坑道内衬钢板抗内爆效应数值模拟研究.

)> $ !)
弹 箭 与 制 导 学 报
第! "卷!
体现在对拱形结构的环向 ! 厚度方向的保护上 "
表 )! 坑道一侧混凝土剥落区域及剥落体积
坑道 无钢板 ! UU 钢板 $ UU 钢板 ‘ UU 钢板 Z UU 钢板 拱顶混凝土剥落范围# U 长度 ? @: > # @ @: ‘ ! > @: $ Z @ @: > # $ @: ! " > 宽度 T >: Z > ‘ #: ‘ ? > #: @ @ # #: ! ? > #: > Z > #: $ > @ 厚度 ! #: ! $ ! #: ! $ ? #: @ # # #: ! $ A #: > Z @ #: > ! !
"
K D; B L 4 < J ; P M＿ E <8 4 <;8 P＿ J ;＿ B D E J M进
图 !! 内爆作用下坑道受损状态
压大大增强 " 当汇聚叠加后波的 超压超 过钢 筋混 凝土的承 受 极 限 时 " 便会发生混凝土的剥落失 坑道混凝土的剥 落失效 多发生 与 效 % 由此可见 " 内壁存在 曲 率 变 化 的 部 位 " 且坑道内壁曲率越 混凝土的 剥 落 现 象 越 明 显 " 这与实际情况也 大" 是相吻合的 % ): )! 混凝土剥落统计分析 在内爆载荷作用下 " 坑道地 面部分 的损 伤对 结构整体的安全性影响甚微 " 而 拱顶部 位所 受损 伤则直接影响到坑道结构的安 全 " 严重 时甚 至会 导致拱顶在爆 炸 震 荡 及 外 围 砂 土 压 力 的 作 用 下 发生坍塌 % 鉴于此 " 在坑道防护 中需要 特别 关注 拱顶部混凝 土 的 受 损 情 况 % 表 ! 所 示 为 内 爆 作 用后 " 不同钢板防护下坑道内壁 两侧的 混凝土 剥 落区大小和剥落体积 % 统计数据表明 " 拱顶混凝土 剥落区 的长 度几 乎不受防护钢 板 的 影 响 " 而 剥 落 区 的 宽 度’ 厚度 以及剥落体 积 却 明 显 受 到 防 护 钢 板 的 影 响 % 这 说明在内爆作用下 " 内衬钢板对 坑道的 防护 主要
! # # Z[# $[> > " 收稿日期 ! 作者简介 ! 李忠星 " ! 男! 山东单县人 ! 硕士研究生 ! 研究方向 ) 火炮自动武器与弹药工程 ’ > " Z $[ $
!第!期
李忠星等 ! 坑道内衬钢板抗内爆效应数值模拟研究
(> $ >(
为@ " " ? >: ! 8 * B 为 @: ! @ 8 * L> 为 $ a A" L! 为

‘ ? ? > # UU 钢板 @:
! UU 钢 板 ! !! 从 表 ! 的 统 计 数 据 也 可 看 出 $ 剥落 混 凝 土 体 积 比 较 接 近 $ 相 $ UU 钢板防护时 $ 坑道混凝土 剥 落 情况 有 对于无钢板防护的情况 $ 了一定改善 % 当 钢 板 厚 度 继 续 增 加 时$ 虽然混凝 土剥落减少 但 是 越 来 越 不 明 显 了 " 从 以 上 分 析 可以看出 & 在 坑 道 内 爆 过 程 中$ 内衬钢板起到了 且 钢 板 越 厚 其 防 护 作 用 越 强% 明显的防护 作 用 $ 钢板增加到一 定 厚 度 后 $ 对 封 闭 空 间! 支撑剥落 其防止混 凝 土 剥落 能 碎块的能力可以继续加强 $ 力则基本趋于稳定 " ): "! 拱形单元受力分析 在 此$ 对坑道拱形 段进 行 单 元 受 力 分 析 " 如图 @ 所 示 $ 在坑道横 于拱形结构的 截面 上 $ 中部和两端 在 混 凝 土 墙 的内 ! 外侧各选取一单 提取单元应力值进 元$ 行受力分析 " 图$中$ 图$ ’ ( 为无钢板防护下爆炸后 @ * U 3 内所选 ‘ 个单元的0 图 $’ 为 W( 5 应 力 时 程 曲 线$ 上述 ‘ 单元相应 的 0 图 $’ ( 为 0 3 应 力 时 程 曲 线% ‘ UU 钢板防护下爆炸后 @ U 3内所选 ‘ 个单 元 的 图 $’ 为上述‘个单元相应 7( 0 5 应力时 程 曲 线 $ 的0 3 应力时程曲线 " 应力波在 坑 道 内 壁 反 复 相 交 和 反 射 $ 使得 单元的应力数值变化十分复杂 " 从曲 线 变 化图 中 可以看出 & 冲击 波 抵 达 并 作 用 于 壁 面 后 $ 各单元 迅速达到初始压应力峰值 $ 随后从受 压 转 变为 受 拉$ 并随着波的来回反射和相交而出 现 不 同程 度 的振荡 " 从0 <! K两 5 应力时程曲线图可 以 看 出 $ 单元处 的 0 从0 5 应 力 峰 值 明 显 高 于 其 余 单 元% 3
