爆破测振仪-爆破冲击技术研究

爆炸冲击波技术在军事和建筑等领城均存在广泛的应用性。通过ANSYS/LS-DYNA软件可进行爆炸冲击捋杏野卫建模，而有限元分析方法是进行爆炸冲击问题研究的方法之一其数值模拟方法包括有限单元法、有限差分法，有限体积法等。有限差分法和动力有限元法足目前冲击载荷作用下，动力结构响应数值计算中应用最多的方法。

0 引言

炸药在空气中爆炸时能使周围目标(如建筑物、军事装备和人员等)产生不同程度的破坏和损伤。常规武器的损伤机理包括穿透物、破片、燃烧粒子、爆炸冲击波、爆轰波等，对于高速爆炸产物的研究及对目标的毁伤分析。实验方法不能详尽描述，为此在爆炸分析中采用有限元仿真分析方法。

1 爆炸冲击波在军民领域的应用

1.1 爆炸冲击波在军事领域的应用及发展

大型武器装备构造中采用板、梁、壳等基本结构较多，其塑性大变形时挠度的半经验公式为:其中：a, b ,h 分别是靶板的长、宽、厚;P是均匀分布的爆炸冲击载荷;p为板材密度。其特点在于考虑爆炸冲击载荷下靶板边界向板中心的轻微移动，为此引入靶板约束条件影响的修正系数。不考虑构拌不同部分受冲击并不均匀。依载荷持续时间的长短，可把弹性简支梁在载荷作用下的反映分为脉冲和准静态及动态载荷区，不同分区弹性简支梁有不同的反应特性，载荷时间系数和爆炸载荷持续时间与特征周期的比值有不同的函数关系。但同一分区，不同类型的简支梁有相同的函数关系。在不同分区，爆炸冲击做的功不同，如下:脉冲载荷区做功：准静态载荷区做功:动态载荷区做功：为此应根据不同性质和特性选取分析方法。

1.2 爆炸冲击波技术在建筑领域的应用

在软土地基上修建建筑物，由于地质条件的原因很难同时在施工质量、工期、效益及工艺上取得很好的统一性。近年来将爆炸技术引入到软土地基处理中，通过改善软土地的排水条件后，将爆炸法与填土预压法相结合，利用爆炸产生的巨大冲击能激发很高的空隙水压力，并在静载作用下使孔压消散。此项研究采集现场土质，运用ANSYS/LS-DYNA3D软件进行数值模拟。其结论:在爆炸载荷作用下软土地基加快土体固结速率和地基沉降速率，缩短工期;地基在爆炸载荷作用后一周，地表沉降趋于稳定，土地指标得到明显改善。应用爆炸冲击波加固地基，可测得空袭压力的增长和消散过程、地表沉降和静力触探值的变化。 目前，标准建筑物的材料主体为钢筋混凝土，所以研究爆炸冲击波对建筑物的毁伤变成了爆炸冲击波对建筑物主体材料一混凝土的毁伤问题。依混凝土损伤理论，利用有限元数值模拟技术，可研究地下工程掘进爆炸施工产生的空气冲击波对新浇混凝土衬砌结构的损伤影响，定量给出衬砌结构的最大损伤程度，并依此给出各种工况下掘进爆破施土的安全用药量，为地下工程掘进爆破施工和早期喷射混凝土衬砌结构的设计提供理论依据。利用有限元软件ANSYS实现衬砌结构损伤分析，虽对其他混凝土结构和构件的损伤分析具有参考价值，但计算只考虑爆破施工对早期混凝土衬砌结构的损伤影响，不考虑爆破产生的地震效应，需进一步研究。 为快速安全的拆除旧建筑物，了解建筑物的结构特性，采取安全经济的爆破方法极其重要。爆破拆除框架结构建筑物的力学模型及工程应用，按钢筋和混凝土材料的本构关系及共同工作机理，并考虑框架结构受力变形特点，提出基于多刚体一弹簧理论的散单元体和以极限变形为基础的各方向耦合的弹簧破坏准则，反映钢筋与混凝土间的粘结滑移问题，并兼顾结构耗能作用和数值计算结果的收敛性要求，可用ANSYS/LS-DYNA实现计算机仿真。

2 爆炸冲击波技术的研究发展现状

2.1 研究方法的探索发展

通过ANSYS/LS-DYNA软件进行爆炸冲击建模，利用有限元分析方法进行分析是爆炸冲击研究的有效方法。许多常规武器设计、工程爆破、爆炸加工、工程防护、高压合成新材料和爆炸灾害的防护等工程分析问题所涉及的问题通常用流体力学和弹塑性动力学模型来描述，根据情况采用一维或多维空间，综合化学反应方程、反应率方程、热传导方程和材料本构关系等，成为含有线性和非线性偏微分方程、常微分方程、积分方程、泛函方程及代数方程的封闭方程组，只有在极其简化情况下才可得到解析解，一般只限于包含两个自变量的平面问题。这种方法在有限情况下是可行的，但是过多的简化可能导致过大误差，甚至产生错误结果。故把注意力转向数值解，因为数值解对控制方程的限制宽得多，可得到更接近实际情况的解。 数值模拟法含有限单元法、有限差分法、有限体积法等。有限差分法在流体力学和爆炸力学中得到广泛应用;有限差分法和动力有限元法是目前冲击载荷作用下的动力结构响应数值计算中应用最多的方法。当结构为不连续介质时(如混凝土、裂隙岩体等)，又发展了离散元方法、有限块体方法、数值流形法等来解决此类问题。 。

2.2 国外研究发展现状

20世纪七八十年代，以桑地亚、劳伦斯利弗莫尔等国家研究机构，对爆炸冲击效应数值模拟进行大量研究，编制计算机程序，如CTH和HULL等。从离散方法上分:有限差分法(FDM)、有限元法(FEM)、有限体积法(FVM)。采用的坐标系分为:拉格朗日型和欧拉型，任意拉格朗日一欧拉法(ALE)和祸合拉格朗日一欧拉法(CEL)。近年，无网格法，特别是光滑质点动力学法(SPH)在冲击爆炸效应计算中得到广泛应用，因SPH法不用网格，无网格畸变，能在拉格朗日格式下处理大变形问题。该法允许存在材料界面，可精确地实现复杂的本构行为，也适合在爆炸冲击下的破坏计算。

2.3 国内研究发展现状

国内对爆炸冲击波的研究起步较晚，可借鉴的资料有限。军械工程学院研究爆炸冲击波的作用原理，及对装备的损伤闻值;北理工对圆抛物面薄壳型雷达天线在爆炸冲击波载荷作用下的变形特点和特征参量进行分析并给出工程计算式。在工程应用中，洛阳水利工程技术研究所做了冲击波对工程结构及装备的动载实验.有些理论已得到验证与运用，如长江三峡大坝动力响应试验、地下隧道试验、地形对冲击波影响试验及人防工事试验等。

3 难点与展望

3.1 难点

① 对不同目标进行分析时，没有好的方法解决边界问题，致使计算和试验结果存在较大误差;② 分析计算时，目标材料和形状设为密度均匀、形状规则，尤其在分析建筑物时，很难取舍。

3.2 展望

利用爆炸冲击波技术对敌武器装备实现打击毁坏，改进我军武器装备的防护功能，对建筑物实现精确的爆破拆除是开发爆炸冲击技术的方向。