坑道内爆炸冲击波传播规律的研究

中图分类号：O 383
文献标识码：A
THE ANALYSIS OF BLAST WAVE PROPAGATION INSIDE TUNNELS
Liu Jingbo1 Yan Qiushi1 Wu Jun2
(1. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China；2. China Academy of Building
the close-in effects of the explosion and the reflection by the confining tunnel structure, blast wave propagation inside the tunnels is distinct from which in air. When the explosion happens inside tunnel structure, the peak overpressure is higher than which the explosion happens in air. The duration of the blast wave also becomes longer. With the help of the numerical simulation finite element software LS-DYNA, a three-dimensional nonlinear dynamic simulation analysis for a experiment of the explosion inside the tunnels has been made. LS-DYNA is a fully integrated analysis program specifically designed for nonlinear dynamics and large strains problems. Compared with the experiment results, the simulation results have made the material parameters of numerical simulation model available. Making use of the model and the same material parameters, many results have been adopted by calculating the model under variety for different TNT explosion dynamites .Then the method of dimensional analysis has been used for the simulation results. As the explosion blast wave overpressures are the governing factor in the tunnels response, a formula has been suggested for calculating the blast wave peak overpressures at a certain distance from the detonation center point inside the tunnels by using the dimensional analysis theory. Compared the results computed by the formula with experiment results which had been done before board and in, the formula has been proved very applicable at some instance. The research may be helpful to rapidly estimate the tunnel internal explosion effects on the structure. Keyword: tunnels; blast wave; peak overpressures; dimensional analysis
表 1 有限元计算中材料参数取值
材料
Dyna 材料类型，材料属性和状态方程输入数据（单位：m，kg，s）
*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN
RO TNT 1600
D 7000
PCJ 2.55E10
炸药
*EOS_JWL
A
B
R1
R2 OMEG E0
V0
5.409E11 0.09372E9 4.5
图 7 给出了炸药爆炸后不同时刻坑道断面上的等压线变化过程。从图中可以看出，在爆炸初始阶段，由于空气冲击波在
3
坑道壁来回反射，导致近场的爆炸流场比较复杂，到达一定距离处，开始形成稳定的平面波向前传播。
t=0.1ms
t=5.0ms
t=0.3ms
t=8.0ms
t=0.5ms
t=13ms
t=1.0ms
t=18.2ms 图 7 坑道内爆炸压力变化过程
量。
1.2 材料参数
材料的本构模型是数值模拟的基础，本文有限元模型主要的材料是等效TNT炸药和空气材料。其中TNT炸药材料采用高 爆炸药材料模拟，其压力采用JWL[8]状态方程来计算，该方程可以计算爆炸中由化学能转化成的压力，其压力和能量的关系 可由下式确定：
P
=
A(1 −1/
)R e−R1v 1
+
1.1
0.35 8.0E9
1.00
*MAT_NULL
RO
PC
MU
空气 1.29
0.00
0.00 *EOS_LINEAR_POLYNOMIAL
C0
C1
C2
C3
C4
C5
C6
E0
V0
0.00
0.00
0.00
0.00 0.40
0.40
0.00
2.5E5 1.00
2
R＝500 mm
200mm
Expolsive
果与试验结果数据比较，验证了有限元计算中所使用的计算模型和参数取值的合理性。利用数值模拟的计算结果，使用量纲
分析理论，拟合了距离爆炸中心点一定距离处爆炸冲击波超压峰值的计算公式，并与试验结果进行对比，分析了该公式的适
用性，为坑道中爆炸冲击波的传播规律研究提供了参考。
关键词：坑道；爆炸冲击波；超压峰值；量纲分析
0
5
10
15
20
25
30
t/ms
ΔP/MPa
0.28 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08
0
5
10
15
20
25
30
t/ms
图 5 距离爆炸中心点 6.25m 试验压力时程曲线
图 6 距离爆炸中心点 6.25m 数值模拟压力时程曲线
将数值模拟计算得到的超压峰值与到达时间同试验数据相比较，其具体的计算结果见表 2
坑道内爆炸冲击波传播规律的研究
刘晶波1 闫秋实1 伍 俊2
（1.清华大学土木工程系，北京 100084； 2.总参工程兵科研三所，河南洛阳 471023）
摘 要：炸药在坑道内爆炸将产生沿坑道传播的空气冲击波，冲击波与坑道壁相互作用，使得坑道内冲击波的传播规律明显
不同于自由大气中冲击波的传播规律。使用有限元计算软件 LS-DYNA 对已有的坑道试验进行了数值模拟，通过数值模拟结
基金项目：国家自然科学基金资助项目（50678094） 收稿日期： 第一作者：刘晶波，男，博士，教授，博士生导师，1956 年生
1
的传播规律异于自由大气中的传播规律，对坑道内的人员和设备产生更大的破坏作用。国内外针对坑道内爆炸做了相关的试 验研究和数值计算，总结了大量的试验规律。在国内总参工程兵科研三所进行了一系列有关坑口内爆炸的试验研究，测定了 坑道内部自由场空气的冲击波压强[2]~[4]，得到了系统而全面的爆炸冲击波时程曲线，同时根据试验结果给出了爆炸冲击波超 压沿等截面坑道传播的衰减公式。杨科之等利用三维化爆流场计算程序对坑道中的爆炸现象进行了数值模拟，给出了冲击波 峰值超压沿坑道传播的计算公式[1]。美国的水道试验站(WES)对内径为 24.3cm的钢管模型坑道进行了坑道内和坑口外的爆炸 试验[5]。S.Choi等人对真实的地铁隧道工程采用AUTODYN有限元软件计算了三维的不同药量的内爆炸计算，同时给出了空 气冲击波的衰减曲线和简化的结构应变的计算方法[6]。
B (1 −1/
) R e−R2v 2
+
ωE
/v
(1)
其中 P 为压力，v＝V／V0为相对体积， V0为初始装药体积。空气材料假设为理想气体，采用线性多项式进行压力模拟，其
压力计算公式为：
P=(γ-1)ρ0Ε0
(2)
其中ρ0为空气相对密度，Ε0为单位体积的初始内能。本文实际计算中采用的计算参数如表 1 所示
0.5
0.4
ΔP/MPa
0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1 0
5
10
15
20
25
30
t/ms
图 3 距离爆炸中心点 2.25m 试验压力时程曲线
0.6
0.5
0.4
ΔP/MPa
0.3
0.2
0.1
0
5
10
15
20
25
30
t/ms
图 4 距离爆炸中心点 2.25m 数值模拟压力时程曲线