防爆挡墙对爆炸空气冲击波防护效应的数值模拟研究

摘要：本文采用ANSYS/AUTODYN软件，研究了爆炸空气冲击波的衰减规律和防爆挡墙对冲击波的防护效应。分别在无挡墙及有挡墙防护的条件下，对爆炸形成的空气冲击波作了计算分析，并考虑了两种尺寸的防爆挡墙对爆炸冲击波防护效应的作用及影响。模拟结果表明，爆炸空气冲击波衰减的规律与经验公式对比存在一定的可信范围内的误差；一座科学、合理设置的防爆挡墙确实能起到降低冲击波危害的效果，而改变挡墙的尺寸，可以影响防护效果的好坏。通过分析和模拟结果，可以为爆炸安全的研究提供一定的依据和参考。

关键词：爆炸冲击波 防爆挡墙 数值模拟

0 引言

近几年由于蓄意破坏或人为失误所造成的爆炸事故不断发生，而爆炸对建筑物的损伤与破坏造成了巨大的生命和财产损失。因此，对于易于遭受爆炸破坏的建筑物需要进行抗爆设计与加固[1]。

防爆挡墙可以减弱炸药爆炸产生的冲击波、碎片对建筑的危害。构筑防爆挡墙是抗爆设计的方式之一。

为了研究爆炸空气冲击波的传播规律，验证防爆挡墙对爆炸空气冲击波的防护效果是否有效，进一步了解爆炸空气冲击波在有阻碍物条件下的传播规律，本文应用非线性显示有限元分析软件AUTODYN建立了爆炸冲击波在三种情况下，即无防爆挡墙、有防爆挡墙和宽度及高度增大了的防爆挡墙的传播模型，进而分析防爆挡墙对爆炸空气冲击波的防护效应及影响因素。

1 防爆挡墙的作用

1.1 爆炸破坏因素

爆炸事故发生时，引起破坏的因素大致如下：爆炸产物的直接作用；空气冲击波峰值超压和冲量的作用；固体抛掷物如石头、碎片向四周飞散的作用；地震波的传播。一般来说地震波的破坏远小于空气冲击波的作用；物体离爆炸点较远时，爆炸产物作用不到，对物体无影响；砖石、碎片等固体抛掷物，对物体仅能造成局部破坏，所以，在研究爆炸安全时，主要考虑空气冲击波的破坏作用，其次考虑固体抛掷物的作用，再次考虑爆炸产物的作用，最后才考虑地震波的作用。

1.2 防爆挡墙的作用与意义

从爆源自身防护安全和周围建筑物、人员安全两个方面考虑，易遭受爆炸破坏的建筑物附近应设置防爆挡墙。

尽管偶然的爆炸事故可能使挡墙遭受破坏，但挡墙的设置可以减低爆炸破坏的程度，如果挡墙在防护过程中受到破坏，那么来自挡墙的二次碎片也必须作为危害评估的一部分进行考虑。

2 数值模型

2.1 空气模型

计算空气区域的尺寸为200m*150m*100m，压强为101.325kPa，密度为1.293kg/m3。计算方法采用3D-Euler Gonunov算法。计算中网格划分数量为375000个。（见图1）

2.2 爆源模型

爆源设定为质量6824kg、半径1m的球形裸装TNT炸药。炸药采用中心起爆，爆心坐标为（20m，75m，0m）。本次计算采用Euler算法。由于计算区域较大，划分网格数量较多，为了使计算更加快速、方便，在炸药起爆初始阶段，采用1D-Eluer方式计算炸药的起爆，待炸药起爆的到一定时候后再将结果映射到3D-Euler空气网格中去继续计算。1D-Eluer计算中网格划分数量为200个，计算区域半径为10m。（见图2）

2.3 防爆挡墙模型

工况2中挡墙长宽高分别为90m，2m，10m，工况3中挡墙长宽高分别为130m，2m，20m，挡墙迎爆面距爆心的距离都为136m。

实际工程中，防爆挡墙一般采用混凝土结构。而本次计算挡墙设计在距爆心140m处，由下述经验公式（4）计算得出，距爆心140m（距离背爆面2m）处上述药量爆炸产生的冲击波压力峰值为113.4kPa，远小于混凝土墙的屈服强度，所以本次计算认为爆炸产生的空气冲击波不会对混凝土墙产生破坏效果，即基本不会发生塑性形变。由上述分析认为本次计算中混凝土墙可以近似的看作是刚性墙，在其他计算中，也可以采用这种方式验算，考虑是否需要用刚性墙代替混凝土墙，可以减少计算时间。AUTODYN中Euler算法的缺省边界条件默认为刚性避免，所以采用挖空Euler区域的方法等效的代替刚性墙。

3 材料模型及相关参数

3.1 高能炸药模型和JWL方程

裸装TNT炸药选用高能炸药模型，该模型可以描述炸药的爆轰过程，表1给出了计算中TNT炸药材料的参数值。

3.2 理想气体模型

空气采用理想气体模型，材料参数见表2[3]。

4 计算结果

4.1 工况1：无挡墙冲击波传播的模拟

计算结果说明与分析：探针16，26，36，46的距地面高度分别为2m，6m，10m，12m。由上述经验公式（4）计算的压强值为113.4kPa，与上图中108.3kPa结果对照，模拟结果与经验公式计算结果比较吻合，误差不足5%。从而也初步验证了本次数值模拟是可信的。

计算结果说明与分析：探针1，2，3，4距爆心距离分别为0m，40m，60m，80m。从中可以看出明显的冲击波衰减现象。下图6为经验公式计算的冲击波衰减规律，对比两波形基本类似。

4.2 工况2：冲击波作用于长90m高10m挡墙的模拟

计算结果说明与分析：和图4对比可知，有挡墙存在后，上述四点的峰值压力有一定程度的降低，而且各点达到峰值压力的时间也不相同，这显然是由于挡墙的防护效果引起的，从中也可以看出存在挡墙确实起到了一定的防护效果。

5 结论

①工况1模拟结果与经验公式计算结果比较吻合，误差不足5%。从而验证了爆炸空气冲击波是随着距离的增加而衰减的。②构筑防爆挡墙确实可以降低爆炸空气冲击波的危害。③增高防爆挡墙的高宽度可以起到更好的防护作用。④防爆挡墙后方应该存在一个最佳的防护位置，可以使爆炸空气冲击波的危害减小到最小。

参考文献：

[1]LI Zhongxian，DU Hao，BAO Chunxiao.A review of current researches on blast load effects on building structures in China[J].Transactions of Tianjin University，2006，12(Suppl.):35-41.

[2]恽寿榕，赵衡阳.爆炸力学[M].北京：国防工业出版社，2005.

[3]张宝平，张庆明，黄风雷.爆轰物理学[M].北京：兵器工业出版社，2006.

[4]亨利奇.爆炸动力学及其应用（1979年版）[M].熊建国，译.北京：科学出版社，1987.