轰产物即以冲 击压力的形式作用于分界面上。在此冲击压力作用下，首先在钢板中引起一 个冲击波，并且迅速向钢板中传播。同时，由于冲击压力远远超过了材料的 破坏应力，导致金属质点发生塑性流动，因此分界面也以某一速度随冲击波 向前运动。假定沿药柱传播的爆轰波是平面波，在分界面上各点的初始压力 相同。爆轰产物作用于分界面上的最大压力并不等于爆轰波阵面上的压力。 随着爆炸载荷的施加，在接触爆炸载荷作用下，板的失效模式可以分为 三个阶段嘲： ( 1 ) 板开始出现凹陷：这一阶段，在接触爆炸载荷的作用下板出现大的 塑性变形而未断裂； ( 2 ) 凹陷扩大，出现圆盘化现象：在这一阶段，出现环向断裂。开始的 凹陷处形成与板脱离的圆盘状分离体，板上出现初始