@ 钢筋混凝土的 密 度 为 ! $ " 弹性模量 > a ># a A # 0 U H
" 泊松比 #: 所有断裂失效塑 性 变 形设 定 @ # 8 * !" 为混凝土 最 大 受 压 变 形 " 取 为 #: 屈服强度 # ‘" " 屈服 后 强 化 模 量 $ # 钢板材料密 $ ! 6* ! # 6*
固耦合算 法 进 行 计 算 " 其 中 炸 药’ 空 Y !! 采用流 气采用 < 通过 关键字 " E P 网 格建 模 " K D;L 4 D E ＿ 钢 板’ 混 凝 土’ 土壤采用 E < E P定义 < E P# * Y ( * ) / 网 格 建 模 "两 种 网 格 通 过 关 键 字 H H
行耦合 % 单点 起 爆 " 人 工 设 定 起 爆 时 间" 在计算 中对混凝土材料加入失效判据 " 并做 出 单 元删 除 等相应处理 %
)! 计算结果分析
): (! 计算末态坑道损伤比较 文中进行了 无 钢 板 ’ ! UU 钢 板 ’ $ UU 钢 板 ’ ‘ UU 钢板 ’ Z UU 钢板 ’ > # UU 钢板等 不 同 防护 条 件下坑道内爆 过 程 的 仿 真 " 共 ‘ 次 模 拟 计 算" 每 次计算时 间 均 为 A %内爆末态时坑道受损直 U 3 观图如图 ! 所示 % 从图中可以看出 " 在! # 5 H L;L 炸药内 爆 作 用下 " 混凝土 发 生 了 剥 落 损 伤 现 象 " 且剥落损伤 主要分 布 在 坑 道 拱 顶 和 立 壁 墙 脚 这 两 大 区 域 % 这主要是因为炸药爆炸后 " 爆炸冲击 波 向 四周 迅 速传播并在壁面处发生波的反射 " 立 壁 与 顶部 的 反射波在拱弯部位相叠加 " 立壁与地 面 的 反射 波 在立壁墙角部位相叠加 " 叠加后波在 这 两 处的 超
坑道内衬钢板抗内爆效应数值模拟研究 "
! ! 李忠星>! ! 王少龙>! 徐明利>! 陈国技>!
" 北京 !> 西安 !? $ > 第二炮兵装备研究院 ! # # # Z A# ! 第二炮兵工程学院 ! > # # ! A 摘!要! 为提高地下坑道抗内爆载荷的效能 ! 利用 <; % 计算分析了内爆 L; B I B E B Y M I;< 动力学分析软件 ! L 对衬钢坑道的毁伤效果 ! 同时对比分析了不同厚度的衬钢对坑道防护效能的影响 ! 所得结果对衬钢的选择 & 措 施的改进及工程设计均提供了有利依据 ’ 关键词 ! % 内爆载荷 # 内衬钢板 # 地下坑道 <; B I B E B Y M I;<# 中图分类号 ! ! " # " L )!! 文献标志码 ! <
@ 混凝土剥落体积 # U
拱顶 C> #: ! > " $ #: > " A Z #: > $ $ A #: # ? " > #: # $ @ " #: # ‘ > A
墙脚 C! #: > @ Z @ #: ! # @ $ #: > ? @ ? #: > " A $ #: > " ‘ # #: > ? ‘ $
M 8 = . / 7 5 6 N / = 8 6 5 9 / : 2: 0N 9 6 [ > 5 7 X C% 8 2 2 6 T G / 6 -B R 6 : C / 2 M %V 2 ; / C P 3%
>! > > >! ! E J_ G & ) V 2 ) N<;8B G * & + & ) eQ 6 2 ) + 2 KCP ;8 ’ & 2 H H ! H! H . ! !
@ 度? $ " 剪切模量为? # 土壤密度 a Z @ 0 U ? 8 * H @ @ $ # 空气密度 #: $ % > a Z # 0 U # # > ! A 0 U H H
计算中所 用 的 材 料 模 型 及 其 相 应 的 状 态 方 程如表 > 所示 %
表 (! 材料模型及状态方程
材料 L;L 炸药 钢板 空气 钢筋混凝土 土壤 E B Y M I;< 材料模型 6<L＿ C J 8C＿ P e E D B J 9 P＿ ^ Q4; E B Y M I ; < 状态方程 ＿ P D B % NE
图 >! 坑道横截面尺寸及计算模型
计算模型由 炸 药 & 空 气& 钢 板& 混 凝 土& 砂土
(! 模型及算法
计算模型 为 直 壁 拱 顶 坑 道 ! 跨 度 @: 高 # U&